プリンキピア

第38章筋骨格系

Regulatory Proteins調節タンパク質

When a muscle is in a resting state, actin and myosin are separated. To keep actin from binding to the active site on myosin, regulatory proteins block the molecular binding sites. Tropomyosin blocks myosin binding sites on actin molecules, preventing cross-bridge formation and preventing contraction in a muscle without nervous input. Troponin binds to tropomyosin and helps to position it on the actin molecule; it also binds calcium ions.
筋が静止状態にあるとき、アクチンとミオシンは離れている。アクチンがミオシン上の活性部位へ結合するのを防ぐため、調節タンパク質が分子の結合部位をふさぐ。トロポミオシンは、アクチン分子上のミオシン結合部位をふさぐことで、クロスブリッジの形成を防ぎ、神経からの入力がない筋での収縮を防ぐ。トロポニンはトロポミオシンに結合し、それをアクチン分子上に配置するのを助ける。また、カルシウムイオンにも結合する。
To enable a muscle contraction, tropomyosin must change conformation, uncovering the myosin-binding site on an actin molecule and allowing cross-bridge formation. This can only happen in the presence of calcium, which is kept at extremely low concentrations in the sarcoplasm. If present, calcium ions bind to troponin, causing conformational changes in troponin that allow tropomyosin to move away from the myosin binding sites on actin. Once the tropomyosin is removed, a cross-bridge can form between actin and myosin, triggering contraction. Cross-bridge cycling continues until either Ca2+ ions or ATP are no longer available and tropomyosin again covers the binding sites on actin.
英語のヒント
筋収縮を可能にするには、トロポミオシンが立体構造を変え、アクチン分子上のミオシン結合部位を露出させ、クロスブリッジを形成できるようにしなければならない。これが起こるのは、筋形質中では極めて低い濃度に保たれているカルシウムが存在する場合だけである。カルシウムイオンが存在すると、トロポニンに結合して、その立体構造を変える。その変化によって、トロポミオシンがアクチン上のミオシン結合部位から離れられるようになる。トロポミオシンが取り除かれると、アクチンとミオシンの間にクロスブリッジが形成され、収縮が始まる。クロスブリッジのサイクルは、Ca2+イオンまたはATPのどちらかが利用できなくなり、トロポミオシンが再びアクチン上の結合部位を覆うまで続く。

