[026] ミオシンとアクチンの相互作用 interaction of myosin and actin （GB#115B02） | 基礎医学教育研究会(KIKKEN)Lab

世界的に多くの研究者は，首振りしているという前提で，それを精密に解明するという方針で研究を続けている。　しかし大阪大学の柳田敏雄教授の画期的な実験によると，実際に見てみたら首振りしなくてもフィラメントの滑走は起きるらしい。　だから，いつか教科書の説明もまったくひっくり返ってしまうかもしれない。　それを考えるとここで首振りの説明をすることは気が重いけれど，このあとの数年で書き換わってしまうことはない雰囲気もあるから，今の教科書に沿って話をしよう。

●ミオシンは頭の部分が大事だ

筋細胞の中の筋フィラメントは，ミオシンというタンパクが重合した太いフィラメントと，アクチンというタンパクが重合した細いフィラメントの２種類がある。　重合（じゅうごう）というのはバラバラの分子が規則的な集合のしかたをして大きな塊を作ることだ。　

ひとつのミオシンは，頭部とそれに続く長い軸の部分からなっていて，太いフィラメントはひとつひとつのミオシンの頭部が外に向くように，軸の部分を束にしてまとめたものだ。　ミオシン頭部のすぐ近く，くっついたり離れたりできる距離に，主にアクチンでできた細いフィラメントが位置している。　ミオシン頭部がアクチンに結合した状態を，太いフィラメントと細いフィラメントの間の橋に見立てて，架橋（かきょう，crossbridge）と呼ぶ。

実際はこのほかに，筋収縮を起こしていない間にミオシンとアクチンの反応を邪魔しているタンパクが，アクチンを取り巻いて細いフィラメントの全体を構成している。　筋収縮が起きるときには，この邪魔をしているトロポニン（troponin）とトロポミオシン（tropomyosin）というタンパクが，収縮するときだけ飛んでくるカルシウムイオン（ Ca^２＋ ）の働きで変形してミオシンとアクチンの反応が進むけれど，今回は収縮のコントロールのしくみは省略して，収縮モードだけに絞る。

●ATPはミオシンとアクチンを引き離す

さて，筋収縮の直接のエネルギー源は ATP （アデノシン三リン酸）だということは生理学の基本中の基本だ。　ATP （ここでは絵がごちゃごちゃするのを避けるためにリン酸基だけを描いている） はミオシン頭部に結合する。　ミオシンはそれ自身が ATP 分解酵素（ATPase）の働きも持っていて，アクチンと結合することで ATP を分解してエネルギーを取り出し，そのエネルギーを使ってアクチンを手繰り寄せる。　この動きをパワーストローク（power stroke）と表現する。　

これが収縮のしくみの概要だけど，しろうと的には ATP がエネルギー源だと聞くと，ATP が結合することによってミオシンがアクチンと結合して，エネルギーを使うとアクチンを放すようなイメージを抱くだろう。　だけど，これが初歩的な落とし穴だ。

実はエネルギーを使い果たしたとき，ミオシンはアクチンと強く結合したままだ（the strongly bound state）。　アクチンと結合しているミオシンに ATP が結合することで，分子の構造が変わってまずミオシンがアクチンを放す。　放すと言っても完全に放すのではなくて，「弱い結合，the weakly bound state」と言われる状態に変化するらしい。　

そこで ATP がアデノシン二リン酸（ADP）とリン酸に分解されて，エネルギーが飛び出す。　このエネルギーは ADP から分かれたリン酸をミオシンに結合させる。　同時にミオシン頭部をアクチンフィラメントに沿って前進させる力にもなる。

●ミオシンの前進の力はどこから？

弱い結合のときにミオシン頭部は，位置をアクチンフィラメントに沿って「前方に」移動させる。　この時，オリジナルの首振り説では，ミオシン頭部の根本の動く軸（レバーアーム，lever arm）部分の角度が変化して頭部が前方に振り出されると説明しているように見える。　

しかしこれだとレバーアームはミオシンの主軸に固定されていなければミオシン頭部は動けないし，なにより，アクチンと弱く結合している状態だと前に振り出すことで前方に進めようとするのはシロート的に今一つしっくり理解しづらい。　ミオシン頭部が前進する力はレバーアーム部分ではなくて，アクチン分子との相互作用の部分で発生すると考えたほうがよさそうな気がする。　　実際，理化学研究所の報告では，近接するミオシン頭部とアクチンのアミノ酸配列の間で移動の力が発生して，ミオシン頭部の分子構造の角度を変化させると説明してある。　　

