肌肉工作原理

肌肉工作原理

对于大多数人来说，肌肉再平常不过了，但是它们的重要性却令人难以置信，原因主要有两个：肌肉是身体用以驱动自身的“引擎”。尽管它们与汽车发动机或电动机的工作原理不同，但作用相同。它们都将能量转化为运动。

如果没有肌肉，将不能做任何事情。大脑构想的任何内容都要以肌肉运动的形式表现出来，由此可见，人体想做任何肢体动作都得有肌肉带动起来。

因为肌肉对所有动物都如此重要，所以结构极为复杂。它们能够高效地将营养物转变为运动，能够持久运作，还能够自行痊愈并通过锻炼变得更强壮。它们执行人体的一切活动，包括从走路到保持血液流动！

在本篇文章里，我们将了解人体的不同肌肉类型及其令人惊叹的工作原理。

谈到肌肉时，大部分人想到的都是可见的肌肉。例如，大多数常听见人们训练中说起的肱二头肌，肱三头肌，股四头肌等等。但实际上，所有人体内均有三种特殊类型的肌肉：

第一种是骨骼肌：即可以看到和感觉到的肌肉类型。当健身者通过锻炼增加肌肉力量时，锻炼的就是骨骼肌。骨骼肌附着在骨骼上且成对出现：一块肌肉朝一个方向移动骨头，另外一块朝相反方向移动骨头。这些肌肉通常随意志收缩，意味着想要收缩它们时，神经系统会指示它们这样做。骨骼肌可以做短暂单次收缩或长期持续收缩。相邻的各肌原纤维，明带均在一个平面上，暗带也在一个平面上，因而使肌纤维显出明暗相间的横纹。

骨骼肌细胞构成骨胳肌组织，每块骨骼肌主要由骨骼肌组织构成，外包结缔组织膜、内有神经血管分布。骨骼肌收缩受意识支配，故又称“随意肌”。收缩的特点是快而有力，但不持久。

肌肉工作原理

第二种是平滑肌：平滑肌纤维呈梭形，无横纹，细胞核位于肌纤维中央。纤维的长短不一。存在于消化系统、血管、膀胱、呼吸道。平滑肌能够长时间拉紧和维持张力。这种肌肉不随意志收缩，意味着神经系统会自动控制它们，而无需人去考虑。例如，胃和肠中的肌肉每天都在执行任务，但人们一般都不会察觉到。

目前认为它的工作原理：平滑肌纤维和横纹肌一样是以“肌丝滑动”原理进行收缩的。由于每个收缩单位是由粗肌丝（肌球蛋白）和细肌丝（肌动蛋白）组成，它们的一端借细肌丝附着于肌膜的内面，这些附着点呈螺旋形。肌丝单位大致与平滑肌长轴平行，但有一定的倾斜度。粗肌丝没M线，表面的横桥有半数沿着相反方向摆动，所以当肌纤维收缩时，不但细肌丝沿着粗肌丝的全长滑动，而且相邻的细肌丝的滑动方向是相对的。因此平滑肌纤维收缩时，粗、细肌丝的重叠范围大, 纤维呈螺旋形扭曲而变短和增粗。

肌肉工作原理

第三种是心肌：主要分布于心脏壁，也存在于大血管的近心端。心肌纤维呈短柱状，也分支并互相吻合成网，核呈卵圆形位于肌纤维中央，可见双核并偶见多核。肌原纤维也有明带和暗带,因而也具有横纹。但心肌受内脏神经支配,心肌收缩慢、有节律而持久，不易疲劳。只存在于心脏，它最大的特征是耐力和坚固。它可以像平滑肌那样有限地伸展，也可以用像骨骼肌那样的力量来收缩，它只是一种颤搐肌肉并且不随意志收缩。

从现在开始，我们将着重介绍骨骼肌。三种肌肉类型中的基本分子过程是一样的。

骨骼肌也称为横纹肌，因为在偏振光下观察或者用指示剂染色后，骨骼肌上会有明暗交错的条纹。骨骼肌具有一套复杂的结构，对于收缩非常重要。

任何肌肉的基本动作都是收缩。例如，当您想要用肱二头肌移动手臂时，您的大脑会发送信号给指示二头肌收缩的神经细胞。肌肉产生的力量大小是不同的，肌肉可以根据发送的信号来小幅或大幅收缩。肌肉所做的就是产生收缩力。

一块肌肉就是一束称为纤维的细胞，而且细胞的数量很多。您可以把肌纤维看作是长的圆柱体。与体内的其他细胞相比，肌纤维相当大，长度约为1至40微米，直径约为10至100微米。相比而言，一根头发的直径约为100微米，而体内一般细胞的直径约为10微米。

肌纤维包含许多肌原纤维，它们是肌肉蛋白质组成的圆柱体。这些蛋白质使得肌肉细胞能够收缩。肌原纤维包含两种类型的平行于纤维长轴方向的肌丝，这些肌丝以六边形模式排列，分为粗肌丝和细肌丝。每根粗肌丝周围有六根细肌丝。

粗肌丝和细肌丝都附着在称为Z盘或Z线的另一个结构上，该结构垂直于纤维的长轴（从一个Z线到另一个Z线的肌原纤维称为肌小节）。与Z线垂直的是称为横小管或T小管的结构，它实际上是延伸至纤维深部的细胞膜的一部分。在纤维内部，沿T小管间的长轴伸展的是称为肌质网的膜系统，用来存储和释放激发肌肉收缩的钙离子。

