第 4 章：血管平滑肌的电学与力学性质（Electrical and Mechanical Properties of Vascular Smooth Muscle）
4.1 引言（Introduction）
血管平滑肌（vascular smooth muscle, VSM）的电学与力学性质对其收缩反应具有根本性的决定意义。在横纹肌（骨骼肌）中，动作电位是触发肌浆网释放 Ca²⁺、启动收缩的必需环节；而在包括 VSM 在内的平滑肌中，动作电位并非胞质 Ca²⁺ 浓度升高所必需——胞质 Ca²⁺ 既可经去极化激活的电压依赖性 Ca²⁺ 通道（voltage-dependent Ca²⁺ channels, VDCCs）进入胞质，也可经受体介导的磷脂酶 C（phospholipase C, PLC）激活产生 1,4,5-三磷酸肌醇（inositol 1,4,5-trisphosphate, IP3），并由 IP3 受体（IP3R）触发肌浆网 Ca²⁺ 释放。然而，VSM 的收缩往往是持续性活动，并严重依赖于经 VDCCs 进入胞质的 Ca²⁺。因此，由 Cl⁻、K⁺ 及瞬时受体电位（transient receptor potential, TRP）通道调节的膜电位分级变化（graded changes）便构成了血管活性调节的重要机制，这种分级调节与动作电位的全或无式发放形成对照（Thorneloe 和 Nelson 2005；Kuo 和 Ehrlich 2015；Hübner 等 2015；Earley 和 Brayden 2015）。电学性质主要影响 VSM 响应的早期步骤——受体与离子通道的激活、膜电位变化、Ca²⁺ 动员——力学性质则影响 VSM 响应的结局，并表现出高度的可塑性。在骨骼肌中，基本收缩单位——肌节——具有稳定的组织结构，在确定的长度下产生的力是恒定的；与之相比，VSM 等平滑肌缺乏明确的收缩单位，由肌动蛋白（actins）与肌球蛋白（myosins）形成的横桥（cross-bridge）的数量与排列可在不同的生理状态下调整。这一动态过程赋予 VSM 在不同纤维长度下产生张力、在不同负载下改变缩短速度的强大能力，也是 VSM 在生理与病理条件下表现出可塑性的根本原因（Ratz 2015）。在接下来的章节中，作者将先分析 VSM 的电学性质，包括静息膜电位、动作电位、慢波（slow wave）以及它们的离子基础；然后讨论 VSM 的力学性质，重点是长度-张力（length-tension）与力-速度（force-velocity）这两个经典关系。
4.2 血管平滑肌的电学性质（Electrical Properties of Vascular Smooth Muscle）
由于胞质内 Cl⁻ 浓度较高，VSM 细胞的静息膜电位比 K⁺ 的平衡电位更正，这是 VSM 与非平滑肌细胞的关键区别之一（详见 4.2.1）。在 VSM 细胞中，Na⁺ 内流对动作电位的产生并不重要，这与骨骼肌和心肌形成鲜明对比。动作电位常与时相性（phasic）血管收缩相关联，但更常见的电学活动是与血管收缩相关的、不伴有动作电位的分级去极化（graded depolarization），如 Holman 等 1968 年以及 Johansson 和 Somlyo 1980 年所记录。该去极化由 Cl⁻ 通道与 TRP 通道介导，K⁺ 通道则作为超极化离子通道提供对兴奋性的负反馈（Thorneloe 和 Nelson 2005）。VSM 收缩所依赖的 Ca²⁺ 主要来源于 VDCCs，与之相对，肌浆网是骨骼肌收缩 Ca²⁺ 的主要来源（Holman 等 1968；Johansson 和 Somlyo 1980；Thorneloe 和 Nelson 2005）。这些鲜明的电学特征对 VSM 反应性的调节具有深远影响（Holman 等 1968；Johansson 和 Somlyo 1980；Thorneloe 和 Nelson 2005；Kuo 和 Ehrlich 2015；Hübner 等 2015）。
4.2.1 静息膜电位（Resting Membrane Potential）
哺乳动物细胞的静息膜电位主要由 K⁺、Na⁺、Cl⁻ 三种离子在细胞膜两侧的浓度梯度以及膜对它们的通透性决定。对任一特定离子，若膜对其完全通透，则其对静息膜电位的贡献可由 Nernst 方程计算：
