心筋収縮

心筋収縮とは、心筋細胞の電気的興奮が機械的力に変換される過程を指します。脱分極の波が細胞内カルシウム濃度の上昇を引き起こし、カルシウムが収縮タンパク質に結合することでサルコメアが短縮します。これは興奮収縮連関として知られる分子レベルの事象であり、最終的に各心拍を生み出します。

Definition

心筋収縮とは、膜の脱分極に応答した心筋細胞サルコメアのカルシウム依存性短縮であり、心臓が力を発生させ血液を駆出するメカニズムです。

Scope

このトピックは、心筋が収縮する細胞および分子レベルの基礎、すなわち活動電位、カルシウム誘発性カルシウム放出、サルコメアにおける横橋サイクル、および発生する力の決定要因を扱います。心筋細胞およびサルコメアレベルでの収縮を扱い、心室機能および心拍出量については、心室機能および心拍出量の項目で扱われます。

Core questions

• 膜の脱分極はどのようにして細胞内カルシウム濃度の上昇につながるのでしょうか？
• カルシウム誘発性カルシウム放出とは何であり、どこで発生するのでしょうか？
• カルシウムがトロポニンに結合すると、どのようにして横橋サイクルが可能になるのでしょうか？
• 単一収縮の力と速度は何によって決定されるのでしょうか？
• 心拍と心拍の間に筋肉はどのように弛緩し、カルシウムはどのように回復するのでしょうか？

Key concepts

• 心臓活動電位
• カルシウム誘発性カルシウム放出
• 筋小胞体とリアノジン受容体
• トロポニン-トロポミオシン調節
• 横橋サイクル
• ルシトロピー（弛緩）とSERCAを介したカルシウム再取り込み

Key theories

滑りフィラメントと横橋理論

筋肉はフィラメント自体が収縮するのではなく、ミオシン頭部がカルシウムによって制御されるサイクルで横橋を形成し、引き、放すことでアクチンフィラメントとミオシンフィラメントが互いに滑り合うことによって短縮します。

カルシウム誘発性カルシウム放出

活動電位中のL型チャネルを介した少量のカルシウム流入が、リアノジン受容体を介して筋小胞体からのより大量のカルシウム放出を引き起こし、筋原線維を活性化するシグナルを増幅します。

Mechanisms

活動電位が心筋細胞を脱分極させると、細胞膜およびT細管にある電位依存性L型カルシウムチャネルが開き、トリガーとなるカルシウム電流が流入します。Bersが述べるように、このトリガーは筋小胞体上のリアノジン受容体を開き、大量のカルシウムを放出させます（カルシウム誘発性カルシウム放出）。カルシウムはトロポニンCに結合し、トロポミオシンをアクチン結合部位から移動させることで、ミオシン横橋がサイクルし、Huxleyによって提唱された滑りフィラメントの原理に従ってサルコメアが短縮します。弛緩は、SERCAによってカルシウムが筋小胞体へポンプで戻され、ナトリウム-カルシウム交換体によって細胞外へ排出されることで起こり、フィラメントが分離します。

Clinical relevance

興奮収縮連関を理解することは、収縮性がどのように増強または障害されるかを明確にし、心不全や薬理学におけるイノトロピーの概念の基礎となります。この内容は、正常な細胞メカニズムに関する教育的な記述であり、個別の診断や治療の決定の根拠となるものではありません。

Evidence & guidelines

このメカニズムの説明は、Bersによる心臓興奮収縮連関に関する権威あるレビュー、Huxleyによる収縮メカニズムに関する基礎的な研究、および標準的な生理学の教科書に基づいています。これらは介入的証拠というよりも、基礎的かつレビューの出典です。

History

カルシウムが心拍に不可欠であるという認識は、シドニー・リンガーの19世紀の実験にまで遡り、滑りフィラメントと横橋の概念は、1950年代のアンドリュー・ハクスリーとヒュー・ハクスリーの研究から生まれました。カルシウム誘発性カルシウム放出の具体的なメカニズムと、それが心臓興奮収縮連関の一貫したモデルに統合されたのは、その後の数十年であり、Bersが広く引用される説明を提供しました。

Key figures

• Andrew Huxley
• Hugh Huxley
• Donald Bers
• Sidney Ringer

Seminal works

• huxley-1957
• bers-2002
• sarnoff-1955

Frequently asked questions

興奮収縮連関とは何ですか？

これは、心臓細胞の電気的活動電位とその機械的収縮を結びつける一連の過程です。脱分極がトリガーカルシウムを流入させ、それが内部貯蔵庫からさらにカルシウムを放出し、そのカルシウムが収縮タンパク質を活性化します。

なぜカルシウムは心臓収縮にとってこれほど重要なのでしょうか？

カルシウムは収縮をオンにするスイッチです。細胞内カルシウム濃度の上昇がなければ、トロポニン-トロポミオシン複合体がアクチン-ミオシン相互作用を阻害するため、筋肉は力を発生させることができません。放出されるカルシウムの量が、各心拍の強度を大きく決定します。