粗肌丝和细肌丝负责完成肌肉的实际工作，而且工作方式相当有趣。粗肌丝由称为肌球蛋白的蛋白质组成。在分子层次上，粗肌丝是由排列成圆柱体的肌球蛋白分子组成的轴状物。细肌丝由另外一种称为肌动蛋白的蛋白质组成，看起来像两串彼此缠绕的珍珠。

收缩过程中，肌球蛋白粗肌丝通过形成横桥抓住肌动蛋白细肌丝。粗肌丝将细肌丝拉过来，使肌小节变短。在肌肉纤维内，指示收缩的信号在整个纤维层次上同步，使构成肌小节的所有肌原纤维同时缩短。

每个细肌丝的凹槽内都有两个能够让细肌丝沿粗肌丝滑动的结构：一个长的杆状蛋白质，称为原肌球蛋白，一个较短的珠状蛋白复合体，称为肌钙蛋白。原肌球蛋白和肌钙蛋白是收缩过程中控制肌动蛋白和肌球蛋白相互作用的分子开关。收缩过程中，细肌丝滑过粗肌丝，使肌小节缩短。

虽然肌丝滑动解释了肌肉是如何缩短的，但没有解释肌肉如何产生缩短所需要的力。为了了解这一过程，想像一下您用绳索向上拉物体时的情形：

用双手抓住绳索，伸出双臂。松开一只手（如左手），同时右手继续紧抓不放。在用右手抓住绳索时，改变右臂的形状以缩短其伸出距离，并朝自己拉绳索。用伸开的左手抓住绳索，右手放开。改变左臂的形状以缩短其伸出距离，并朝自己拉绳子，同时重新把右手放在最初的伸展位置以便抓住绳索。

重复第2步到第5步，双臂交替使用，直到完成工作。肌肉通过循环形成肌球蛋白横桥来产生力。让我们借用绳索的例子来说明肌肉是如何产生力的。

肌球蛋白分子形如高尔夫球杆。在本例中，肌球蛋白杆头（以及它形成的横桥）相当于您的胳臂，而肌动蛋白肌丝相当于绳索：

收缩过程中，肌球蛋白分子与细肌丝上的肌动蛋白分子形成化学结合（抓住绳索），这个化学结合就是横桥。（着重讨论一只手臂）。

最初，横桥是伸开的（您的胳臂伸开），而腺苷二磷酸（ADP）和无机磷酸盐（Pi）附着在肌球蛋白上。

一旦形成横桥，肌球蛋白的头部弯曲（您的手臂回缩），从而产生力并使得肌动蛋白肌丝从肌球蛋白上滑过（拖动绳索）。该过程称为动力冲程。在动力冲程中，肌球蛋白释放ADP和Pi。

一旦ADP和Pi被释放，三磷酸腺苷（ATP）的分子就结合到肌球蛋白上。当ATP凝固时，肌球蛋白会释放肌动蛋白分子（放开绳索）。

肌动蛋白被释放后，ATP分子被肌球蛋白分解为ADP和Pi，来自ATP的能量重新将肌球蛋白的头部恢复到原始位置（重新伸开您的手臂）。

重复该过程。肌球蛋白分子的动作并不同步——在任何时候，都有一些肌球蛋白附着在肌动蛋白肌丝上（抓住绳索），有些产生力（拉动绳索），有些释放肌动蛋白肌丝（松开绳索）。

所有肌肉的收缩都是由电脉冲触发的，但不必理会这些电脉冲是由神经细胞传送的、内部产生的（如用起搏器）还是外部施加的（如用电击刺激）。电信号引发一系列活动，在肌球蛋白和肌动蛋白之间形成横桥循环，从而产生力。骨骼肌、平滑肌和心肌中的类似活动会稍有不同。

肌肉工作原理

首先来看骨骼肌中的活动。

我们来了解从刺激到收缩再到松弛的过程中骨骼肌内发生了什么：

电信号（动作电位）在传递过程中经过神经细胞时，会引起该细胞在自身和肌肉细胞之间的小间隙中释放化学信息（神经传递素），该间隙称为突触。

神经传递素跨过突触，结合至肌肉细胞膜上的蛋白质（受体），且在肌肉细胞中引起动作电位。

动作电位快速沿肌肉细胞传播，并通过T小管进入细胞。动作电位打开肌肉钙离子库中（肌质网）的通路。钙离子流入细胞质，即肌动蛋白和肌球蛋白肌丝所在的位置。

钙离子会与位于肌动蛋白肌丝的凹槽内的肌钙蛋白-原肌球蛋白分子相结合。通常情况下，杆状原肌球蛋白分子覆盖着肌动蛋白上肌球蛋白可以形成横桥的位置。

一旦与钙离子结合，肌钙蛋白就改变形状并使原肌球蛋白滑出凹槽，露出肌动蛋白与肌球蛋白的结合位置。

肌球蛋白通过重复形成横桥而与肌动蛋白相互作用（如前所述）。肌肉因此产生力量并收缩。在动作电位过后，钙离子库通路关闭，而位于肌质网上的钙泵从细胞质中吸走钙离子。

当钙被吸回到肌质网中时，钙离子离开肌钙蛋白。肌钙蛋白恢复正常形状，而且使原肌球蛋白能够覆盖在肌动蛋白肌丝上肌动蛋白与肌球蛋白结合的位置。

肌肉工作原理

现在因为没有结合位置可用，不能形成横桥，因此肌肉松弛。