一、平滑肌概觀 Overview of Smooth Muscle
1️⃣ 平滑肌的定義（Definition）
- 平滑肌（Smooth muscle）為非隨意肌（involuntary muscle），廣泛存在於血管與多數內臟器官壁，負責產生張力（tone）與推進內容物的運動（如蠕動）。
- 平滑肌收縮常呈緊張性收縮（tonic contraction），可持續很久，甚至可達數小時或數天，對器官維持形狀與壓力具有核心意義。
2️⃣ 平滑肌的核心功能（Key functions）
- 調控管腔直徑（luminal diameter regulation）：血管平滑肌改變管徑，影響血流量與阻力，參與局部灌流調節。
- 維持器官基礎張力（baseline tone）：腸道、膀胱、膽囊等可長時間維持一定收縮度，協助儲存、推進與排空。
- 能量經濟（energy economy）：在長時間維持張力時，耗能極低，有利於全身能量分配。
二、平滑肌的類型 Types of Smooth Muscle
1️⃣ 單一單位平滑肌（Unitary smooth muscle）
- 又稱合胞體平滑肌（syncytial smooth muscle）與內臟平滑肌（visceral smooth muscle）。
- 常見分布：胃腸道（gastrointestinal tract）、膽道（bile ducts）、輸尿管（ureters）、子宮（uterus）、許多血管（blood vessels）。
- 縫隙連結（gap junctions）：細胞間以縫隙連結相連，使去極化可在細胞間快速傳播，整片肌層可像單一單位同步收縮。
- 動作電位（action potentials）：可出現在單一單位平滑肌，並引發收縮。
2️⃣ 多單位平滑肌（Multi-unit smooth muscle）
- 每個細胞受到神經末梢較獨立的控制，細胞間同步性較低。
- 特徵重點：在多單位平滑肌中，每個細胞可由靠近的自律神經末梢釋放神經傳遞物質而各自被刺激，呈現「一個細胞一個反應」的控制型態。
- 通常缺乏明顯動作電位：多數多單位平滑肌一般不出現典型動作電位；收縮多由局部去極化與化學調控直接驅動。
三、平滑肌收縮的收縮蛋白與化學基礎 Contractile Proteins and Chemical Basis
1️⃣ 主要肌絲（Myofilaments）
- 平滑肌含肌動蛋白（actin）與肌球蛋白（myosin），其化學特性與骨骼肌相近，兩者可互相作用產生張力。
- 鈣離子（Ca²⁺）啟動收縮；ATP（adenosine triphosphate）分解為ADP（adenosine diphosphate）提供能量。
2️⃣ 與骨骼肌控制系統的關鍵差異（Key difference in regulation）
- 平滑肌缺乏肌鈣蛋白複合體（troponin complex），因此其「鈣控制收縮」的方式與骨骼肌不同，控制核心落在鈣—鈣調蛋白—酶活化—肌球蛋白磷酸化這條路徑。
四、平滑肌收縮的物理結構基礎 Physical Basis of Smooth Muscle Contraction
1️⃣ 無條紋結構與密體（dense bodies）
- 平滑肌缺乏骨骼肌規律的肌小節條紋排列（sarcomere striations）。
- 密體（dense bodies）
- 大量肌動蛋白絲附著於密體。
- 密體的功能： 類似Z盤（Z disks）的「張力錨點」，提供肌動蛋白固定點，使肌絲滑動可轉換成細胞形變與張力輸出。
- 部分密體位於細胞內部，部分密體附著在細胞膜（cell membrane）。
- 鄰近細胞的膜密體可由細胞間蛋白橋連結，形成細胞間張力傳遞路徑，讓一個細胞產生的拉力能有效傳到下一個細胞並整合成組織層級的收縮。
2️⃣ 肌動蛋白與肌球蛋白比例（actin-to-myosin ratio）
- 平滑肌中肌球蛋白絲直徑大於肌動蛋白絲兩倍以上。
- 電子顯微鏡可見肌動蛋白數量通常為肌球蛋白的5–10倍，代表平滑肌以大量薄肌絲配合較少厚肌絲進行張力生成。
3️⃣ 侧極性橫橋（side-polar cross-bridges）與大幅度縮短
- 多數平滑肌肌球蛋白絲具有側極性橫橋（side-polar cross-bridges）：
- 一側橫橋偏向某方向鉸鏈運動，另一側橫橋偏向相反方向。
- 作用：同一條肌球蛋白絲可同時在兩側拉動不同肌動蛋白絲朝相反方向滑動，讓細胞能進行更大幅度的整體縮短。
- 結果：平滑肌細胞可縮短至原長度的約80%，骨骼肌常見縮短幅度小於約30%，平滑肌因此特別適合需要大形變的中空器官壁。
五、平滑肌的鈣控制收縮機制 Calcium–Calmodulin–MLCK Pathway
1️⃣ 鈣調蛋白（calmodulin, CaM）為核心鈣受體
