肌肉收縮原理及能量來(lái)源解析

摘要：肌肉收縮是最基本的生命運(yùn)動(dòng)。三磷酸腺苷（ATP）與鈣離子為肌肉收縮提供能量和支持。太陽(yáng)能和光合作用保證了鈣離子和ATP的工作機(jī)制，而人體內(nèi)糖、脂肪、蛋白質(zhì)的分解代謝是ATP再合成的能量補(bǔ)充來(lái)源。所以，生命活動(dòng)是能量流動(dòng)和轉(zhuǎn)換的過(guò)程，它從太陽(yáng)能開始，轉(zhuǎn)化成化學(xué)能、電能，最后又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。

關(guān)鍵詞：肌肉收縮;三磷酸腺苷;鈣離子;能量轉(zhuǎn)換

運(yùn)動(dòng)是健康生活方式必可可少的一部分。運(yùn)動(dòng)是消耗能量的過(guò)程，而肌肉收縮活動(dòng)是消耗能量最多的一種運(yùn)動(dòng)形式。那么肌肉收縮活動(dòng)消耗的能量是從哪里來(lái)呢？人體不能直接利用外界的太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能等物理和化學(xué)形式的能量，只能利用機(jī)體自身產(chǎn)生的能量。這種身體活動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源叫做ATP，它就像玩具車?yán)锏碾姵匾粯?，可以隨時(shí)取用但是存量卻有限，所以需要不斷生成新的ATP對(duì)身體進(jìn)行充電。了解ATP 的合成原理及基本過(guò)程對(duì)于了解人體運(yùn)動(dòng)的能量來(lái)源、了解生命活動(dòng)與能量的關(guān)系具有一定的意義。

一、人體的骨骼肌結(jié)構(gòu)與肌肉收縮原理

人體骨骼肌是由一束束肌肉纖維組成的肌肉組織，它是保持姿勢(shì)、穩(wěn)定關(guān)節(jié)和控制內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的組織。在這些肌肉纖維束中含有單獨(dú)的肌纖維細(xì)胞，這些肌纖維細(xì)胞由更小的肌原纖維束組成。肌原纖維包含許多彼此相鄰的稱為肌節(jié)的收縮單位。在肌節(jié)內(nèi)有兩條平行的蛋白絲。一條是固定在肌節(jié)中心的粗纖維，叫肌球蛋白。另一條是固定在被稱為Z線的肌節(jié)單元外邊緣的細(xì)蛋白質(zhì)，叫肌動(dòng)蛋白絲。當(dāng)骨骼肌開始收縮時(shí)，肌動(dòng)蛋白絲沿著肌球蛋白滑動(dòng)，可以從兩側(cè)縮短肌節(jié)單元的長(zhǎng)度，達(dá)到肌肉收縮的效果。

鈣離子和三磷酸腺苷（ATP）是肌肉收縮過(guò)程中非常重要的兩個(gè)元素。

鈣離子的存在與肌肉收縮的過(guò)程有關(guān)。在肌動(dòng)蛋白絲中存在著兩種調(diào)節(jié)蛋白，即肌鈣蛋白和原肌球蛋白。在肌肉收縮之前，纖維是放松的，原肌球蛋白阻斷了肌動(dòng)蛋白絲上的結(jié)合位點(diǎn)，阻止了跨橋的形成。當(dāng)鈣離子達(dá)到一定濃度時(shí)，鈣離子會(huì)與肌鈣蛋白結(jié)合，從而取代原肌球蛋白，使肌動(dòng)蛋白絲上的跨橋結(jié)合面暴露出來(lái)。

ATP是肌肉收縮所必需的。在肌肉收縮過(guò)程開始時(shí)，結(jié)合的ATP被水解成ADP（二磷酸腺苷）和PI（無(wú)機(jī)磷酸鹽）。這確保了粗的肌球蛋白頭可以伸展。當(dāng)肌球蛋白頭伸展時(shí)，它會(huì)附著在肌動(dòng)蛋白暴露的結(jié)合位點(diǎn)上并形成一個(gè)跨橋。這時(shí)，一個(gè)稱為動(dòng)力沖程的過(guò)程被觸發(fā)，肌球蛋白收縮并將細(xì)肌動(dòng)蛋白絲拉向中間的M線。在肌肉收縮后，肌球蛋白會(huì)釋放ADP和PI分子并保持附著，直到新的ATP分子出現(xiàn)并釋放肌球蛋白絲。一旦肌球蛋白頭部釋放肌動(dòng)蛋白絲，肌球蛋白就會(huì)向前伸展，再次與肌動(dòng)蛋白結(jié)合。因此，肌節(jié)的收縮是ATP影響下結(jié)合和釋放的重復(fù)發(fā)生的循環(huán)過(guò)程。這個(gè)循環(huán)也被稱為肌球蛋白-肌動(dòng)蛋白循環(huán)。在整個(gè)過(guò)程中，ATP的分解為肌球蛋白頭部的延伸和肌球蛋白絲的收縮提供了動(dòng)力。

