Anatomy and Physiology I

個々の筋線維の収縮をもたらす一連のイベントは、信号（神経伝達物質）で始まる。 その繊維を神経支配している運動ニューロンからAChが放出されます。 正電荷のナトリウムイオン（Na+）が侵入すると、繊維の局所膜は脱分極し、活動電位を引き起こし、T字管を含む膜の残りの部分が脱分極するように広がります。 これが引き金となり、筋小胞体（SR）に貯蔵されていたカルシウムイオン（Ca++）が放出されます。 このCa++が収縮を開始し、収縮はATPによって維持される（図1）。 Ca++イオンが筋小胞体に残ってトロポニンと結合し、アクチン結合部位を「遮蔽しない」状態を保ち、クロスブリッジの循環とミオシンによるアクチン鎖の牽引にATPが利用できる限り、筋線維は解剖学的限界まで短縮され続けるのである。

図1. 筋繊維の収縮。 アクチンとミオシン頭部との間にクロスブリッジが形成され、収縮が始まる。

筋収縮は通常、運動ニューロンからの信号が終了すると停止し、サルコレマとT管が再分極し、SRの電位依存性カルシウムチャネルが閉じられる。 そして、Ca++イオンが再びSRに送り込まれ、トロポミオシンがアクチン鎖の結合部位を再シールド（再カバー）する。

図2. 筋繊維の弛緩 Ca++イオンがSRに送り戻され、トロポミオシンがアクチン鎖の結合部位を再シールドする。

筋繊維の短縮の分子事象は、繊維のサルコメア内で起こる（図3参照）。 筋繊維の収縮は、筋原線維内に直線的に配置されたサルコメアが、ミオシン頭部がアクチンフィラメントを引っ張ることで短縮することで起こる。

太いフィラメントと細いフィラメントが重なる領域は、フィラメント間のスペースが少ないため密な外観となる。 この細いフィラメントと太いフィラメントが重なり合う領域は、フィラメントの運動が始まる部位であり、筋収縮にとって非常に重要である。 細いフィラメントは両端がZディスクに固定されているが、中央部には完全に伸びておらず、M線と呼ばれる場所で基部が固定された太いフィラメントだけが存在している。

収縮のスライディングフィラメントモデル

運動ニューロンからの信号により、骨格筋線維は、細いフィラメントが引っ張られ、線維のサルコメア内の太いフィラメントの上を滑り、収縮する。 この過程は、筋収縮のスライディングフィラメントモデルとして知られている（図3）。 アクチンフィラメント上のミオシン結合部位が、筋小胞体へのCa++の侵入から始まる一連のステップによって露出されたときにのみ、滑走が可能になる。 上段は伸展したフィラメント、下段は圧縮したフィラメントを示している。

図3. 筋収縮のスライディングフィラメントモデル。 サルコメアが収縮すると、Z線が接近し、Iバンドが小さくなる。 Aバンドは同じ幅のままである。

トロポミオシンはアクチンフィラメントの鎖に巻き付き、ミオシン結合部位を覆ってアクチンがミオシンに結合するのを防ぐタンパク質である。 トロポミオシンはトロポニンと結合し、トロポニン-トロポミオシン複合体を形成している。 トロポニン・トロポミオシン複合体は、ミオシンの頭部がアクチン微小筋の活性部位に結合するのを防ぐ。 トロポニンはまた、カルシウムイオンとの結合部位を持っている。

筋収縮を開始するには、トロポミオシンがアクチンフィラメント上のミオシン結合部位を露出させて、アクチンとミオシンミクロフィラメントの間でクロスブリッジを形成させる必要がある。 筋収縮の最初のステップは、Ca++がトロポニンに結合し、トロポミオシンがアクチン鎖の結合部位から離れるようにすることである。 これにより、ミオシン頭部が露出した結合部位に結合し、クロスブリッジを形成することができる。 そして、細いフィラメントはミオシンヘッドに引っ張られ、太いフィラメントを越えてサルコメアの中心に向かってスライドする。

ATP と筋収縮

筋収縮中に細いフィラメントが太いフィラメントを越えて滑り続けるには、ミオシン頭部が結合部位でアクチンを引き、離れ、再び結合し、さらに結合部位に取り付け、引き、離れ、再び結合する、などの動作をしなければならない。 この繰り返し運動がクロスブリッジ・サイクルと呼ばれるものである。 このミオシン頭部の運動は、個人がボートを漕ぐときのオールに似ている。 オールのパドル（ミオシン頭部）が引っ張られ、水から持ち上げられ（剥離）、再び位置が変わり（再コッキング）、再び水に浸かって引っ張られる（図4）。 各サイクルにはエネルギーが必要で、サルコメアのミオシン頭部が細いフィラメントを繰り返し引っ張る作用にもエネルギーが必要で、これはATPによって供給される。

