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個々の筋線維の収縮につながる一連のイベントは、信号（神経伝達物質）から始まります。 その繊維を支配している運動神経細胞から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、ATPが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利用できる限り、筋線維は解剖学的限界まで短縮しつづける（

Fig. 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、収縮の引き金となる。 筋繊維はCa++イオンがトロポニンに結合するために筋小胞体に留まり、ATPが利用できる限り短縮し続ける。

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鎖される。 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。 また、筋肉はATPが枯渇して疲労すると収縮を停止する（図2）。 筋繊維の弛緩。 Ca++イオンがSRに送り返され、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。 また、筋肉はATPが不足して疲労すると収縮を停止することがある。

筋繊維の短縮の分子事象は繊維のサルコメア内で起こります（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によって短縮することによって起こる。

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集した外観を呈している。 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ながら収縮します。 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、スライディングが起こることができる。 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する。 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、アクチンおよびミオシンミクロフィラメント間のクロスブリッジ形成を可能にする必要がある。 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上の結合部位から滑り落ち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っ張り、外れ、再び結合し、さらに結合部位に取り付け、引っ張って外れ、再び結合する、などの動作を繰り返さなければならない。 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あり、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。

図4. 骨格筋の収縮。 (a）カルシウムがトロポニンに結合すると、アクチンの活性部位が露出する。 (b）ミオシン頭部がアクチンに引き寄せられ、ミオシンがアクチン結合部位でアクチンを結合し、クロスブリッジが形成される。 (c）パワーストロークの間、前の収縮サイクルで生成されたリン酸が放出される。 その結果、ミオシン頭部はサルコメアの中心に向かって回転し、結合していたADPとリン酸基が放出される。 (d) 新たなATP分子がミオシンヘッドに付着し、クロスブリッジが切り離される。 (e) ミオシン頭部がATPを加水分解してADPとリン酸になり、ミオシンがコックした位置に戻る。

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状態でミオシン頭部がアクチンに付着したときに起こる（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）。

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の配置にある。 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の位置にある。 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続け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、骨格筋が働き続けるためになぜこれほど多くのエネルギー（ATP）を必要とするかが理解できる。 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。 それ以上の ATP 生産ができないため、ミオシン頭部がアクチン結合部位から離れるための ATP がなく、クロスブリッジがその場にとどまり、骨格筋の硬直を引き起こしているのです。 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。 安静時の筋肉では、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、いくつかのATPが蓄えられている。 収縮が始まると、それは数秒で使い果たされる。 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源として解糖に移行します。 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を生成することができません。 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、好気性呼吸に利用されるか、乳酸に変換されるかである。 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中に起こります。

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原因となるためである。

有酸素呼吸は、酸素（O2）の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。 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。 また、有酸素運動は循環器系の効率を高めるので、より長い時間、筋肉に酸素を供給することができる。 細胞の呼吸 有酸素呼吸は、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る。

筋肉疲労は、神経系からの信号に反応して筋肉がもはや収縮できなくなったときに起こる。 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。 長時間の持続的な運動は、SRとサルコレマに損傷を与え、Ca++の調節に障害をもたらす可能性がある。

激しい筋活動により、酸素負債が発生する。 酸素は、ATPと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、肝臓で乳酸をグルコースまたはグリコーゲンに変換するために必要です。 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、まず運動ニューロンが、シナプスにAChという化学シグナルを放出するのを止めるところから始まります。 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生産量が増加し、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。 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。

セルフチェック問題

以下のクイズで、筋線維の収縮と緩和について理解しているかチェックしてください：

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