肌肉收缩原理及能量来源解析

摘要：肌肉收缩是最基本的生命运动。三磷酸腺苷（ATP）与钙离子为肌肉收缩提供能量和支持。太阳能和光合作用保证了钙离子和ATP的工作机制，而人体内糖、脂肪、蛋白质的分解代谢是ATP再合成的能量补充来源。所以，生命活动是能量流动和转换的过程，它从太阳能开始，转化成化学能、电能，最后又转换成机械能。

关键词：肌肉收缩;三磷酸腺苷;钙离子;能量转换

运动是健康生活方式必可可少的一部分。运动是消耗能量的过程，而肌肉收缩活动是消耗能量最多的一种运动形式。那么肌肉收缩活动消耗的能量是从哪里来呢？人体不能直接利用外界的太阳能、风能、热能等物理和化学形式的能量，只能利用机体自身产生的能量。这种身体活动的动力来源叫做ATP，它就像玩具车里的电池一样，可以随时取用但是存量却有限，所以需要不断生成新的ATP对身体进行充电。了解ATP 的合成原理及基本过程对于了解人体运动的能量来源、了解生命活动与能量的关系具有一定的意义。

一、人体的骨骼肌结构与肌肉收缩原理

人体骨骼肌是由一束束肌肉纤维组成的肌肉组织，它是保持姿势、稳定关节和控制内部运动的组织。在这些肌肉纤维束中含有单独的肌纤维细胞，这些肌纤维细胞由更小的肌原纤维束组成。肌原纤维包含许多彼此相邻的称为肌节的收缩单位。在肌节内有两条平行的蛋白丝。一条是固定在肌节中心的粗纤维，叫肌球蛋白。另一条是固定在被称为Z线的肌节单元外边缘的细蛋白质，叫肌动蛋白丝。当骨骼肌开始收缩时，肌动蛋白丝沿着肌球蛋白滑动，可以从两侧缩短肌节单元的长度，达到肌肉收缩的效果。

钙离子和三磷酸腺苷（ATP）是肌肉收缩过程中非常重要的两个元素。

钙离子的存在与肌肉收缩的过程有关。在肌动蛋白丝中存在着两种调节蛋白，即肌钙蛋白和原肌球蛋白。在肌肉收缩之前，纤维是放松的，原肌球蛋白阻断了肌动蛋白丝上的结合位点，阻止了跨桥的形成。当钙离子达到一定浓度时，钙离子会与肌钙蛋白结合，从而取代原肌球蛋白，使肌动蛋白丝上的跨桥结合面暴露出来。

ATP是肌肉收缩所必需的。在肌肉收缩过程开始时，结合的ATP被水解成ADP（二磷酸腺苷）和PI（无机磷酸盐）。这确保了粗的肌球蛋白头可以伸展。当肌球蛋白头伸展时，它会附着在肌动蛋白暴露的结合位点上并形成一个跨桥。这时，一个称为动力冲程的过程被触发，肌球蛋白收缩并将细肌动蛋白丝拉向中间的M线。在肌肉收缩后，肌球蛋白会释放ADP和PI分子并保持附着，直到新的ATP分子出现并释放肌球蛋白丝。一旦肌球蛋白头部释放肌动蛋白丝，肌球蛋白就会向前伸展，再次与肌动蛋白结合。因此，肌节的收缩是ATP影响下结合和释放的重复发生的循环过程。这个循环也被称为肌球蛋白-肌动蛋白循环。在整个过程中，ATP的分解为肌球蛋白头部的延伸和肌球蛋白丝的收缩提供了动力。

二、ATP的来源—能量转换

生态系统中的所有能量都是由太阳辐射提供的。太阳能和光合作用保证了钙离子和ATP的工作机制。

第一步，初级生产者从太阳辐射中获取能量，然后通过光合作用过程储存化学能。太阳发出的光含有光子，这些光子以一种被称为光波的重复模式振荡形成可见光。光合作用的初级生产者将从可见光中捕获能量并通过叶绿体内含有的类囊体进行光化学能量转换，类囊体内的叶绿素有助于吸收光子的能量。光子中所含的光能激发电子到一个更高的不稳定状态，被激发的电子形成电子传递链并创造一个浓度梯度来为ATP合酶提供能量。这一过程将保证还原性辅酶Ⅱ（NADPH）和ATP的产生，这两种物质被输送到基质中，进一步推动新陈代谢过程——开尔文循环的进行。通过开尔文循环里起重要作用的一种五碳糖即1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）的碳固定、还原和再生，生成葡萄糖所需的甘油醛3-磷酸（G3P）。

第二步，细胞呼吸。在生态系统中，初级生产者将通过消耗植物在光合作用过程中产生的碳水化合物来获取能量。在食物链中，食草动物吃掉初级生产者，然后随着碳水化合物被消化，葡萄糖顺着血液流动被分配到各个细胞中。葡萄糖经过糖酵解过程，然后被分解。这个过程会打破化学键从而释放出ATP中的化学能。

第三步：肌纤维细胞在细胞呼吸过程中释放的ATP，可以直接为肌节的收缩提供动力，从而引起肌肉的收缩，也可以通过为调节钙离子释放的神经系统提供能量，间接为肌肉收缩提供动力。

为保证肌肉活动供能的连续性，ATP必须是边分解边合成，人体内糖、脂肪、蛋白质的分解代谢是ATP再合成的能量补充来源。它们通过有氧和无氧两种代谢方式将储存在分子内部的化学能逐渐地释放出来，并将部分能量转移和储存到ATP分子之中由此不断合成新的ATP。追根溯源，糖和脂肪是肌肉收缩的能量物质。人体通过食物不断补充体内的糖、脂肪和蛋白质分子进而维持体内的能量平衡。

三、结论

综上所述，肌肉收缩的生命活动是由能量支持和驱动的。光合作用过程中获得的太阳能转化为储存在葡萄糖中的化学能。通过细胞呼吸，葡萄糖以ATP的形式释放化学能。然后ATP被用来直接为肌动蛋白和肌球蛋白的结合提供能量，或者通过为调节钙离子的神经系统提供能量来间接为肌肉收缩提供能量。最后，钙离子和ATP共同支持肌肉收缩。在整个过程中，我们可以看到生命活动中的能量流动和转换，以及生命系统层次之间的能量转换。它从太阳能开始，成功地轉换成化学能、电能，最后又转换成机械能。

贾喆 （2004.10-），女 ，汉族 ，北京，高中，研究方向：生物与化学