其中，VEq 为该离子的平衡电位（Nernst 电位），即该离子沿浓度梯度的扩散与由浓度梯度所建立的电学梯度达到平衡时的电位；VEq 的单位为伏特，但通常以毫伏（mV）表示。R 为通用气体常数（8.314 J·K⁻¹·mol⁻¹），T 为开尔文温度（K = °C + 273.15），z 为该离子的价数，F 为法拉第常数（96,485 C·mol⁻¹），方括号下标 "out" 与 "in" 分别代表胞外与胞内浓度。假设 VSM 细胞中 K⁺ 的胞内与胞外浓度分别为 150 与 5.9 mM，则 37 °C 下 K⁺ 的 VEq（EK）为 −86 mV；Na⁺ 与 Cl⁻ 在胞外更浓（分别 145 mM 与 125 mM）而胞内较稀（分别 10 mM 与 35 mM），其 VEq 分别为 +61（ENa）与 −34 mV（ECl）（Johansson 和 Somlyo 1980；Layton 和 Edwards 2014；Hübner 等 2015）。一般认为 Cl⁻ 顺电化学梯度在细胞内外被动分布，其 VEq 值与 K⁺ 接近；然而在平滑肌细胞中，由于胞内 Cl⁻ 浓度较高，ECl 显著正于 EK，这一高胞内 Cl⁻ 浓度源于 Cl⁻/HCO₃⁻ 交换、(Na⁺ + K⁺ + Cl⁻) 协同转运以及可能的泵 III 活性（pump III activity）（Chipperfield 和 Harper 2000；Hübner 等 2015）。需要强调的是，ECl 在 VSM 中并不"被动"，是 Cl⁻ 通道能够介导去极化（而非如多数细胞那样超极化）的电化学基础。
静息膜电位由 K⁺、Na⁺、Cl⁻ 三者的 VEq 及其膜通透性共同决定，可用 Goldman–Hodgkin–Katz（GHK）方程描述：
其中 Vm 为膜电位，pK、pNa、pCl 分别为 K⁺、Na⁺、Cl⁻ 的相对膜通透性，在 VSM 细胞中分别约为 1、0.1 与 1（pK 设为 1 是因为在静息状态下 pK 大于 pNa 与 pCl）（Johansson 和 Somlyo 1980）。R、T、F 与下标 "out"、"in" 的意义同方程 4.1。用上述离子浓度（[K⁺]ᵢₙ = 150 mM，[K⁺]ₒᵤₜ = 5.9 mM；[Na⁺]ᵢₙ = 10 mM，[Na⁺]ₒᵤₜ = 145 mM；[Cl⁻]ᵢₙ = 35 mM，[Cl⁻]ₒᵤₜ = 125 mM）与通透性参数（pK = 1，pNa = 0.1，pCl = 1）计算，GHK 方程给出的静息膜电位为 −43 mV。动脉与微动脉体外（in vitro）测得的平滑肌细胞静息膜电位介于 −40 到 −70 mV 之间（Holman 和 Surprenant 1980；Nelson 和 Quayle 1995），体内（in vivo）测得的范围为 −40 到 −55 mV（Nelson 和 Quayle 1995）。该膜电位明显正于 EK（−86 mV），原因正是 ECl（−34 mV）较高且胞内 Cl⁻ 浓度较高（Chipperfield 和 Harper 2000；Hübner 等 2015）。不同 VSM 细胞之间静息膜电位的差异也部分源于 Na⁺/K⁺ 泵活性的差异（Johansson 和 Somlyo 1980）。
4.2.2 动作电位（Action Potentials）
在多种血管中可记录到形态各异的动作电位，包括单一锋电位或锋电位串；其时程可能延长，并可表现为心肌动作电位样的早期快速成分继以平台期。VSM 细胞的动作电位在许多方面与神经和骨骼肌的动作电位不同。例如，门-肠系膜静脉中的动作电位对河豚毒素（一种电压门控钠通道阻断剂）不敏感，也不随胞外 Na⁺ 浓度的下降而消失；它们却可被去除胞外 Ca²⁺ 或 L 型电压门控 Ca²⁺ 通道阻断剂所阻断。因此，Ca²⁺ 经电压门控 Ca²⁺ 通道内流所产生的电流，而非 Na⁺ 电流，是这些血管中动作电位形成的主要原因（Holman 等 1968；Johansson 和 Somlyo 1980；Gokina 等 1996）。尽管动作电位常引起血管张力增加，许多血管的收缩反应却可在不发生膜电位变化、仅有较小膜电位变化、甚至完全没有膜电位变化的情况下出现（Su 等 1964；Holman 等 1968；Johansson 和 Somlyo 1980；Bolton 等 1984；Gokina 等 1996）。