だから今回の動画ではミオシン頭部の先端がアクチンと反応して前進するイメージで描いている。　 くるくる回っているのは「能動的に前進する」ということを強調するための「表現」で，実際は分子は回転はしない。　小刻みに不規則な振動をしながらいつのまにか進んでいる，という感じらしい。　最近の超音波モーターみたいだ。

●アクチンフィラメントには向きがある

ところで，ミオシン頭部はアクチン線維のどちらが前方か知るのだろうか。　答えは簡単だ。　線維を作っているアクチン分子ひとつひとつに，こっちが前，こっちが後ろと書いてある。　真面目にいうと，アクチン分子に方向性があって，それが同じ向きに縦列につながっているから線維の向きもわかるのだ。　この場合，ミオシンにとってアクチン線維の前方とは，アクチン線維が筋節（sarcomere）の境界である Ｚ膜に固定されている側になる。　アクチンの方向は ＋ 端（プラス端）と － 端（マイナス端）と表現されていて，Ｚ膜に結合した側を＋端とする。　ミオシンは－端から ＋ 端に向かって前進する。

●最後のひと漕ぎがフィラメントを引っ張る

さて，ミオシン頭部が ATP のエネルギーでアクチン線維の上をいいところまで前進すると，ミオシン頭部とアクチンの関係は「強い結合状態，the strongly bound state）に変わる。　最初の ATP の分解で発生したエネルギーはちょうど使い切ってしまったところだ。　ところがミオシン頭部にはまだリン酸が高エネルギー結合したままだ。　

そこで，ミオシン頭部の移動によって，ミオシン自体のかたちが変化することで今度は，結合しているリン酸がミオシンから離れるようになり，そのときに発生するエネルギーでレバーアームをぐいっと元の状態（角度）に戻す。　そのときにフィラメント全体がぐいっと引き込まれ，筋節が１ストローク分，短くなる。　リン酸が離れていき，レバーアームが元の形にもどったらそれを合図にミオシン頭部に残っていた ADP が離れていく。　

これがミオシンとアクチンの相互作用によるフィラメントの滑り込みの１サイクルになる。　ADP が離れていくのと入れ替わりに新たな ATP がミオシン頭部に結合して，次のサイクルに入り，筋収縮する間は，このサイクルが繰り返されていく。

ATP の１分子でどれだけミオシンがアクチンを引っ張るのかは諸説あるようだけど，もともと筋線維にかかる抵抗（負荷，ふか）によって変わるものだから，専門学校レベルであれば別に気にすることはない（と思う（笑））。

●力を抜いても，ATP はあふれている

健康なら，筋肉を収縮させているときに途中で ATP が足りなくなったりしない。　もちろん，筋肉を使うとだんだん疲れてきて力が出なくなってくる。　だけど，ATP が無くなるずっと前に ”気力” が無くなってしまい，神経の指令が途絶えて，筋細胞は収縮モードから弛緩モードに入るだろう。　

筋細胞の中には ATP はいつでも必要な分は用意されている。　足りなければ細胞活動を総動員して補充される。　だから弛緩しているときもミオシンの周りには ATP がいっぱいだ。　筋肉の収縮と弛緩を決めているのは ATP のあるなしではなくて，カルシウムイオン（Ca^２＋）のあるなしで，これは別の機会に取り上げる。

もしミオシン頭部の運動の１サイクルが終わったとき，次の ATP がなくなっていたら，ミオシンとアクチンは強く結合したままで離れない。　筋細胞が死んだとき，ATP の補充は停止するので筋細胞の中で筋フィラメントは一斉に固くこわばってしまう。　これが「死後硬直」のしくみだ，とたいていの教科書には書いてある。　特に，死ぬ間際に強く収縮していた筋ほど早く ATP が枯渇するので，早く固くなるらしい。

◎動画の説明：　【注】ミオシンをレバーアームと車輪で表現しているけれど，実際は連続したひとつの分子のかたまりだ。　ATP はアデノシンを省略して，リン酸基３つだけで表している。　ATP が結合するミオシンの部分は，実際は裏側（前進する方向と反対側）なのだそうだけど，図的に表現しにくかったので，ミオシンの前面にしている。　アクチンは図では左方向がプラス端になる。

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