クロスブリッジの形成は、アデノシン二リン酸（ADP）と無機リン酸（Pi）がまだミオシンに結合したままミオシン頭部がアクチンに付着することにより生じる（図4a,b）。 その後、Piが放出され、ミオシンはより強くアクチンに付着するようになり、ミオシン頭部はアクチンを引きながらM線方向へ移動する。 アクチンが引っ張られると、フィラメントがM線方向に約10nm移動する。 このとき、細いフィラメントの移動が起こるため、この動きをパワーストロークと呼ぶ（図4c）。 ATPがない場合、ミオシン頭部はアクチンから離れません。

ミオシン頭部の一部はアクチン上の結合部位に付着していますが、頭部にはもう一つATPの結合部位があります。 ATPの結合により、ミオシン頭部はアクチンから剥離する（図4d）。 この後、ATPはミオシン固有のATPase活性により、ADPとPiに変換される。 ATPの加水分解時に放出されるエネルギーにより、ミオシン頭部の角度はコックした状態に変化する（図4e）。 8062>

ミオシン頭部がコックされたとき、ミオシンは高エネルギー状態にある。 このエネルギーはミオシン頭部がパワーストロークで動くときに消費され、パワーストロークの終わりには、ミオシン頭部は低エネルギー状態になる。 パワーストローク終了後、ADPは放出されるが、形成されたクロスブリッジはまだ残っており、アクチンとミオシンは結合している状態である。

約300のミオシン分子からなる太いフィラメントには、それぞれ複数のミオシン頭部があり、筋収縮中に多くのクロスブリッジが形成されては壊れることを繰り返していることに注意してください。 これを1本の筋原線維にあるすべてのサルコメア、1本の筋繊維にあるすべての筋原線維、1本の骨格筋にあるすべての筋繊維にかけると、骨格筋を働かせ続けるためになぜこれほど多くのエネルギー（ATP）が必要なのかがわかるだろう。 実は、人が死んですぐに観察される死後硬直は、このATPの消失が原因なのです。 8062>

ATP の供給源

ATP は、筋肉の収縮が行われるためのエネルギーを供給します。 クロスブリッジ・サイクルにおける直接的な役割に加え、ATPはSRにおける活性輸送Ca++ポンプのエネルギー源にもなっている。 十分な量のATPがなければ、筋収縮は起こりません。 しかし、筋肉に貯蔵されているATPの量は非常に少なく、数秒間の収縮に必要な量に過ぎない。 そのため、ATPは分解されるとすぐに再生され、持続的な収縮を可能にするために交換されなければならない。 クレアチンリン酸代謝、嫌気性解糖、発酵、好気性呼吸です。

クレアチンリン酸は、そのリン酸結合にエネルギーを蓄えることができる分子です。 安静にしている筋肉では、過剰なATPがそのエネルギーをクレアチンに移し、ADPとクレアチンリン酸を生成します。 これは、より多くのATPを素早く作り出すために使用できるエネルギー備蓄として機能します。 筋肉が収縮を始め、エネルギーを必要とすると、クレアチンリン酸はそのリン酸をADPに戻し、ATPとクレアチンを形成します。 この反応は、クレアチンキナーゼという酵素によって触媒され、非常に速く起こります。したがって、クレアチンリン酸由来のATPは、筋収縮の最初の数秒の動力源となります。 しかし、クレアチンリン酸は約15秒分のエネルギーしか供給できないため、その時点で別のエネルギー源を使用しなければならない（図5）。 筋肉の代謝。 安静時の筋肉には、ある程度のATPが蓄えられている。 収縮が始まると数秒で使い果たされる。 8062>

クレアチンリン酸によって生成されたATPが枯渇すると、筋肉はATP源として解糖に転じる。 解糖は、グルコース（糖）を分解してATPを生成する嫌気性（非酸素依存性）プロセスですが、解糖はクレアチンリン酸ほど速くATPを生成することはできません。 したがって、解糖に切り替えると、筋肉に利用できるATPの速度が遅くなる。 解糖に使用される糖は、血中グルコースから供給される場合と、筋肉に貯蔵されているグリコーゲンを代謝する場合がある。 グルコース1分子の分解により、ATP2分子とピルビン酸2分子が生成され、好気性呼吸に利用されるか、酸素濃度が低いときには乳酸に変換される（図6）。