例如，兔肺动脉对交感神经刺激和去甲肾上腺素的收缩反应并不伴有膜电位变化（Su 等 1964）；豚鼠肠系膜动脉中，去甲肾上腺素引起的张力增加伴随的去极化幅度远小于高 K⁺ 所致者（Bolton 等 1984）。这种对比表明，在受体激动剂引起的血管收缩中，膜电位变化并非必要条件。一般而言，高 K⁺ 引起的血管收缩主要源于去极化诱发的 Ca²⁺ 内流，而神经递质与体液因子引起的收缩则由受体介导的肌浆网 Ca²⁺ 释放、胞外 Ca²⁺ 内流以及收缩纤维对 Ca²⁺ 的增敏作用（sensitization of myofilaments to Ca²⁺）共同介导（Thorneloe 和 Nelson 2005；Kuo 和 Ehrlich 2015）。
4.2.3 离子通道的作用（Roles of Ionic Channels）
膜电位及膜电位的变化（包括动作电位）反映离子通道的活性。在 VSM 细胞中，与电学活动密切相关的离子通道包括 K⁺、Ca²⁺、Cl⁻ 与 TRP 通道。人类基因组中编码成孔亚基的 K⁺ 通道基因超过 78 个，使 K⁺ 通道成为最大的离子通道家族。在血管平滑肌中，已识别出五大类作为膜电位与收缩性调节者的 K⁺ 通道：电压门控（Kv）通道、大电导 Ca²⁺ 激活（BK）通道、内向整流（Kir）通道、ATP 敏感（KATP）通道以及双孔结构域（K2P）K⁺ 通道（Nelson 和 Quayle 1995；Feliciangeli 等 2015）。K2P 通道在所有电压下均开放，被认为构成多种背景 K⁺ 电流的基础；K2P6.1 是 K2P 家族中在血管系统高表达的成员，新鲜分离的 VSM 细胞在 K2P6.1 基因敲除小鼠中较野生型去极化约 17 mV，提示其在静息膜电位维持中的关键作用（Lloyd 等 2011）。Kv 通道在 −50 到 −30 mV 的去极化范围内被激活；BK 通道由膜去极化和/或胞内 Ca²⁺ 升高激活，二者构成限制去极化与 Ca²⁺ 内流的负反馈机制。Kir 通道在较负的膜电位下更为活跃，参与 VSM 在无外在去极化因素作用时膜电位的调节；当胞外 K⁺ 浓度升高（可达 15 mM）时（如缺氧、缺血或低血糖时），K⁺ 平衡电位负度减小，Kir 通道介导的外向电流增大，引起膜超极化与血管舒张。KATP 通道属于内向整流家族、电压非依赖性，其活性被胞质 ATP 抑制，在 ATP 耗竭时（如缺氧、代谢抑制）激活（Nelson 和 Quayle 1995；Thorneloe 和 Nelson 2005）。
电压依赖性 Ca²⁺ 通道（VDCCs）可分为高电压激活的二氢吡啶敏感（L 型，CaV1.1–1.4）与不敏感（P/Q/R/N 型，CaV2.1–2.3）通道以及低电压激活（T 型，CaV3.1–3.3）通道。在血管平滑肌中，二氢吡啶敏感的 L 型 Ca²⁺ 通道提供收缩所需 Ca²⁺ 的主要来源；其他 VDCC 亚型的表达与电流密度在不同血管间可能存在差异（Thorneloe 和 Nelson 2005）。除 VDCCs 外，TRP 通道也参与膜去极化与 Ca²⁺ 内流的介导。哺乳动物基因组编码 28 种 TRP 蛋白亚基，构成大量对 Ca²⁺ 具有可变通透性的非选择性阳离子通道，可分为经典（canonical）、香草素（vanilloid）、黑色素瘤相关（melastatin）、锚蛋白（ankyrin）、多囊蛋白（polycystin）与黏脂蛋白（mucolipin）六个亚家族。与 VDCCs 不同，TRP 通道对电压变化不敏感，而能感受压力、剪切应力、机械牵张、氧化应激、脂质环境变化、肥大信号和炎症产物等多种刺激（Earley 和 Brayden 2015；Yue 等 2015）。在血管中，平滑肌细胞质膜的牵张可激活 G 蛋白偶联受体（GPCRs），产生二酰甘油（diacyl glycerol, DAG）与 1,4,5-三磷酸肌醇（IP3）：DAG 激活 TRPC6 并引起胞外 Ca²⁺ 内流，IP3 引起肌浆网 Ca²⁺ 释放；局部 Ca²⁺ 升高触发钙诱导的钙释放（Ca²⁺-induced Ca²⁺ release, CICR）并激活 TRPM4。TRPC6 与 TRPM4 介导的电流使质膜去极化，激活 VDCCs，导致血管收缩（Hill-Eubanks 等 2014）。
