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筋肉の構造と動作原理(運動エネルギーの発生原理)解説!

今回の記事では、筋肉の構造と動作原理について解説したいと思います。以前のページで、酸素やグルコース(糖)からATPと呼ばれる体内のエネルギー通貨が生成できると解説しました。では、そのエネルギー通貨であるATPから、実際にどうやって人間は運動を行っているかを近亜紀は解説します。
簡単に言うと、ATPから化学エネルギーを奪って、運動エネルギーに変換するのが筋肉の役割なんです。では、どのように筋肉は科学エネルギーを運動エネルギーに変換しているのでしょうか。そもそも、その前に筋肉とは何なんでしょうか。考えてみると、いつもなんとなく筋肉を動かしているけど、どういう原理で動いてるのかよくわからないですよね。
そこで、今回はその筋肉の構造と動作原理、ATPから運動エネルギーに変換する原理について解説します!
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筋肉は筋繊維束の集まりなんです!

まず、上記の図のような筋肉の絵がありますが、この筋肉というのは筋繊維束というグループにわけることができます。筋肉というのは1つの物体に見えますが、実際にはこのように筋繊維束というグループに分解することができるんです。では、この筋繊維束とは何なんでしょうか。
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筋繊維束も筋源繊維の集まりなんです!

筋繊維束ですが、実はこれも下図のようにさらに分解することができるんです。筋繊維束を拡大すると、下図のように筋原繊維という1本の糸にまで分解することができます。この一本の糸を何本も組み合わせたのが、筋繊維束であり、さらにそれを複数組み合わせたのが1つの筋肉なんですね!
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筋源繊維はサルコメアという筋肉の最小単位をつなぎ合わせた糸

そして、ここからが重要なところです。筋原繊維は1本の糸になりますが、その糸は下図のように縞模様になっているんです。赤い線のように区切理が見えるんですね。この線のことをZ膜と呼びます。そして、Z膜とZ膜の間の1つ1つの区間のことを、サルコメアと呼びます。実は、このサルコメアが筋肉の最小単位なのです。そして、筋肉が収縮したり伸びたできるのもこのサルコメアという基本構造のおかげなんです。では、サルコメアが実際にどうやって、運動をおこしているのかを解説していきます!
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サルコメアはアクチンとミオシンの組み合わせで出来た組織

それでは、サルコメアが実際のどのような構造になっているかを解説したのが下図です。先の絵のように。赤い線であるZ膜で区切られた内部がサルコメアになるのですが、拡大すると下図のように、黄色線のアクチンと青線のミオシンという組織の集まりであることがわかります。この二つがいくつか重なりあってサルコメアは構成されているのです。
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体内エネルギー通貨のATPにより、筋肉(サルコメア)は収縮する

では、どのようにこのサルコメアが運動をおこすのかというと、、、、体内のエネルギー通貨であるATPがこのアクチンとミオシンに近づくと、下図のような反応がおきるのです。この反応では、まずATPがADPという化学物質に分解されます。そして、このATPに分解される過程で、下図のように大量の分解エネルギーが放出されます。
このエネルギーに反応し、アクチンとミオシンは下図のように「収縮」という反応をおこします。ATPの分解エネルギーに反応して、青線であるミオシンに黄色線のアクチンが互いに重なりあうように引き合うのです。そうすることで結果として、Z膜とZ膜の距離が狭まります。つまり、1つのサルコメアの幅が狭まるのです。このような反応が全ての筋原繊維内のサルコメアでおきると、筋原繊維/筋肉全体の長さが短くなるんです。これが、「筋肉収縮」の原理なんです。ATPからADPへの分解化学エネルギーを、サルコメア内のミオシンとアクチンの反応により、実際の運動エネルギーに変換するのです!
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伸ばす動作でも、必ず収縮している筋肉が存在する(主動筋と拮抗筋)

上記のような反応により、人間はATPエネルギーを利用して運動ができるようになっているわけです。でも、1つ疑問が生じますよね。「筋肉の収縮だけでは人間は動けないのでは?」という疑問です。そうですよね。走る中でも人間は筋肉を収縮したり、伸ばしたりして動いているんです。筋肉を収縮するだけでは、そのような複雑な動作はできないですよね。
でも、実は収縮だけでこれらの運動は全てまかなえるのです。これは下図のように主動筋と拮抗筋がペアになって動いているからです。下図では、青色の矢印のように一部の筋肉は伸びているように見えます。しかし、実はその裏側で、赤色矢印のように収縮している筋肉が存在しているのです。全ての筋肉が伸びるということはないのです。ある筋肉がエネルギーを使用して収縮することにより、別の筋肉が伸びることができるのです。これを、主動筋(運動時に主に動く筋肉)と拮抗筋(主動筋の裏側で、反対の動きをする筋肉)のペア関係といいます。この主動筋と拮抗筋がペアで動くことにより、人間は筋肉を伸ばしたり縮ませたりするこができるのです!
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このように、筋肉というのは体内のエネルギー通貨であるATPを運動エネルギーに変換するエネルギー変換機構なのです!そして、この反応は分解していくとサルコメア内のミオシンとアクチンという二つの繊維の反応によって起きているものなのです!
これをふまえて、次回は速筋と遅筋の違いについて説明していきます!これからも詳しく、わかりやすく運動の原理や運動エネルギーの原理を解説していきます!


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