- Ca²⁺與鈣調蛋白可逆結合（reversible binding），形成Ca²⁺–CaM複合體（Ca²⁺–CaM complex）。
- 作用：把「細胞內鈣上升」轉換成酶活化訊號，啟動收縮。
2️⃣ 肌球蛋白輕鏈激酶（myosin light chain kinase, MLCK）
- Ca²⁺–CaM複合體結合並活化MLCK（磷酸化酶，phosphorylating enzyme）。
- MLCK作用目標：肌球蛋白頭部的輕鏈之一，稱為調節鏈（regulatory chain）。
3️⃣ 肌球蛋白頭部磷酸化（phosphorylation）決定橫橋循環
- 當調節鏈未被磷酸化：肌球蛋白頭與肌動蛋白之間的附著—分離循環（attachment-detachment cycling）無法有效進行。
- 當調節鏈被磷酸化：肌球蛋白頭具備反覆結合肌動蛋白並完成循環的能力，產生間歇性拉動（intermittent pulls），形成張力與收縮。
六、引發收縮的鈣來源與潛伏期 Source of Ca²⁺ and Latent Period
1️⃣ 鈣來源的核心差異（extracellular vs SR）
- 平滑肌收縮同樣由Ca²⁺啟動，但鈣來源與骨骼肌不同：
- 平滑肌的肌漿網（sarcoplasmic reticulum, SR）多數情況下發育較少。
- 多數引發收縮的Ca²⁺在刺激當下由細胞外液（extracellular fluid）進入細胞。
2️⃣ 濃度梯度驅動快速內流（diffusion driven by gradient）
- 細胞外Ca²⁺濃度約大於10⁻³ M，細胞內游離Ca²⁺可低於10⁻⁷ M，形成巨大梯度。
- 當鈣通道開啟（calcium channels open），Ca²⁺迅速擴散入細胞，啟動CaM–MLCK路徑。
3️⃣ 平滑肌收縮的潛伏期（latent period）
- Ca²⁺擴散並引發收縮所需時間平均約200–300 ms，稱為收縮開始前的潛伏期（latent period）。
- 意義：平滑肌的收縮起始較慢，適合長時間調控張力與管腔狀態。
4️⃣ 洞小窩（caveolae）與SR的合作
- 細胞膜可見小內陷稱洞小窩（caveolae），其位置常鄰近少量SR小管。
- 作用：提供一種近似骨骼肌橫小管系統（T-tubules）的「膜內訊號與鈣進出微環境」，使膜事件更有效耦合到細胞內鈣調控。
七、平滑肌與骨骼肌收縮特性的比較 Comparison with Skeletal Muscle
1️⃣ 橫橋循環慢（slow cycling）
- 平滑肌肌球蛋白橫橋循環頻率可低至骨骼肌的1/10到1/300。
- 作用：
- 每次循環耗能低、速率慢，張力輸出較「耐久」。
- 橫橋附著在肌動蛋白上的時間比例增加，有利於維持高張力。
- 可能原因：平滑肌橫橋頭部ATPase活性較低，ATP分解速率下降，導致循環變慢。
2️⃣ 維持張力的能量需求極低（low energy requirement）
- 維持相同張力時，平滑肌耗能約為骨骼肌的1/10到1/300。
- 作用：腸道、膀胱、膽囊等可長時間保持緊張性收縮且不易造成能量負擔，符合器官長期工作需求。
3️⃣ 起始與鬆弛較慢（slowness of onset and relaxation）
- 一般平滑肌組織在被興奮後約50–100 ms開始收縮，約0.5 s達到最大收縮，再於1–2 s內下降，總收縮時間常達1–3 s；不同種類可短至0.2 s或長至30 s。
- 作用：較慢的動力學適合器官壁平滑、持久、可調式的張力控制。
4️⃣ 最大收縮力量可更高（greater maximum force）
- 平滑肌最大收縮力可達約4–6 kg/cm²（截面積），骨骼肌約3–4 kg/cm²。
- 作用：在血管與中空器官中能有效對抗內部壓力，維持管腔或推進內容物。
5️⃣ 閂鎖機制（latch mechanism）：長時間維持張力的關鍵
- 現象：平滑肌達到充分收縮後，持續興奮訊號可下降到遠低於起始程度，張力仍可維持在高水平。
- 能量意義：維持收縮的能量消耗可極小，有時低至骨骼肌同等持續收縮的1/300。
- 生理意義：
- 協助血管長期維持基礎張力、維持血壓與血流分配。
- 協助腸道、膀胱等器官在長時間負載下維持張力，仍保有能量效率。
八、平滑肌的神經肌肉接點與自主神經調控 Neuromuscular Junctions and Autonomic Control
1️⃣ 末梢膨大（varicosities）與彌散式傳遞
- 自律神經纖維在平滑肌表面形成多個末梢膨大（varicosities），於多點釋放神經傳遞物質。
- 作用：讓一條神經纖維可影響多個平滑肌細胞，形成廣域調控。
2️⃣ 接點型態：接觸接點與彌散接點（contact vs diffuse junctions）