VSM 细胞的胞质 Cl⁻ 浓度通常在 28 到 44 mM 之间，估算的 ECl 介于 −40 到 −28 mV，高于多数平滑肌的静息膜电位；因此 VSM 质膜上 Cl⁻ 通道的开放引起去极化的 Cl⁻ 外流，进而激活 VDCCs、升高胞质 Ca²⁺ 并导致血管收缩（Hübner 等 2015）。VSM 中已识别的 Cl⁻ 通道包括 Ca²⁺ 激活的 Cl⁻ 通道（ClCa）、cGMP 依赖的 ClCa、cAMP 调节的囊性纤维化跨膜传导调节蛋白（CFTR）以及体积调节的 Cl⁻ 通道（VRACs）。VSM 中的 ClCa 通道主要由跨膜蛋白 16A（TMEM16A）二聚化形成，TMEM16B 的表达极低；TMEM16A 的门控同时依赖于电压与 Ca²⁺，Ca²⁺ 通过直接结合通道蛋白发挥作用。TMEM16A 的激活由胞质 Ca²⁺ 的局部升高所触发，并可能参与牵张调节的 Cl⁻ 电流及肌源性反应（myogenic response）——后者在灌注压波动时维持血流恒定（Hübner 等 2015；Tykocki 和 Nelson 2015）。血管平滑肌中还存在另一种不同于 TMEM16A 的 ClCa 活性，其功能依赖 cGMP 的存在；其分子身份尚不清楚，但 bestrophin 蛋白家族（1 至 4 四个成员）被视为候选者（Bulley 和 Jaggar 2014）。CFTR 在膜电位正于 ECl 时被激活，引起 Cl⁻ 内流、超极化与血管舒张；该机制可能并非存在于所有 VSM 细胞，因 CFTR 表达沿血管树差异显著（Bulley 和 Jaggar 2014；Hübner 等 2015）。VRAC 可能对 VSM 增殖较为重要，其在血管中的分子身份被认为是 Cl⁻ 通道-3（ClC-3），属于 ClCn 基因家族（Bulley 和 Jaggar 2014）。
4.2.4 慢波与血管舒缩振荡（Slow Waves and Vasomotion）
在微循环的小阻力血管及较大的动脉、静脉中，细胞膜电位可呈非完美正弦形的振荡，即所谓慢波（slow wave）。慢波可自发出现，也可由压力、牵张和血管收缩剂所诱发，并常先于节律性血管收缩（即血管舒缩振荡，vasomotion）发生（Aalkjaer 和 Nilsson 2005；Haddock 和 Hill 2005；Seppey 等 2010）。慢波通常被认为源于 IP3 和/或 ryanodine 激活的 Ca²⁺ 通道使肌浆网周期性释放 Ca²⁺ 所致的胞质 Ca²⁺ 浓度（[Ca²⁺]i）周期性变化。在虹膜微动脉中，IP3 引发的周期性 Ca²⁺ 释放由磷脂酶 C 与磷脂酶 A2 通路之间的交互作用所激活；Ca²⁺ 振荡与周期性去极化同步发生，Ca²⁺ 波经缝隙连接（gap junctions）同步化后产生血管舒缩振荡。有趣的是，血管舒缩振荡对 VDCC 抑制剂与电压钳均不敏感，提示虹膜微动脉中的血管舒缩振荡与细胞膜的慢波是相互独立的（Haddock 等 2002）。在某些血管中，由 IP3 和/或 ryanodine 池释放的 Ca²⁺ 与 Ca²⁺ 诱导的钙释放（CICR）的再生机制足以引起节律性血管收缩；但更多情况下，膜的周期性去极化所触发的 Ca²⁺ 经 VDCCs 内流对于 Ca²⁺ 波的同步化是不可或缺的。在所研究的大多数血管中，VDCC 抑制剂可减弱或消除慢波，使 Ca²⁺ 波去同步化并消除血管舒缩振荡（Haddock 和 Hill 2005）。
在大鼠肠系膜小动脉中，膜电位、[Ca²⁺]i 与张力的振荡可被离子硫氰酸根（SCN⁻，一种 Cl⁻ 替代物）所消除；全细胞膜片钳实验显示 SCN⁻ 可抑制 VSM 的 Cl⁻ 电导。这些结果提示 ClCa 通道可能在慢波形成与周期性血管收缩中起关键作用（Boedtkjer 等 2008）。多项研究已表明 ClCa 通道（cGMP 依赖与非依赖的两类）在多种动脉的慢波与血管舒缩振荡活动中具有重要作用（Haddock 和 Hill 2005）。ClCa 通道可能参与慢波的去极化部分，而 ryanodine 受体（RyRs）与邻近质膜 BK 通道所形成的微结构域可能与 RyR 介导的 Ca²⁺ 火花（Ca²⁺ sparks）激活 BK 通道相关（Tykocki 和 Nelson 2015）。血管舒缩振荡由足够数量平滑肌细胞间 Ca²⁺ 波的同步化所产生，可通过膜电位振荡以及 Ca²⁺ 和/或 IP3 信号经缝隙连接在细胞间的传播实现；这些信号也可经肌内皮连接（myoendothelial junctions, MEJs）在 VSM 细胞间传递。研究显示，相邻平滑肌细胞间的 MEJs 比它们之间的缝隙连接更为丰富；内皮可作为信号沿血管传递的有利通路（Haas 和 Duling 1997；Haddock 和 Hill 2005；Gao 等 2016）。