Figure 6. 解糖と好気性呼吸。 グルコース1分子につき、2つのATPと2分子のピルビン酸が生成され、好気呼吸で使われるか、乳酸に変換される。 酸素が利用できない場合、ピルビン酸は乳酸に変換され、筋肉疲労の一因となることがあります。 これは、大量のエネルギーが必要なのに酸素が十分に筋肉に供給されない激しい運動時に起こります。

酸素が利用できる場合、ピルビン酸は好気性呼吸で使用されます。 しかし、酸素が利用できない場合、ピルビン酸は乳酸に変換され、筋肉疲労の一因となることがあります。 この変換により、解糖の継続に必要なNADHからNAD+という酵素の再利用が可能になる。 これは、大量のエネルギーが必要であるにもかかわらず、酸素が十分に筋肉に供給されない激しい運動時に発生する。 解糖自体はあまり長い時間（約1分間の筋活動）持続できないが、短時間の高強度出力を容易にするのに有効である。 これは、解糖がグルコースをあまり効率的に利用せず、グルコース1分子あたり2ATPの純増となり、乳酸という最終生成物が蓄積されると筋肉疲労の一因となるためである。

有酸素呼吸は、酸素（O2）存在下でグルコースまたは他の栄養素を分解して、二酸化炭素、水およびATPを生成するものである。 安静時または適度に活動する筋肉に必要なATPの約95%は、ミトコンドリアで行われる好気性呼吸によって供給されます。 好気性呼吸の原料は、血液中を循環するグルコース、ピルビン酸、脂肪酸などです。 好気性呼吸は嫌気性解糖よりもはるかに効率がよく、グルコース1分子あたり約36ATPを生産するのに対し、解糖では4ATPである。 しかし、好気性呼吸は骨格筋に安定した酸素が供給されないと維持できないため、速度がかなり遅い（図7）。 それを補うために、筋肉はミオグロビンというタンパク質に少量の余剰酸素を蓄え、より効率的な筋収縮と疲労軽減を可能にしている。 8062>

図7. 細胞呼吸の様子 有酸素呼吸とは、酸素（O2）の存在下でグルコースを分解し、二酸化炭素、水、ATPを生成することである。 安静時または適度に活動する筋肉に必要なATPの約95％は、ミトコンドリアで行われる好気性呼吸によって供給される。

筋肉疲労は、神経系からの信号に反応して筋肉が収縮しなくなったときに発生する。 筋肉疲労の正確な原因は完全にはわかっていないが、疲労時に起こる筋肉収縮の低下には、ある種の要因が相関している。 正常な筋収縮にはATPが必要であり、ATPの貯蔵量が減少すると、筋機能が低下する可能性がある。 これは、持続的で低強度の努力よりも、短時 間の激しい筋出力において、より顕著な要因と なる可能性がある。 乳酸の蓄積は、細胞内pHを低下させ、酵素やタンパク質の活性に影響を与える可能性があります。 膜の脱分極によりNa+とK+の濃度が不均衡になると、SRからのCa++の流出が阻害される可能性がある。 8062>

激しい筋活動により、酸素負債が生じます。これは、筋収縮中に酸素なしで生成されたATPを補うために必要な酸素量のことです。 酸素は、ATPおよびクレアチンリン酸レベルの回復、乳酸のピルビン酸への変換、および肝臓での、乳酸のグルコースまたはグリコーゲンへの変換に必要である。 運動中に使用される他のシステムも酸素を必要とし、これらすべてのプロセスが組み合わさって、運動後に起こる呼吸数の増加につながるのです。

骨格筋の弛緩

骨格筋線維、ひいては骨格筋の弛緩は、運動ニューロンが、シナプスのNMJに化学信号であるAChを放出するのを止めるところから始まる。 筋繊維は再分極し、Ca++が放出されていたSRのゲートが閉じられる。 ATP駆動ポンプは、筋小胞体からCa++をSRに戻すように移動させます。 この結果、細いフィラメント上のアクチン結合部位が「再シールド」される。

筋力

ある筋肉の骨格筋線維の数は遺伝的に決まっており、変化することはない。 筋力は、各繊維内の筋原線維とサルコメアの量に直接関係している。 ホルモンやストレス（および人工的な同化ステロイド）などの要因が筋肉に作用すると、筋繊維内のサルコメアと筋原繊維の産生が増加し、肥大と呼ばれる変化が起こり、骨格筋の質量と嵩が増加することになります。 同様に、骨格筋の使用が減少すると、サルコメアと筋原線維の数が減少する（筋繊維の数は減少しない）萎縮が起こる。