- 接觸接點（contact junctions）：
- 在部分多單位平滑肌，膨大部與細胞膜距離可僅20–30 nm，接近骨骼肌神經肌肉接點的裂隙寬度。
- 作用：傳遞更「集中且快速」，因此收縮反應較快。
- 彌散接點（diffuse junctions）：
- 傳遞物質在較大範圍擴散至多個細胞膜受體，引發較廣泛但相對較慢的反應。
3️⃣ 興奮性與抑制性傳遞物質（excitatory vs inhibitory transmitters）
- 重要傳遞物質：乙醯膽鹼（acetylcholine）與去甲腎上腺素（norepinephrine），兩者不由同一神經纖維共同分泌。
- 乙醯膽鹼在不同器官可呈興奮或抑制；去甲腎上腺素常呈相反效果（某器官ACh興奮時NE多抑制；ACh抑制時NE多興奮）。
- 原因：兩者先與細胞膜受體蛋白（receptor proteins）結合；受體分為興奮性受體（excitatory receptors）與抑制性受體（inhibitory receptors），受體型態決定反應方向與哪一種傳遞物質有效。
九、平滑肌的膜電位與動作電位 Membrane Potentials and Action Potentials
1️⃣ 靜止膜電位（resting membrane potential）
- 平滑肌靜止時細胞內電位通常約−50到−60 mV，比骨骼肌少負約30 mV。
- 意義：較接近放電閾值，對化學或牽張刺激更容易出現去極化與收縮反應。
2️⃣ 單一單位平滑肌的動作電位型態（forms of action potentials）
- 單一單位（內臟）平滑肌可出現動作電位，形式包含：
- 尖峰電位（spike potentials）
- 平台電位（action potentials with plateaus）
- 功能意義：不同放電型態可對應不同收縮時間與鈣進入模式，進一步影響張力維持與節律性。
3️⃣ 接合電位與電緊張傳播（junctional potential and electrotonic spread）
- 在較小平滑肌細胞中，即使未形成完整動作電位，神經傳遞物質引起的局部去極化可作為接合電位（junctional potential），並以電緊張方式（electrotonically）擴散至整個細胞，仍足以引發收縮。
- 生理意義：讓平滑肌能以局部電位＋鈣進入達成收縮，降低對全有或全無動作電位的依賴。
十、無需動作電位的收縮：局部因子與荷爾蒙 Local Factors and Hormones
1️⃣ 非神經、非動作電位驅動的比例與概念
- 約有相當比例的平滑肌收縮可由刺激因子直接作用於收縮機械而啟動，動作電位不一定出現。
2️⃣ 局部組織化學因子（local tissue chemical factors）對血管平滑肌的作用
- 許多微小血管平滑肌神經支配少，仍可高度收縮，依賴局部化學環境與牽張改變快速調整口徑。
- 促進血管舒張（vasodilation）的局部因子（作用＝放鬆平滑肌、降低阻力、增加灌流）：
- 缺氧（lack of oxygen）：使平滑肌放鬆，促進血管擴張。
- 二氧化碳增加（excess CO₂）：促擴張。
- 氫離子增加（increased H⁺）：促擴張。
- 腺苷（adenosine）、乳酸（lactic acid）、鉀離子增加（increased K⁺）、一氧化氮（nitric oxide, NO）、體溫上升（increased body temperature）：皆可造成局部血管擴張。
- 血壓下降→牽張下降（decreased stretch）：牽張減少使血管平滑肌較易擴張。
- 功能總結：形成強力的局部回饋控制，依組織代謝需求調整血流。
3️⃣ 荷爾蒙（hormones）對平滑肌的作用
- 具顯著影響的荷爾蒙例：去甲腎上腺素（norepinephrine）、腎上腺素（epinephrine）、血管張力素II（angiotensin II）、內皮素（endothelin）、加壓素（vasopressin）、催產素（oxytocin）、血清素（serotonin）、組織胺（histamine）。
- 反應方向取決於受體：
- 細胞膜具有對應荷爾蒙的興奮性受體（excitatory receptors）時，荷爾蒙可引發收縮。
- 具有抑制性受體（inhibitory receptors）時，荷爾蒙可引發抑制。
4️⃣ 荷爾蒙或局部因子的作用機制（mechanisms）
- 部分受體可開啟鈉或鈣通道（Na⁺ or Ca²⁺ channels）造成膜去極化，類似神經刺激；可引發動作電位或增強既有動作電位。
- 另一種常見情況：去極化幅度不足以形成動作電位，仍可增加鈣進入細胞，使細胞內Ca²⁺上升並促進收縮。