图 4.1 给出的大鼠肠系膜小动脉同时记录显示，膜电位振荡（上面板 Um，单位 mV，数值范围约 −25 到 −50）先于 [Ca²⁺]i 振荡（中间板，单位 nM × 1000）而 [Ca²⁺]i 振荡又先于等长力的周期性变化（下面板 F，单位 mN），三者形成时间锁相的级联关系（Aalkjaer 和 Nilsson 2005）。图 4.2 给出慢波产生与同步化的可能机制：慢波由 [Ca²⁺]i 的振荡所启动，而 [Ca²⁺]i 振荡源于肌浆网（SR）经 IP3R 与 RyR 通道释放 Ca²⁺。GPCR 激活 PLC 引起 IP3 水平升高，在某些动脉中 PLC 还可具有组成型活性。[Ca²⁺]i 升高激活 ClCa，导致胞内 Cl⁻ 外流增加、膜去极化，进而打开 VDCCs 并引起胞外 Ca²⁺ 内流。该 Ca²⁺ 内流通过 RyR 引发 CICR；CICR 也可由 IP3R 释放的 Ca²⁺ 所触发；而 RyR 与 IP3R 介导的 Ca²⁺ 释放在高 [Ca²⁺]i 下均受抑制。ClCa 介导的膜去极化贡献于慢波的上升相，而 SR 释放的 Ca²⁺ 经邻近质膜的 RyR 激活 BK 通道则引起超极化与 VDCCs 关闭。相邻平滑肌细胞间慢波与 [Ca²⁺]i 振荡的同步化通过缝隙连接（GJ）的电耦合实现，也可经 MEJs 以及内皮细胞（ECs）之间的 GJ 介导；MEJs 与内皮细胞间的 GJ 数量上比 VSM 细胞间的 GJ 更多。MEJ-与 GJ-介导的 Ca²⁺ 与 IP3 转运可能也参与同步化（实线箭头：兴奋性；虚线箭头：抑制性）。这种由内皮主动参与的信号传播机制赋予了血管壁在远距离上协调收缩与舒张的能力。
4.3 血管平滑肌的力学性质（Mechanical Properties of Vascular Smooth Muscle）
研究 VSM 的力学性质对于理解循环功能具有根本性的重要意义：血管的收缩与舒张调节血流分配与血压，血管壁的力学性质直接决定其对压力负荷的反应与适应能力。与许多生化与分子研究不同，目前可用的技术能够以高精度、高灵敏度和高重复性实时测量与分析血管的力学响应——例如在体或离体条件下记录等长张力、长度与缩短速度的瞬态变化（Ratz 2015）。本节将讨论 VSM 的基本力学性质，包括长度-张力关系、力-速度关系以及弹性纤维与胶原纤维的功能——后者虽不直接产生主动张力，但提供被动张力以维持血管壁的稳定，是血管力学不可或缺的组成部分。
4.3.1 长度-张力关系（Length–Tension Relationship）
肌肉的收缩表现为张力与长度的变化。张力变化而肌肉长度不变时称为等长（isometric）收缩；长度变化而肌肉张力保持恒定时则称为等张（isotonic）收缩。在等长收缩条件下，对肌肉进行逐级牵张（无论是否给予刺激）并测量其等长张力，便可构建肌肉的长度-张力关系。无刺激时所观察到的张力称为被动张力（passive tension），源于肌肉弹性成分的牵张；刺激所引起的张力增加称为主动张力（active tension）。当肌肉长度从未牵张状态开始增加时，被动张力与刺激诱发的主动张力均增加；被动张力随牵张持续增加，而主动张力达到平台后，进一步牵张将导致主动张力下降。产生最大主动张力的肌肉长度称为最适长度（optimal length, L₀），此时由肌动蛋白与肌球蛋白形成的横桥数量最多（Herlihy 和 Murphy 1973；Zhang 等 2007；Bednarek 等 2011；Ratz 2015）。横纹肌主动长度-张力曲线呈尖锐的静态特征，只有在特定肌节蛋白基因转录与翻译改变后才缓慢适应（Willis 等 2009；Bednarek 等 2011）。平滑肌的主动长度-张力曲线则具有更宽的工作长度范围与更宽的最适长度范围，并能急性适应——表现为长度-张力曲线沿长度轴的位移（Tuna 等 2012）。在兔颈总动脉中，将血管长度设定为最适长度的 67% 或 133% 时，主动张力分别下降到最大收缩的约 75% 和 93%；在适应期 27 分钟内（每 5 分钟以相同长度刺激一次），主动张力分别恢复至最大收缩的约 85% 和 98%（Seow 2000）。