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肌肉是如何工作的

由:Craig Freudenrich，Ph.D.|更新:2021年2月12日

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人体的肌肉
照片由国家医学图书馆提供

肌肉是我们大多数人认为理所当然的东西之一，但它们非常重要，有两个关键原因:

  • 肌肉是你身体用来推动自己的“引擎”。虽然他们的工作方式不同于汽车引擎或者电动马达肌肉也会做同样的事情把能量变成运动．
  • 没有肌肉，你什么也做不了。你的大脑所想象的一切都表现为肌肉运动。你唯一能做的就是表达一个想法是与你的喉、嘴和舌头的肌肉(说话)，与你的手指的肌肉(写单词或“用手说话”)或与骨骼肌(身体语言、舞蹈、跑步、建筑或打斗，等等)。

因为肌肉对任何动物都至关重要，它们非常复杂。它们能有效地将燃料转化为运动，它们是持久的，它们是自愈的，它们能够随着练习而变得更强。它们可以做任何事情，从让你走路到保持你的血液流动!

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当大多数人想到“肌肉”时，他们想到的是我们能看到的肌肉。例如，我们大多数人都知道手臂上的二头肌。但任何哺乳动物的身体里都有三种独特的肌肉:

  • 骨骼肌是我们能看到和感觉到的肌肉类型。当一个健美运动员为了增加肌肉质量而进行锻炼时，骨骼肌就是其中之一行使．骨骼肌附着在骨骼上并向内伸展双一块肌肉向一个方向移动，另一块肌肉向另一个方向移动。这些肌肉通常会收缩自愿，意味着你认为对他们的契约和你的神经系统告诉他们这样做。他们可以做一个简短的单一收缩（抽搐)或长时间持续的收缩(破伤风）.
  • 平滑肌在你的消化系统，血管，膀胱，气道和女,子宫。有平滑肌的能力拉伸和保持紧张很长一段时间。这合同不由自主这意味着你不必考虑收缩它，因为你的神经系统会自动控制它。例如，你的胃和肠道一整天都在做它们的肌肉运动，而且，在大多数情况下，你永远不知道那里发生了什么。
  • 心肌只存在于你的心中，而它的大特征是耐力和一致性．它可以像平滑肌一样以有限的方式伸展，也可以借助骨骼肌的力量收缩。这是一个抽搐只有肌肉和收缩不由自主．

在这篇文章中，我们将看看你身体中不同类型的肌肉，以及让它们工作得如此出色的惊人技术。从现在开始，我们将重点关注骨骼肌．所有三种类型的基本分子过程都是相同的。

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内容
  1. 骨骼肌基础知识
  2. 肌肉萎缩
  3. 触发和逆转收缩
  4. 心脏和平滑肌

骨骼肌基础知识

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骨骼肌横截面(200x)，显示肌肉纤维(红色)和脂肪细胞(白色)

骨骼肌也被称为横纹肌，因为当它在偏振光或者用指示剂染色，你可以看到明暗相间的条纹。

骨骼肌有一个复杂的结构，这对它如何收缩至关重要。我们将梳理出骨骼肌，从最大的结构开始，逐步到较小的结构。

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任何肌肉的基本动作是收缩．例如，当你想用二头肌移动手臂时，你的大脑会向神经细胞发出信号，告诉二头肌收缩。肌肉产生的力量大小各不相同——肌肉收缩的大小取决于神经发送的信号。任何肌肉所能做的就是产生收缩力。

肌肉是由许多细胞组成的一束纤维．你可以把肌肉纤维想象成很长气缸，并与其他细胞在你的身体里，肌肉纤维很大。它们长约1到40微米，直径10到100微米。相比之下，一根头发的直径约为100微米，而你体内一个典型的细胞直径约为10微米。

一种肌肉纤维含有许多肌原纤维这是肌肉的圆柱体蛋白质．这些蛋白质允许肌肉细胞收缩。肌原纤维含有两种类型的丝沿着纤维的长轴，这些纤维被排列在六角模式。纤维有厚有薄。每根粗丝被6根细丝包围。

厚的和薄的纤维连接到另一种叫做Z-disk或者Z-Line.，它垂直于纤维的长轴(从一条z线到另一条z线的肌原纤维称为a萨尔菲尔斯）.垂直沿着z线运行是一个名为的小管横向或者连接，这实际上是细胞膜延伸到纤维深处。在纤维内部，沿着t型管之间的长轴伸展，是一个膜系统，叫做肌浆网它储存和释放引发肌肉收缩的钙离子。

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肌肉萎缩

收缩时，细丝滑过粗丝，使肌节缩短。

这些又厚又薄的细丝做着肌肉的实际工作，它们的工作方式非常酷。粗丝是由一种叫做肌凝蛋白．在分子水平上，厚丝是排列成圆柱体的肌凝蛋白分子轴。细丝是由另一种叫做肌动蛋白．细细的丝状物看起来像两股互相缠绕的珍珠。

