Cellular

筋ミオサイトは、収縮という特殊な機能のために分化した細胞である。 心筋細胞、骨格筋細胞、平滑筋細胞は多くの機能を共有しているが、その特徴、解剖学的構造、収縮機構はすべて同じではない。

骨格筋筋細胞

骨格筋筋芽細胞（前駆筋細胞）は分化して融合し、筋原線維という多核筋線維になり、ユニットとしてふるまえる。 この筋原線維は、太いフィラメントと細いフィラメント（筋原線維）が重なり合い、サルコメアとして縦方向に配列している。 したがって、骨格筋繊維の短縮や収縮は、サルコメアの短縮の結果である。 太いフィラメントは、ミオシンというタンパク質ポリペプチドで構成されている。 各ミオシン分子には2つの球状頭部があり、これが細いフィラメントを結合することで収縮に関与する。 細いフィラメントには、アクチン（ミオシン頭部と結合する部位がある）、トロポミオシン、トロポニン（トロポニンT、トロポニンI、トロポニンCの3つのサブユニットがある）などがある。

骨格筋細胞はまた、筋細胞形質膜の延長であるT字管と呼ばれる構造を含んでいる。 T字管は細胞外に開口しており、脱分極電位を細胞内へ運び、協調的な収縮を可能にする機能を持つ。 また、T字管にはジヒドロピリジン受容体があり、筋細胞の興奮後の収縮に不可欠である。 筋小胞体は骨格筋の筋細胞における基本的な構造である。 筋小胞体は、筋細胞内のカルシウム（Ca2+）の貯蔵と調節の場である。 小胞体には、T細管と機械的に結合する末端システナと、Ca2+を放出するチャネルである電位感受性リアノジン受容体があります。 また、SRにはCa2+ -ATPaseチャネルがあり、興奮後にCa2+を細胞内空間からSRに戻すポンプ機能を有しています。

筋収縮を理解するための最も一般的なモデルは、ミオシン/アクチン相互作用の繰り返しによってサルコメアが短縮することを説明するスライディングフィラメントモデルである。 各相互作用の間、ミオシン頭部は隣接するアクチン遊離端をサルコメアの中心に近づけるように働く。

1. モーターエンドプレートの脱分極電位が骨格筋細胞の閾値を超えると、細胞は活動電位を発生する。

この脱分極電位はT管に伝わり、ジヒドロピリジン受容体に構造変化を引き起こす。

2. 機械的に結合した末端システナも構造変化を起こし、SRからのCa2+放出と細胞内Ca2+濃度の上昇を引き起こす。
3. Ca2+はトロポニンCに結合し、アクチン上でトロミオシンをミオシン結合部位から移動させて構造変化を起こさせる。
4. 最初、アデノシン三リン酸（ATP）はミオシンに結合せず、ミオシンはアクチンに結合する（ATPの永久的な不足は、ミオシンとアクチン相互作用を永久的に引き起こし、死の硬直のメカニズムである）。
5. 次にATPがミオシンに結合し、ミオシンはアクチンと解離する。
6. この結合したATPを加水分解してADPと無機リン酸を与えると、ミオシンが「コッキングポジション」に変化する。 注：ADPのみがミオシンに結合したままである。
7. ミオシン頭部は次に別の結合部位でアクチンと相互作用する。
8. ADPはミオシンから放出されて、「パワーストローク」をもたらす別の変化を引き起こす。 このとき、ミオシンはアクチンに結合しており、さらにATPがなければ結合したままである。
9. 別のATP分子がミオシンを結合する。

弛緩は、興奮性運動終末板電位の減少、活動電位の減少、筋細胞の再分極があるときに起こる。 Ca2+はCa2+ -ATPaseポンプによってSRに隔離され、細胞内の.Ca2+が減少する。 これらの筋細胞は、細胞表面にNa+/Ca2+交換体を持ち、Na+の電気化学的勾配を利用して、Na+を細胞内に、Ca2+を細胞外に交換する。 Ca2+はトロポニンCから解離し、トロポミオシンは再びアクチン上のミオシン結合部位を塞ぐ。

電子顕微鏡でサルコメアを観察する際の注意点は以下の通りである。 サルコメアはZ線間に現れ、収縮はこのZ線に近似している。 収縮するとHバンド（太いフィラメントのみ）とIバンド（細いフィラメントのみ）の両方が短くなる。 サルコメアのA帯（細いフィラメントが重なった太いフィラメントの長さ）は常に同じ長さのままである

筋収縮について注目すべき点は次の通りである。 骨格筋は、反射や不随意呼吸時の横隔膜を除いて、随意的な制御下にある。 下位運動ニューロンは脊髄からこれらの筋細胞を神経支配し、神経伝達物質であるアセチルコリン（ACh）に反応する。 AChが筋細胞上の受容体と結合すると、ナトリウム（Na+）が細胞内に入り込み、上記のような脱分極が起こる。 筋肉の張力が最大になるのは、太いフィラメントと細いフィラメントが最適に重なり合っているときである。 すなわち、すべてのミオシン頭部がアクチンと相互作用することができるのです。 筋繊維が伸びすぎると、太いフィラメントと細いフィラメントの相互作用が減少する。 さらに、筋がかなり短縮されると、大きなミオシン頭部が互いに押し合い、筋フィラメント相互作用が減少する。 最後に、筋繊維が収縮する最大速度は、筋の負荷が大きくなると低下する。