小肠系膜动脉与内皮素孵育后也观察到长度-张力曲线的左移（Tuna 等 2013）。这些主动张力的适应性变化可能源于肌动蛋白的聚合，参与横桥的形成与细胞骨架的重构（Tuna 等 2012）。研究显示，兔股动脉主动张力的适应可被细胞松弛素-D（cytochalasin-D）抑制肌动蛋白聚合所阻断（Bednarek 等 2011）。除肌动蛋白外，平滑肌中的肌球蛋白丝也处于组装与拆解的动态平衡中（Black 等 2009；Milton 等 2011）。具体而言，Milton 等 2011 年通过直接证据表明，10S 自身抑制单体构象的功能性平滑肌肌球蛋白 II 存在于气道平滑肌细胞中，提示肌球蛋白丝在收缩过程中存在可塑的组装/拆解。当遭遇长度变化时，横桥的动态重塑——既包括肌动蛋白聚合（细胞骨架重构）也包括肌球蛋白丝的动态平衡——很可能参与张力产生的适应过程。这两种细胞骨架的动态性质是 VSM 区别于横纹肌、表现出急性可塑性的细胞与分子基础。
肌肉的长度-张力特征由主动与被动张力成分共同贡献，可由 Hill 肌肉模型表示：模型包含一个收缩元件（contractile element, CE）和两个弹性元件——一个串联（series, SE）、一个并联（parallel, PE）（图 4.3）。收缩元件指肌动-肌球蛋白机制；并联弹性元件代表收缩纤维周围结缔组织牵张所引起的被动张力；串联弹性元件代表肌原纤维的内在弹性张力（Martins 等 1998）。基于 Hill 模型绘制的猪颈动脉条长度-张力曲线（图 4.3）显示，主动张力（T）在最适长度（L₀）下达最大（T₀），被动张力则随长度单调增加；T 与 L 通常分别归一化为 T/T₀ 与 L/L₀ 表示。等长收缩时，串联弹性元件处于张力下并被牵张；由于肌肉长度保持不变，串联元件的牵张源于收缩元件的等量缩短，因此收缩元件产生的张力（TC）等于串联弹性元件的张力（TS）。总张力为收缩元件张力（TC）与并联弹性元件张力（TP）之和。同时，肌肉长度（L）等于并联弹性元件的长度（LP），也等于收缩元件长度（LC）与串联弹性元件长度之和（Roach 和 Burton 1957；Ratz 2015）。
4.3.2 弹性纤维与胶原纤维的功能（Functions of Elastic and Collagenous Fibers）
由牵张所诱发的被动张力主要来源于弹性纤维与胶原纤维。弹性纤维是包含弹性蛋白（elastin）和微纤维（microfibrils）的复杂结构。微纤维是直径 10–15 nm 的丝状物，被认为促进弹性蛋白的组装并为正在生长的弹性纤维提供整体结构。弹性蛋白是赋予弹性的主要蛋白，由其可溶性单体——原弹性蛋白（tropoelastin）经赖氨酸介导的交联形成的不溶性聚合蛋白，原弹性蛋白由单一基因 ELN 编码（Wagenseil 和 Mecham 2009；Ratz 2015）。已识别的胶原超过 28 种；其中 17 种存在于血管壁，以 I 型和 III 型为主，赋予血管壁强度。胶原纤维由胶原原纤维（collagen fibrils）组成，胶原原纤维由多个原胶原分子经羟赖氨酸与赖氨酸介导的交联形成。胶原可通过多种蛋白（包括纤连蛋白 fibronectin 与整合素 integrin）附着于细胞膜（Wagenseil 和 Mecham 2009）。弹性纤维高度弹性，其弹性模量（即将材料拉伸到初始长度两倍所需的单位横截面积的力）约为 3×10⁶ dyne/cm²；与之相比，胶原纤维极难拉伸，其弹性模量约为 1×10⁹ dyne/cm²（Burton 1954）。弹性纤维在静息时相对平直，作为高效的弹簧储存机械能，有助于在缩短后恢复形状。动脉中的胶原纤维在组织长度较短时迂曲且不受张力；随牵张增加，胶原纤维开始伸直，不同长度的胶原纤维依次被招募为承重结构（Ratz 2015）。弹性纤维与胶原纤维对被动张力的相对贡献已通过在甲酸消化胶原和胰蛋白酶（含弹性蛋白酶）消化弹性蛋白前后比较动脉周向张力与周长的关系进行了研究。这些研究表明：在低压下，对牵张的抗力几乎完全来自弹性纤维；在生理压力下，弹性纤维与胶原纤维共同贡献；在高压下，血管壁张力随形变轻微增加而急剧上升，几乎完全由胶原纤维承担（Roach 和 Burton 1957）。