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在收缩过程中，厚肌凝蛋白丝通过形成抓住薄肌动蛋白丝crossbridges．厚的丝拉细丝穿过它们，使肌节变短。在肌肉纤维中，收缩信号在整个纤维中是同步的，因此构成肌节的所有肌原纤维同时缩短。

每个薄灯丝的凹槽中有两个结构，使得薄纱能够沿着厚的厚度滑动：长而且称为棒状蛋白质原肌球蛋白和较短的珠状蛋白质复合物叫做肌钙蛋白．肌钙蛋白和原肌凝蛋白是分子开关在收缩过程中控制肌动蛋白和肌球蛋白的相互作用。

虽然细丝的滑动解释了肌肉是如何收缩的，但它不能解释肌肉是如何产生力需要缩短。为了理解这种力是如何产生的，让我们考虑一下你是如何用绳子把东西拉上来的:

  1. 双手抓住绳子，伸直双臂。
  2. 用一只手松开你的抓地力，让我们说左手，并用右边保持你的抓地力。
  3. 用你的右手握住绳子，改变你的右臂的形状，缩短它的长度，把绳子拉向你。
  4. 伸出左手抓住绳子，松开右手。
  5. 改变左臂的形状缩短它并拉动绳子，将右臂恢复到原来的伸展位置，以便抓住绳索。
  6. 重复步骤2到5，交替臂，直到完成。

肌肉通过循环肌凝蛋白桥来产生力量。

为了理解肌肉是如何产生力量的，让我们应用绳子的例子。

肌凝蛋白分子高尔夫球棒成形。对于我们的例子，肌球蛋白杆头（以及横梁它的形式）是你的手臂，肌动蛋白灯丝是绳索：

  1. 在收缩过程中，肌凝蛋白分子与细丝上的肌动蛋白分子形成化学键(抓住绳子)。这个化学键是横梁．为了清晰起见，上图中只显示了一个交叉桥(聚焦在一只手臂上)。
  2. 最初，跨桥延伸（臂延伸）与腺苷二磷酸（ADP）和无机磷酸盐（P我)附着在肌凝蛋白上。
  3. 一旦形成横梁，肌球蛋白头部弯曲（你的手臂缩短），从而产生力和滑动肌动蛋白长丝通过肌球蛋白（拉绳）。这个过程称为动力冲程．在动力冲程中，肌凝蛋白释放ADP和P我．
  4. 一次是ADP和P我释放后，一个三磷酸腺苷(ATP)分子与肌凝蛋白结合。当ATP结合时，肌凝蛋白释放肌动蛋白分子(松开绳子)。
  5. 当肌动蛋白被释放时，ATP分子分裂成ADP和P我肌凝蛋白。来自ATP的能量使肌凝蛋白头部恢复到原来的位置(重新伸展你的手臂)。
  6. 这个过程重复进行。肌凝蛋白分子的动作并不是同步的——在任何给定的时刻，一些肌凝蛋白附着在肌动蛋白丝上(抓住绳子)，另一些肌凝蛋白产生力量(拉绳子)，还有一些肌凝蛋白释放肌动蛋白丝(释放绳子)。

所有肌肉的收缩都是由电脉冲无论是由内部(如起搏器)产生的神经细胞传递，还是由外部(如电休克刺激)施加。

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触发和逆转收缩

在骨骼肌中从电信号(兴奋)到收缩的耦合过程

肌肉收缩的触发器是电脉冲。电信号触发一系列事件，导致肌凝蛋白和肌动蛋白之间的交叉循环，从而产生力量。骨骼肌、平滑肌和心肌之间的一系列活动略有不同。

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让我们来看看骨骼肌里发生了什么激来收缩来放松：

  1. 电气信号（动作电位)传递到神经细胞，使其释放一种化学信息(神经递质)进入神经细胞和肌肉细胞之间的一个小间隙。这个间隙被称为突触．
  2. 神经递质穿过空隙，与一种蛋白质(受体)，并在肌细胞内引起动作电位。
  3. 动作电位沿着肌细胞迅速扩散并通过t小管进入细胞。
  4. 动作潜力在肌肉钙储存中打开盖茨（肌浆网）.
  5. 钙离子流入细胞质肌动蛋白和肌凝蛋白丝就在这里。
  6. 钙离子结合troponin-tropomyosin分子位于肌动蛋白丝的凹槽中。正常情况下，棒状原肌凝蛋白分子覆盖在肌动蛋白上肌凝蛋白可以形成交叉桥的部位。
  7. 结合钙离子，肌钙蛋白改变形状并将原肌凝蛋白滑出沟槽，暴露肌动蛋白-肌凝蛋白结合位点。
  8. 肌凝蛋白如前所述，通过循环交叉桥与肌动蛋白相互作用。肌肉因此产生力量，并缩短。
  9. 动作电位过了之后钙盖茨关闭和位于肌上网状网上的钙泵去除钙从细胞质中。
  10. 当钙离子被泵回肌浆网时，钙离子从肌钙蛋白上脱落。
  11. 肌钙蛋白恢复其正常形状，并允许原肌凝蛋白覆盖肌动蛋白丝上的肌动蛋白-肌凝蛋白结合位点。
  12. 因为现在还没有结合位点，所以不能形成交叉桥，肌肉放松一下．