Excitation–Contraction Coupling興奮収縮連関

Excitation–contraction coupling is the link (transduction) between the action potential generated in the sarcolemma and the start of a muscle contraction. The trigger for calcium release from the sarcoplasmic reticulum into the sarcoplasm is a neural signal. Each skeletal muscle fiber is controlled by a motor neuron, which conducts signals from the brain or spinal cord to the muscle. The area of the sarcolemma on the muscle fiber that interacts with the neuron is called the motor end plate. The end of the neuron’s axon is called the synaptic terminal, and it does not actually contact the motor end plate. A small space called the synaptic cleft separates the synaptic terminal from the motor end plate. Electrical signals travel along the neuron’s axon, which branches through the muscle and connects to individual muscle fibers at a neuromuscular junction.
英語のヒント
興奮収縮連関は、筋鞘で生じる活動電位と、筋収縮の開始を結びつける信号変換である。筋小胞体から筋形質へカルシウムが放出されるきっかけは、神経の信号である。各骨格筋線維は、脳や脊髄から筋へ信号を伝える運動ニューロンに制御される。筋線維の筋鞘のうち、ニューロンと相互作用する領域を運動終板という。ニューロンの軸索の末端をシナプス終末といい、実際には運動終板と直接接触していない。シナプス間隙という小さな隙間が、シナプス終末と運動終板を隔てている。電気信号はニューロンの軸索に沿って伝わる。軸索は筋の中で枝分かれし、神経筋接合部で個々の筋線維につながっている。
The ability of cells to communicate electrically requires that the cells expend energy to create an electrical gradient across their cell membranes. This charge gradient is carried by ions, which are differentially distributed across the membrane. Each ion exerts an electrical influence and a concentration influence. Just as milk will eventually mix with coffee without the need to stir, ions also distribute themselves evenly, if they are permitted to do so. In this case, they are not permitted to return to an evenly mixed state.
英語のヒント
細胞が電気的に情報を伝えるためには、エネルギーを使って細胞膜の両側に電気的な勾配をつくらなければならない。この電荷の勾配を担うのは、膜の両側に異なる濃度で分布するイオンである。各イオンには、電気的な作用と濃度による作用が働く。ミルクが、かき混ぜなくてもやがてコーヒーと混ざるように、イオンも自由に動けるなら均等に分布する。しかし、この場合、イオンは均一に混ざった状態へ戻れないようになっている。
The sodium–potassium ATPase uses cellular energy to move K+ ions inside the cell and Na+ ions outside. This alone accumulates a small electrical charge, but a big concentration gradient. There is lots of K+ in the cell and lots of Na+ outside the cell. Potassium is able to leave the cell through K+ channels that are open 90% of the time, and it does. However, Na+ channels are rarely open, so Na+ remains outside the cell. When K+ leaves the cell, obeying its concentration gradient, that effectively leaves a negative charge behind. So at rest, there is a large concentration gradient for Na+ to enter the cell, and there is an accumulation of negative charges left behind in the cell. This is the resting membrane potential. Potential in this context means a separation of electrical charge that is capable of doing work. It is measured in volts, just like a battery. However, the transmembrane potential is considerably smaller (0.07 V); therefore, the small value is expressed as millivolts (mV) or 70 mV. Because the inside of a cell is negative compared with the outside, a minus sign signifies the excess of negative charges inside the cell, −70 mV.
英語のヒント
ナトリウム・カリウムATPアーゼは、細胞のエネルギーを使って、K+イオンを細胞内へ、Na+イオンを細胞外へ移動させる。これだけで蓄積する電荷は小さいが、大きな濃度勾配が生じる。細胞内にはK+が多く、細胞外にはNa+が多い。カリウムは、時間の90%で開いているK+チャネルを通って細胞外へ出ることができ、実際に出ていく。しかし、Na+チャネルが開くことはまれなので、Na+は細胞外にとどまる。K+が濃度勾配に従って細胞外へ出ると、その結果として、細胞内には負の電荷が残る。したがって静止時には、Na+が細胞内へ入る方向の大きな濃度勾配があり、細胞内には負の電荷が蓄積している。これが静止膜電位である。ここでいう電位は、仕事をする能力をもつ電荷の分離を意味する。電池と同じように、単位はボルトである。ただし、膜を隔てた電位差はかなり小さく(0.07V)、ミリボルト(mV)を使って70mVと表す。細胞内は外側に対して負であるため、内部に負の電荷が過剰にあることを負号で示し、−70mVとする。
If an event changes the permeability of the membrane to Na+ ions, they will enter the cell. That will change the voltage. This is an electrical event, called an action potential, that can be used as a cellular signal. Communication occurs between nerves and muscles through neurotransmitters. Neuron action potentials cause the release of neurotransmitters from the synaptic terminal into the synaptic cleft, where they can then diffuse across the synaptic cleft and bind to a receptor molecule on the motor end plate. The motor end plate possesses junctional folds—folds in the sarcolemma that create a large surface area for the neurotransmitter to bind to receptors. The receptors are actually sodium channels that open to allow the passage of Na+ into the cell when they receive a neurotransmitter signal.