弹性纤维与胶原纤维在无需耗能的情况下提供必要的维持张力以承受跨血管壁的压力应力。在动脉中，它们是压力波传播的介质，有助于血液流动；它们还通过在血管张力下提供分级收缩或舒张的能力，使血管壁保持稳定。假设血管壁中只有平滑肌存在，由血管收缩引起的张力增加将自然减小血管半径。由 Laplace 定律 T = P·r（其中 T 为单位血管长度上的总切向张力，单位 dynes/cm；P 为压力，单位 dynes/cm²，1 mmHg = 1330 dynes/cm²；r 为半径，单位 cm）可见，半径减小后维持平衡所需张力将减小。因此，血管收缩时较高的血管张力会"赢过"压力而使血管进一步收缩直至完全闭塞；反之，由舒血管物质引起的血管张力下降将在与压力的抗衡中持续"失败"并发生"爆裂"。因此，为维持血管壁的稳定，壁内必须存在依赖于牵张的弹性张力，使其随血管尺寸变化而自动调整，以满足 Laplace 定律。血管壁的弹性组织与平滑肌协同作用，是实现稳定分级收缩的关键（Burton 1954；Ratz 2015）。
4.3.3 力-速度关系（Force–Velocity Relationship）
当肌肉进行等张（isotonic）收缩时，肌肉负载（即产生的力）增加与肌肉缩短速度下降相关联。当负载为零时，缩短速度达最大值（V₀）；反之，肌肉产生的最大力（f₀）出现于缩短速度为零时。特定肌肉的力-速度关系可通过经验方法测定：先将肌肉在其最适长度下进行等长刺激，在收缩上升相中达到 f₀ 一定分数的力值时，迅速对肌肉进行负载钳制（load-clamped）并允许其等张缩短；对不同的 f₀ 分数重复此过程，绘制力-速度曲线并拟合，外推至零负载即得 V₀ 的估计。力-速度曲线可用 Hill 方程这一矩形双曲线表示：V = β·(f₀ − f)/(f + α)，其中 V 为速度，f 为力，α 与 β 分别为力与速度的渐近线参数。机械功（功率）为力与速度的乘积；产生功率的最适缩短速度约为最大缩短速度的三分之一（图 4.4）（Hill 1938；Herlihy 和 Murphy 1974）。该方程的线性化形式可通过将 (1 − f/f₀)/V 对 f/f₀ 作图得到，斜率为 1/β，横轴截距为 −α/f₀；零负载下的最大缩短速度 Vmax = f₀·β/α。
肌肉的等张缩短速度反映横桥循环速率，V₀ 可能是平均横桥循环速率的最佳指标（Hai 和 Murphy 1989；Ratz 2015）。VSM 的缩短速度与横纹肌明显不同，这可能主要源于肌球蛋白同种型的差异（Canepari 等 2010；Reho 等 2014）。在横纹肌中，肌节长度恒定，肌球蛋白与肌动蛋白的数量稳定；而在包括 VSM 在内的平滑肌中，薄丝与粗丝的质量可在收缩过程中增加。串联作用的丝数量加倍会使速度加倍，并联作用的丝数量加倍会使张力加倍（Ratz 等 1989；Ford 2005）（图 4.4 右面板）。仓鼠颊袋中肌源性张力较高的小动脉较肌源性张力较低者具有更高的 V₀；用去甲肾上腺素刺激时 V₀ 也增加（Davis 和 Davidson 2002）。自发性高血压大鼠（SHRs）尾动脉的缩短速度也较正常血压的 Wistar Kyoto（WKY）大鼠高（Packer 和 Stephens 1985）。
本章个人批注
本章是全书的转折点——前三章分别讲血管架构、平滑肌超微结构、内皮，本章第一次从"结构"过渡到"功能"层面，把 VSM 的电生理（静息膜电位、动作电位、慢波）与力学（长度-张力、力-速度）作为两个独立又相互渗透的轴展开。给我印象最深的有三处：
第一，ECl 的"非被动性"。一般电生理教材都会讲 Cl⁻ 在多数细胞中是被动分布的、ECl 接近 EK，但 VSM 例外——它的胞内 Cl⁻ 浓度高（28–44 mM），ECl 显著正于 EK，结果 Vm（−43 mV）介于 EK（−86 mV）与 ECl（−34 mV）之间。这意味着 VSM 的静息状态比一般细胞更"待激发"，因为打开 Cl⁻ 通道会让 Cl⁻ 外流并去极化，而不像一般细胞那样超极化。文中把这种"高胞内 Cl⁻"归因于 Cl⁻/HCO₃⁻ 交换、NKCC 共转运、泵 III——这套机制也使 Cl⁻ 通道成为血管收缩的去极化触发器之一（与 TRP 通道并列为去极化通路）。这个机制对我个人而言是新颖的：之前我以为 Cl⁻ 通道主要是"抑制性"的（让人想起 GABA_A 受体介导的 Cl⁻ 内流导致超极化），但在 VSM 中是相反的极性。这也提示药理学靶点——抑制 VSM 的 Cl⁻ 通道（如 TMEM16A 抑制剂）可能是降压的一条新途径，与 Ch13/14 的 cAMP/cGMP 信号通路互为补充。