如你所见，肌肉收缩是由细胞质中的钙离子水平调节的。在骨骼肌中，钙离子在肌动蛋白水平工作(actin-regulated收缩）.它们将肌钙蛋白-原肌凝蛋白复合物从结合位点上移开，使肌动蛋白和肌凝蛋白相互作用。

所有这些活动都需要能量。肌肉以ATP的形式使用能量。来自ATP的能量被用来重置肌凝蛋白跨越头部和释放肌动蛋白丝。为了使ATP，肌肉进行以下操作：

  1. 分解磷酸肌酸将磷酸加入ADP形成ATP
  2. 执行无氧呼吸葡萄糖被分解成乳酸，ATP就形成了
  3. 执行有氧呼吸在氧气的作用下，葡萄糖、糖原、脂肪和氨基酸被分解，产生ATP(见图)运动是如何工作的有关详细信息）。

肌肉有两种基本类型的纤维的混合物：快速抽搐和慢速抽搐。增大纤维能够产生更大的力量，收缩更快，有更大的无氧能力。相比之下,slow-twitch纤维慢慢发展力量，可以保持更长时间的收缩，有更高的有氧能力。培训可以通过改变肌肉纤维的大小和数量而不是纤维的类型来增加肌肉质量。一些运动员还使用性能增强药物，具体合成代谢类固醇尽管这种练习很危险，而且在大多数体育比赛中都是被禁止的。

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心脏和平滑肌

虽然大多数过程是相似的，但骨骼肌、心肌和平滑肌的活动之间有一些显著的差异。

心肌细胞有条纹的，很像骨骼肌细胞除了在心肌中，纤维是相互联系的．这肌浆网心肌细胞不如骨骼肌细胞发育得好。心肌收缩是actin-regulated，这意味着钙离子既来自肌浆网(如骨骼肌)，也来自细胞外(如平滑肌)。否则，发生在心肌收缩的一系列事件与骨骼肌的类似。

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与骨骼肌相比，平滑肌细胞很小。它们呈纺锤形，长约50至200微米，直径只有2至10微米。它们没有条纹或肌节。相反，它们有一束又细又厚的丝(与发育良好的带相反)，与肌原纤维相对应。在平滑肌细胞,中间丝它们在细胞中交错排列，就像一双“渔网”丝袜上的线。中间纤维锚定细丝，与骨骼肌的z盘相对应。与骨骼肌细胞不同，平滑肌细胞没有肌钙蛋白、原肌凝蛋白或有组织的肌浆网。

就像骨骼肌细胞，收缩在平滑肌细胞中涉及到交叉桥的形成和薄丝滑过厚丝的过程。然而，由于平滑肌不像骨骼肌那样有组织，所有方向都发生缩短．在收缩期间，平滑肌细胞的中间细丝有助于绘制细胞，如闭合抽绳钱包。

钙离子调节平滑肌的收缩，但它们的方式与骨骼肌略有不同:

  1. 钙离子来自细胞外部
  2. 钙离子与肌凝蛋白上的一种酶复合物结合，称为钙调蛋白肌球蛋白轻链激酶．
  3. 酶复合物将ATP分解为ADP并转移P我直接肌凝蛋白。
  4. 这个P我转移激活肌球蛋白。
  5. 用肌动蛋白形成杂交杂交（如骨骼肌中的发生）。
  6. 当钙被泵出细胞时，P我通过另一种酶从肌球蛋白中取出。
  7. 肌凝蛋白变得不活跃，肌肉松弛。

这个过程叫做myosin-regulated收缩．

有关肌肉和相关主题的更多信息，请查看下一页上的链接。

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最初发布时间：2001年4月11日

肌肉如何运动FAQ

人体中最强的肌肉是什么？
没有一致意见，因为判断力量的方法有很多种。一些专家认为是咬肌(用来咀嚼)，而另一些专家则认为是臀大肌(臀部)。
肌肉有哪些类型?
这三种类型的肌肉组织是心肌组织、平滑肌组织和骨骼肌或横纹肌组织。心肌只存在于心脏，而平滑肌存在于消化系统、血管、膀胱、气道和子宫。骨骼肌是一种你能看到和感觉到的肌肉。
人体有多少肌肉和骨头?
据估计，人体内有650多块骨骼肌。成年人的身体有206块骨头。
什么触发肌肉收缩？
当大脑沿着神经向肌肉发送信号时，电脉冲(兴奋)会触发肌肉收缩。
肌肉是如何运动身体的?
肌肉通过收缩和放松来移动身体。肌肉可以拉骨头，但他们不能推动它们，所以他们成对的屈肌和伸肌。快速抽搐的肌肉纤维可以更快地收缩，而缓慢抽搐的纤维可以保持收缩。

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