プリンキピア

第38章筋骨格系

Control of Muscle Tension筋張力の制御

Neural control initiates the formation of actin–myosin cross-bridges, leading to the sarcomere shortening involved in muscle contraction. These contractions extend from the muscle fiber through connective tissue to pull on bones, causing skeletal movement. The pull exerted by a muscle is called tension, and the amount of force created by this tension can vary. This enables the same muscles to move very light objects and very heavy objects. In individual muscle fibers, the amount of tension produced depends on the cross-sectional area of the muscle fiber and the frequency of neural stimulation.
英語のヒント
神経の制御によってアクチンとミオシンのクロスブリッジの形成が始まり、筋収縮に伴う筋節の短縮が起こる。この収縮は筋線維から結合組織を介して骨を引き、骨格の運動を生じさせる。筋が及ぼす引く力を張力という。この張力によって生じる力の大きさは変化できる。そのため、同じ筋で、とても軽い物も非常に重い物も動かすことができる。個々の筋線維が生み出す張力の大きさは、筋線維の断面積と、神経刺激の頻度によって決まる。
The number of cross-bridges formed between actin and myosin determine the amount of tension that a muscle fiber can produce. Cross-bridges can only form where thick and thin filaments overlap, allowing myosin to bind to actin. If more cross-bridges are formed, more myosin will pull on actin, and more tension will be produced.
アクチンとミオシンの間に形成されるクロスブリッジの数が、筋線維の生み出せる張力の大きさを決める。クロスブリッジが形成できるのは、太いフィラメントと細いフィラメントが重なり、ミオシンがアクチンに結合できる場所だけである。より多くのクロスブリッジが形成されると、より多くのミオシンがアクチンを引き、張力が大きくなる。
The ideal length of a sarcomere during production of maximal tension occurs when thick and thin filaments overlap to the greatest degree. If a sarcomere at rest is stretched past an ideal resting length, thick and thin filaments do not overlap to the greatest degree, and fewer cross-bridges can form. This results in fewer myosin heads pulling on actin, and less tension is produced. As a sarcomere is shortened, the zone of overlap is reduced as the thin filaments reach the H zone, which is composed of myosin tails. Because it is myosin heads that form cross-bridges, actin will not bind to myosin in this zone, reducing the tension produced by this myofiber. If the sarcomere is shortened even more, thin filaments begin to overlap with each other—reducing cross-bridge formation even further, and producing even less tension. Conversely, if the sarcomere is stretched to the point at which thick and thin filaments do not overlap at all, no cross-bridges are formed and no tension is produced. This amount of stretching does not usually occur because accessory proteins, internal sensory nerves, and connective tissue oppose extreme stretching.
英語のヒント
最大の張力を生む理想的な筋節の長さは、太いフィラメントと細いフィラメントの重なりが最大となるときの長さである。静止した筋節が理想的な静止長を超えて引き伸ばされると、両フィラメントの重なりが最大ではなくなり、形成できるクロスブリッジが減る。その結果、アクチンを引くミオシン頭部が減り、張力は小さくなる。筋節が短くなると、細いフィラメントはミオシンの尾部からなるH帯に達し、重なりの領域は減少する。クロスブリッジを形成するのはミオシン頭部なので、この領域ではアクチンはミオシンに結合せず、この筋線維が生み出す張力は小さくなる。筋節がさらに短くなると、細いフィラメントどうしが重なり始め、クロスブリッジの形成が一層減り、張力はさらに小さくなる。反対に、太いフィラメントと細いフィラメントがまったく重ならないところまで筋節が引き伸ばされると、クロスブリッジは形成されず、張力も生じない。ただし、通常はそこまで伸びない。補助タンパク質、内部の感覚神経、結合組織が、極端な伸長に抵抗するためである。
The primary variable determining force production is the number of myofibers within the muscle that receive an action potential from the neuron that controls that fiber. When using the biceps to pick up a pencil, the motor cortex of the brain only signals a few neurons of the biceps, and only a few myofibers respond. In vertebrates, each myofiber responds fully if stimulated. When picking up a piano, the motor cortex signals all of the neurons in the biceps and every myofiber participates. This is close to the maximum force the muscle can produce. As mentioned above, increasing the frequency of action potentials (the number of signals per second) can increase the force a bit more, because the tropomyosin is flooded with calcium.
英語のヒント
力の発生を決める主な変数は、筋の中で、それぞれを支配するニューロンから活動電位を受け取る筋線維の数である。上腕二頭筋を使って鉛筆を持ち上げるとき、脳の運動皮質は上腕二頭筋の少数のニューロンにしか信号を送らず、少数の筋線維だけが応答する。脊椎動物では、刺激を受けた各筋線維は最大限に応答する。ピアノを持ち上げるときには、運動皮質は上腕二頭筋のすべてのニューロンへ信号を送り、すべての筋線維が参加する。これは、その筋が生み出せる最大の力に近い。前述のように、活動電位の頻度、すなわち1秒あたりの信号数を増やすと、トロポミオシンに大量のカルシウムが供給されるため、力をもう少し増やすことができる。