第二，慢波与血管舒缩振荡的关系。文中说"vasomotion 对 VDCC 抑制剂与电压钳不敏感"——这意味着血管舒缩振荡与膜的慢波在虹膜微动脉中是解耦的，节律性 Ca²⁺ 释放本身（CICR + IP3/ryanodine 池）就足以驱动周期性收缩；而在大多数其他血管中，慢波驱动 Ca²⁺ 内流是同步化所必需的。同步化机制很有意思：除了平滑肌细胞间的 gap junctions，还有 MEJs（myoendothelial junctions）参与信号传递，且 MEJs 数量上比 VSMC 之间的 gap junctions 还要多——这暗示内皮不仅是"被动的衬里"，而是平滑肌节律性活动的积极参与者，与第 3 章内皮作为"器官"的角色形成呼应。图 4.2 给出"ClCa 介导去极化—VDCC 打开—CICR"与"BK 介导超极化"两套相反反馈的对比尤其清晰：慢波上升相由 ClCa 驱动、下降相由 BK 驱动，是一对天然的"振荡器"。
第三，Hill 模型在 VSM 中的局限。Hill 模型把肌肉拆为 CE + SE + PE 三个元件，在横纹肌中表现良好，但在 VSM 中要打折扣——"longer working length range and broader optimal length range"以及"acute adaptation, causing shifts in the length–tension curve along the length axis"，根源在于 VSM 没有固定的肌节、横桥处于动态组装/拆解之中。具体证据：兔颈总动脉在 67% 最适长度适应 27 分钟后主动张力从 75% 恢复到 85%，兔股动脉的适应被细胞松弛素-D（阻断肌动蛋白聚合）所阻断。这给做计算建模的人一个提醒：把 VSM 当作横纹肌那样用恒定长度-张力曲线是粗糙的近似——必须考虑肌动蛋白聚合的动力学以及可能的肌球蛋白丝的动态平衡。后者（myosin filament dynamic equilibrium，Black 2009、Milton 2011）我之前不太熟悉，留作后续在第 5、12 章（contractile proteins、MLC 磷酸化调节）中再深入。
最后，关于"研究方法"层面，本章的力学部分（4.3）给我一种"老经典"的厚重感——Hill 1938、Herlihy & Murphy 1973/1974、Roach & Burton 1957、Burton 1954，全是几十年前的奠基性工作。VSM 的力-速度曲线至今仍用 Hill 方程描述，新的工作大多在"调节机制"（细胞骨架动力学、横桥循环调节、Ca²⁺ 增敏）层面，而不在"基本关系"层面。这与第 3 章内皮通透性、囊泡运输部分"近五年才出大量工作"的节奏形成鲜明对比。一个未在文中明示、但我作为读者感受到的张力是：VSM 力学的"经典框架"（Hill 方程 + Hill 模型）已经稳定，未来 5–10 年的进展很可能集中在"力学感受-化学信号"耦合——即血管壁的机械牵张如何被 VSMC 转化为 [Ca²⁺]i 与基因表达的变化（mechano-transduction），这正是 Ch10 局部调节、Ch19 衰老的核心议题。
与上下章的衔接（一段话）
承接前三章对血管结构（Ch1）、平滑肌超微结构（Ch2）、血管内皮（Ch3）的形态学铺垫，本章首次进入 VSM 的"功能性"层面——用电学（4.2）与力学（4.3）两条线把 VSM 作为收缩单元来描述。电学部分从离子基础（K⁺、Cl⁻、Ca²⁺、TRP 通道）解释膜电位如何分级调节与慢波如何产生，力学部分从 Hill 模型与肌动/肌球蛋白动态重组解释长度-张力与力-速度为何具有高度可塑性。这两套性质既是后续章节的具体调控靶点，也是理解各种血管活性物质（Ch7 神经递质、Ch8 内皮源性因子、Ch9 局部代谢因子、Ch15–18 器官特异性血管反应性）作用机制的物理基础——Ch5 紧接着深入收缩蛋白生化，Ch6 转向代谢供能，Ch11 详细讨论胞内 Ca²⁺ 调节，Ch12 讨论肌球蛋白轻链磷酸化的具体调节机制。可以说，本章为这些后续章节铺设了"电-力-化学"耦合的物理框架。