二、ATP的來(lái)源—能量轉(zhuǎn)換

生態(tài)系統(tǒng)中的所有能量都是由太陽(yáng)輻射提供的。太陽(yáng)能和光合作用保證了鈣離子和ATP的工作機(jī)制。

第一步，初級(jí)生產(chǎn)者從太陽(yáng)輻射中獲取能量，然后通過(guò)光合作用過(guò)程儲(chǔ)存化學(xué)能。太陽(yáng)發(fā)出的光含有光子，這些光子以一種被稱為光波的重復(fù)模式振蕩形成可見(jiàn)光。光合作用的初級(jí)生產(chǎn)者將從可見(jiàn)光中捕獲能量并通過(guò)葉綠體內(nèi)含有的類囊體進(jìn)行光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換，類囊體內(nèi)的葉綠素有助于吸收光子的能量。光子中所含的光能激發(fā)電子到一個(gè)更高的不穩(wěn)定狀態(tài)，被激發(fā)的電子形成電子傳遞鏈并創(chuàng)造一個(gè)濃度梯度來(lái)為ATP合酶提供能量。這一過(guò)程將保證還原性輔酶Ⅱ（NADPH）和ATP的產(chǎn)生，這兩種物質(zhì)被輸送到基質(zhì)中，進(jìn)一步推動(dòng)新陳代謝過(guò)程——開爾文循環(huán)的進(jìn)行。通過(guò)開爾文循環(huán)里起重要作用的一種五碳糖即1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）的碳固定、還原和再生，生成葡萄糖所需的甘油醛3-磷酸（G3P）。

第二步，細(xì)胞呼吸。在生態(tài)系統(tǒng)中，初級(jí)生產(chǎn)者將通過(guò)消耗植物在光合作用過(guò)程中產(chǎn)生的碳水化合物來(lái)獲取能量。在食物鏈中，食草動(dòng)物吃掉初級(jí)生產(chǎn)者，然后隨著碳水化合物被消化，葡萄糖順著血液流動(dòng)被分配到各個(gè)細(xì)胞中。葡萄糖經(jīng)過(guò)糖酵解過(guò)程，然后被分解。這個(gè)過(guò)程會(huì)打破化學(xué)鍵從而釋放出ATP中的化學(xué)能。

第三步：肌纖維細(xì)胞在細(xì)胞呼吸過(guò)程中釋放的ATP，可以直接為肌節(jié)的收縮提供動(dòng)力，從而引起肌肉的收縮，也可以通過(guò)為調(diào)節(jié)鈣離子釋放的神經(jīng)系統(tǒng)提供能量，間接為肌肉收縮提供動(dòng)力。

為保證肌肉活動(dòng)供能的連續(xù)性，ATP必須是邊分解邊合成，人體內(nèi)糖、脂肪、蛋白質(zhì)的分解代謝是ATP再合成的能量補(bǔ)充來(lái)源。它們通過(guò)有氧和無(wú)氧兩種代謝方式將儲(chǔ)存在分子內(nèi)部的化學(xué)能逐漸地釋放出來(lái)，并將部分能量轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存到ATP分子之中由此不斷合成新的ATP。追根溯源，糖和脂肪是肌肉收縮的能量物質(zhì)。人體通過(guò)食物不斷補(bǔ)充體內(nèi)的糖、脂肪和蛋白質(zhì)分子進(jìn)而維持體內(nèi)的能量平衡。

三、結(jié)論

綜上所述，肌肉收縮的生命活動(dòng)是由能量支持和驅(qū)動(dòng)的。光合作用過(guò)程中獲得的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存在葡萄糖中的化學(xué)能。通過(guò)細(xì)胞呼吸，葡萄糖以ATP的形式釋放化學(xué)能。然后ATP被用來(lái)直接為肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白的結(jié)合提供能量，或者通過(guò)為調(diào)節(jié)鈣離子的神經(jīng)系統(tǒng)提供能量來(lái)間接為肌肉收縮提供能量。最后，鈣離子和ATP共同支持肌肉收縮。在整個(gè)過(guò)程中，我們可以看到生命活動(dòng)中的能量流動(dòng)和轉(zhuǎn)換，以及生命系統(tǒng)層次之間的能量轉(zhuǎn)換。它從太陽(yáng)能開始，成功地轉(zhuǎn)換成化學(xué)能、電能，最后又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。

賈喆 （2004.10-），女 ，漢族 ，北京，高中，研究方向：生物與化學(xué)