平滑筋筋細胞

骨格筋と同様に、平滑筋細胞も太線と細線のフィラメントを含んでいる。 しかし、骨格筋とは異なり、これらの筋フィラメントは縦方向のサルコメアに組織化されておらず、トロポニンも含んでいない。 サルコメアがないため、筋がないことから平滑筋と名付けられた。 平滑筋の筋細胞は融合し、3種類の筋肉を形成する。 これらの筋細胞が別々の単位として収縮するものを多単位平滑筋と呼んでいる。 これらは目の虹彩や精管に存在する。 マルチユニット平滑筋は通常、高度に神経化され、自律神経の制御下にある。 平滑筋細胞が一緒に収縮するものは、単単位平滑筋と呼ばれる。

マルチユニット平滑筋とは対照的に、シングルユニット平滑筋細胞は協調的な収縮のために高度な通信を行う。 これらの細胞はホルモンや神経伝達物質による自律的な制御と調節を受けている。 最後に、平滑筋筋細胞は血管平滑筋に分化することができる。 平滑筋の収縮機構は、上記の骨格筋の収縮機構とは異なっている。 しかし、骨格筋細胞と同様に、細胞内の増加が筋収縮に関与する重要な要因である。 平滑筋の筋細胞では、複数のメカニズムで細胞内が増加する可能性があります。 AChが細胞表面の受容体と結合して筋細胞が脱分極すると、電位依存性L型Ca2+チャネルが開口します。 ホルモンや神経伝達物質が受容体に結合することにより、筋細胞膜上のCa2+チャネルが開口する（リガンドゲート型）。 ホルモンや神経伝達物質は、イノシトール1,4,5-三リン酸（IP3）ゲートCa2+チャネルを介して筋小胞体からCa2+を放出させる。

1. Ca2+はカルモジュリンという分子に結合します。
2. Ca2+-カルモジュリン複合体は、その後ミオシン軽鎖キナーゼという酵素を活性化させます。 (
3. そして、ミオシン軽鎖キナーゼはミオシンをリン酸化（リン酸基を付加）する。
4. リン酸化したミオシンはアクチンに結合し、骨格筋で述べたクロスブリッジというサイクルで収縮を開始する。 注：骨格筋の筋収縮にATPが使われる仕組みは平滑筋でも同じです。
5. 細胞内の減少、ミオシン軽鎖ホスファターゼという酵素の活性上昇（ミオシンからリン酸を取り除く）により、緩和が起こります。

細胞内はATPaseポンプや細胞表面のNa+/Ca2+交換体によってSRに戻されることで減少します。

注：平滑筋収縮または弛緩をもたらすホルモンは、細胞内またはミオシン軽鎖ホスファターゼを調節することでそうなるのです。 例えば、一酸化窒素はミオシン軽鎖ホスファターゼ活性を高めることによって弛緩をもたらす。

心筋の筋細胞

心筋の生理は、いくつかの類似点はあるものの、骨格筋や平滑筋よりも入り組んだものである。 心筋細胞は骨格筋と同様にサルコメアを持ち、そのため筋状である。 心筋が短縮するメカニズムは、前述の骨格筋と同じである。 心筋細胞は、心臓が正常に機能するために不可欠な独特の構造を持っている。 細胞周辺に存在するインターカレートディスクは、心筋細胞間の接着を維持する。 インターカレートディスクに存在するギャップ結合は、細胞間の電気通信を可能にする。 隣接する細胞間の脱分極電位の急速な広がりは、生存に不可欠な協調的収縮に役立っている。 心筋細胞にもT字管は存在する。 しかし、骨格筋とは異なり、1本のT細管が1つの末端システナを結合するダイアド配列になっている。 心筋細胞には筋小胞体が存在し、Ca2+の貯蔵という機能も果たしている

心筋細胞の活動電位は独特である。 それは第4相と呼ばれる静止相からなり、カリウム（K+）が細胞外に透過することで維持されている。 第4相に続いて、電位依存性Na+チャネルの開口と細胞内へのNa+流入による急速なアップストローク/脱分極を特徴とする第0相がある。 Phase 1は、Na+チャネルの閉鎖と電位依存性K+チャネルの開口による初期再分極であり、Phase 2は、Na+チャネルの閉鎖と電位依存性K+チャネルの開口による初期再分極である。 Phase 2はプラトー期と呼ばれる。 Phase2では、Ca2+が電位依存性Ca2+チャネルから細胞内に入り、K+は細胞外に出続ける。 この内向き陽イオンと外向き陽イオンのバランスにより、プラトー期が維持される。 第3相では、Ca2+チャネルが閉じ、開いたK+チャネルから急速に流出することにより、細胞が再分極する。

心筋細胞は、SAまたはAVノード、His束、束枝またはプルキンエ細胞の心臓ペースメーカー細胞から刺激を受ける。

心筋の緊張と収縮能力は、細胞内のCa2+濃度に正比例します。 したがって、細胞内Ca2+を増加させる因子は、収縮力の増加をもたらす。 例えば、心拍数の増加に伴い、Ca2+は心筋細胞内に溜まり始め、結果として心筋収縮も強くなる。 前負荷とは、拡張末期容積（古典的には右心房圧と関係する）を表す用語である。 より多くの血液量が心室を満たすと、心筋細胞は伸展し、より強力な収縮をもたらす。 この現象はFrank-Starling関係と呼ばれ、伸展によるCa2+濃度の上昇と関係があると考えられている。 この関係は、心臓への静脈還流量と心臓からの心拍出量に一致する。 後負荷とは、心筋細胞が収縮しなければならない圧力のことである。 最大収縮速度は、後負荷が大きくなるにつれて減少する

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