Section Summaryこの節のまとめ

The body contains three types of muscle tissue: skeletal muscle, cardiac muscle, and smooth muscle. Skeleton muscle tissue is composed of sarcomeres, the functional units of muscle tissue. Muscle contraction occurs when sarcomeres shorten, as thick and thin filaments slide past each other, which is called the sliding filament model of muscle contraction. ATP provides the energy for cross-bridge formation and filament sliding. Regulatory proteins, such as troponin and tropomyosin, control cross-bridge formation. Excitation–contraction coupling transduces the electrical signal of the neuron, via acetylcholine, to an electrical signal on the muscle membrane, which initiates force production. The number of muscle fibers contracting determines how much force the whole muscle produces.
体には、骨格筋、心筋、平滑筋の3種類の筋組織がある。骨格筋組織は、その機能単位である筋節からなる。太いフィラメントと細いフィラメントが互いに滑り合い、筋節が短くなることで筋収縮が起こる。これを筋収縮の滑走フィラメントモデルという。ATPは、クロスブリッジの形成とフィラメントの滑走に必要なエネルギーを供給する。トロポニンやトロポミオシンなどの調節タンパク質は、クロスブリッジの形成を制御する。興奮収縮連関は、アセチルコリンを介して、ニューロンの電気信号を筋細胞膜の電気信号へ変換し、力の発生を開始させる。収縮する筋線維の数によって、筋全体が生み出す力の大きさが決まる。

Visual Connection Questions図を使った問題

Exercises 28–29練習問題 28–29
Exercise 28問題 28
Figure 38.37 Which of the following statements about muscle contraction is true?
図38.37 筋収縮に関する次の記述のうち、正しいものはどれか。
  1. The power stroke occurs when ATP is hydrolyzed to ADP and phosphate.
    ATPがADPとリン酸へ加水分解されるときに、パワーストロークが起こる。
  2. The power stroke occurs when ADP and phosphate dissociate from the myosin head.
    ADPとリン酸がミオシン頭部から解離するときに、パワーストロークが起こる。
  3. The power stroke occurs when ADP and phosphate dissociate from the actin active site.
    ADPとリン酸がアクチンの活性部位から解離するときに、パワーストロークが起こる。
  4. The power stroke occurs when Ca2+ binds the calcium head.
    Ca2+がカルシウム頭部に結合するときに、パワーストロークが起こる。
Solution解き方
Exercise 29問題 29
Figure 38.38 The deadly nerve gas Sarin irreversibly inhibits Acetylcholinesterase. What effect would Sarin have on muscle contraction?
図38.38 致死性の神経ガスであるサリンは、アセチルコリンエステラーゼを不可逆的に阻害する。サリンは筋収縮にどのような影響を及ぼすと考えられるか。
Solution解き方
Figure 38.38 In the presence of Sarin, acetycholine is not removed from the synapse, resulting in continuous stimulation of the muscle plasma membrane. At first, muscle activity is intense and uncontrolled, but the ion gradients dissipate, so electrical signals in the T-tubules are no longer possible. The result is paralysis, leading to death by asphyxiation.
図38.38 サリンが存在すると、アセチルコリンがシナプスから除去されず、筋細胞膜が持続的に刺激される。最初は筋活動が激しく制御不能になるが、やがてイオンの勾配が失われ、T管での電気信号が生じなくなる。その結果、麻痺が起こり、窒息死につながる。