英語のヒント
何らかの出来事によって膜のNa+イオンに対する透過性が変わると、イオンは細胞内へ入り、電圧が変化する。これは活動電位という電気的な現象で、細胞の信号として利用できる。神経と筋の間の情報伝達は、神経伝達物質を介して行われる。ニューロンの活動電位によって、シナプス終末からシナプス間隙へ神経伝達物質が放出される。神経伝達物質は間隙を拡散して渡り、運動終板上の受容体分子に結合できる。運動終板には、接合ひだという筋鞘のひだがあり、神経伝達物質が受容体へ結合するための大きな表面積をつくる。この受容体は、実際にはナトリウムチャネルである。神経伝達物質の信号を受けると開き、Na+が細胞内へ通るようになる。
Acetylcholine (ACh) is a neurotransmitter released by motor neurons that binds to receptors in the motor end plate. Neurotransmitter release occurs when an action potential travels down the motor neuron’s axon, resulting in altered permeability of the synaptic terminal membrane and an influx of calcium. The Ca2+ ions allow synaptic vesicles to move to and bind with the presynaptic membrane (on the neuron), and release neurotransmitter from the vesicles into the synaptic cleft. Once released by the synaptic terminal, ACh diffuses across the synaptic cleft to the motor end plate, where it binds with ACh receptors. As a neurotransmitter binds, these ion channels open, and Na+ ions cross the membrane into the muscle cell. This reduces the voltage difference between the inside and outside of the cell, which is called depolarization. As ACh binds at the motor end plate, this depolarization is called an end-plate potential. The depolarization then spreads along the sarcolemma, creating an action potential as sodium channels adjacent to the initial depolarization site sense the change in voltage and open. The action potential moves across the entire cell, creating a wave of depolarization.
英語のヒント
アセチルコリン(ACh)は、運動ニューロンから放出され、運動終板の受容体に結合する神経伝達物質である。活動電位が運動ニューロンの軸索を伝わると、シナプス終末の膜の透過性が変わり、カルシウムが流入して、神経伝達物質の放出が起こる。Ca2+イオンによって、シナプス小胞は移動してニューロン側のシナプス前膜に結合し、小胞内の神経伝達物質をシナプス間隙へ放出できるようになる。シナプス終末から放出されたAChは、シナプス間隙を拡散して運動終板へ達し、ACh受容体に結合する。神経伝達物質が結合すると、これらのイオンチャネルが開き、Na+イオンが膜を横切って筋細胞へ入る。その結果、細胞内外の電圧差が小さくなる。これを脱分極という。運動終板でAChが結合したときの脱分極を、終板電位と呼ぶ。続いて、最初に脱分極した部位の隣にあるナトリウムチャネルが電圧の変化を感知して開き、脱分極は筋鞘に沿って広がって活動電位を生じる。活動電位は細胞全体へ移動し、脱分極の波をつくる。
ACh is broken down by the enzyme acetylcholinesterase (AChE) into acetyl and choline. AChE resides in the synaptic cleft, breaking down ACh so that it does not remain bound to ACh receptors, which would cause unwanted extended muscle contraction (Figure 38.38).
英語のヒント
AChは、アセチルコリンエステラーゼ(AChE)という酵素によって、アセチルとコリンに分解される。AChEはシナプス間隙に存在し、AChが受容体に結合し続けないように分解する。結合が続くと、望ましくない長時間の筋収縮を引き起こすからである(図38.38)。
After depolarization, the membrane returns to its resting state. This is called repolarization, during which voltage-gated sodium channels close. Potassium channels continue at 90% conductance. Because the plasma membrane sodium–potassium ATPase always transports ions, the resting state (negatively charged inside relative to the outside) is restored. The period immediately following the transmission of an impulse in a nerve or muscle, in which a neuron or muscle cell regains its ability to transmit another impulse, is called the refractory period. During the refractory period, the membrane cannot generate another action potential. The refractory period allows the voltage-sensitive ion channels to return to their resting configurations. The sodium potassium ATPase continually moves Na+ back out of the cell and K+ back into the cell, and the K+ leaks out leaving negative charge behind. Very quickly, the membrane repolarizes, so that it can again be depolarized.
英語のヒント
脱分極の後、膜は静止状態へ戻る。これを再分極といい、その間に電位依存性ナトリウムチャネルが閉じる。カリウムチャネルは90%の伝導性を維持する。細胞膜のナトリウム・カリウムATPアーゼが常にイオンを輸送するため、外側に対して内側が負に帯電した静止状態が回復する。神経や筋でインパルスが伝わった直後、ニューロンや筋細胞が次のインパルスを伝える能力を回復する期間を、不応期という。不応期の間、膜は次の活動電位を発生できない。この期間によって、電位に反応するイオンチャネルが静止時の配置へ戻ることができる。ナトリウム・カリウムATPアーゼは、Na+を細胞外へ、K+を細胞内へ継続的に戻す。そして、K+が外へ漏れ出し、負の電荷が残る。膜は速やかに再分極し、再び脱分極できる状態になる。