生理学 · 1.9
神経筋接合部と骨格筋の生理学。
Neuromuscular junction and physiology of the skeletal muscle.
🧠 神経筋接合部neuromuscular junction (NMJ) 神経筋接合部（neuromuscular junction (NMJ)）neuromuscular junction (NMJ)（神経筋接合部） から筋収縮までを「電気→化学→電気→機械」の4段変換として一本道に読む。 運動神経motor neuron 運動神経（motor neuron）motor neuron（運動神経） のAP→ACh放出→終板電位 endplate potential 終板電位（endplate potential） endplate potential（終板電位） （end-plate potential, EPP、化学→電気）→T管 T-tubule (transverse tubule) T管（T-tubule (transverse tubule)） T-tubule (transverse tubule)（T管） を伝わるAP→興奮収縮連関 excitation-contraction coupling (ECC) 興奮収縮連関（excitation-contraction coupling (ECC)） excitation-contraction coupling (ECC)（興奮収縮連関） でCa²⁺放出（電気→化学）→トロポニンC troponin C トロポニンC（troponin C） troponin C（トロポニンC） がスイッチとなりクロスブリッジ cross-bridge クロスブリッジ（cross-bridge） cross-bridge（クロスブリッジ） が回る（化学→機械）、という順序を軸に細部を埋めていく。
神経筋接合部
運動神経motor neuron 運動神経（motor neuron）motor neuron（運動神経） とその支配筋 innervated muscle 支配筋（innervated muscle） innervated muscle（支配筋） との化学シナプス chemical synapse化学シナプス（chemical synapse） chemical synapse（化学シナプス）。ACh（acetylcholine, アセチルコリン）がNMJの唯一の神経伝達物質。
⭐ NMJは「安全域safety factor安全域（safety factor）safety factor（安全域）」を持つよう設計されている。 1回の神経終末興奮で放出される伝達物質（量子、quantum）の量は、筋線維に活動電位を発生させるのに必要な最小量を大きく上回っており、正常な成体哺乳類 mammal 哺乳類（mammal） mammal（哺乳類） ではこの安全域 safety margin 安全域（safety margin） safety margin（安全域） は概ね3〜5倍とされる。ヒトを含む哺乳類 mammal 哺乳類（mammal） mammal（哺乳類） は主に後シナプスの襞構造など後シナプス側の特殊化 specialization 特殊化（specialization） specialization（特殊化） でこの安全域 safety margin 安全域（safety margin） safety margin（安全域） を確保しており、重症筋無力症などNMJ疾患ではこの安全域 safety margin 安全域（safety margin） safety margin（安全域） が低下することで伝達失敗（筋力低下）が顕在化する1。
flowchart TD
A["α<span class='jp-term jp-term-diagram' title='motor neuron'>運動神経</span>のAPが<span class='jp-term jp-term-diagram' title='axon terminal'>軸索終末</span>に到達→脱分極"]
A --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='voltage-gated calcium channel'>電位依存性Ca2+チャネル</span>開口→Ca2+流入"]
B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='synaptic vesicle'>シナプス小胞</span>の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exocytosis'>エキソサイトーシス</span>→ACh放出"]
C --> D["ACh がnAChR（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ligand-gated'>リガンド依存性</span>非特異的<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cation channel'>陽イオンチャネル</span>）に結合"]
D --> E["Na+流入・K+流出→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='endplate potential'>終板電位</span>（EPP）発生<br>Em -90mVから閾値-50mVへ"]
E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='endplate potential'>終板電位</span>が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='local current'>局所電流</span>で周囲へ拡大"]
F --> G["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='voltage-gated'>電位依存性</span>Na+チャネル活性化→AP発生"]
G --> H["APが<span class='jp-term jp-term-diagram' title='T-tubule (transverse tubule)'>T管</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sarcolemma'>サルコレンマ</span>を伝播"]
H --> I["ACh-エステラーゼがAChをコリン+酢酸に分解"]- コリンは細胞内へ再取り込み（Na⁺-コリン共輸送体 cotransporter共輸送体（cotransporter） cotransporter（共輸送体）、二次能動輸送secondary active transport二次能動輸送（secondary active transport）secondary active transport（二次能動輸送））、酢酸は拡散して除かれる。
AChの合成とリサイクル
- コリンアセチル転移酵素choline acetyltransferase コリンアセチル転移酵素（choline acetyltransferase）choline acetyltransferase（コリンアセチル転移酵素） がコリン＋アセチルCoA（acetyl-CoA）からAChを合成。
- ACh-H⁺交換輸送体 exchanger 交換輸送体（exchanger） exchanger（交換輸送体） （対向輸送antiport対向輸送（antiport）antiport（対向輸送）、二次能動輸送secondary active transport二次能動輸送（secondary active transport）secondary active transport（二次能動輸送））がH⁺を排出しつつAChを小胞内に取り込む。
- 放出後はACh-エステラーゼがコリンと酢酸に分解し、コリンはNa⁺-コリン共輸送体 cotransporter 共輸送体（cotransporter） cotransporter（共輸送体） で再取り込みされる。
NMJの薬理学的調節
| 分類 | 機構 | 例 |
|---|---|---|
| 非脱分極性筋弛緩薬non-depolarizing muscle relaxant非脱分極性筋弛緩薬（non-depolarizing muscle relaxant）non-depolarizing muscle relaxant（非脱分極性筋弛緩薬） | nAChR阻害（脱分極を起こさずに遮断） | クラーレcurareクラーレ（curare）curare（クラーレ）、ツボクラリンtubocurarineツボクラリン（tubocurarine）tubocurarine（ツボクラリン）、パンクロニウムpancuroniumパンクロニウム（pancuronium）pancuronium（パンクロニウム） |
| 重症筋無力症治療薬 | AChエステラーゼ阻害→AChの利用可能量↑ | ネオスチグミンneostigmineネオスチグミン（neostigmine）neostigmine（ネオスチグミン）。高用量では攣縮の後に麻痺 |
⚠️ 重症筋無力症は自己免疫性NMJ疾患で骨格筋の脱力を呈する。 ネオスチグミンneostigmine ネオスチグミン（neostigmine）neostigmine（ネオスチグミン） はACh分解を止めてシナプス間隙 synaptic cleft シナプス間隙（synaptic cleft） synaptic cleft（シナプス間隙） のACh濃度を保ち筋力を改善するが、過量ではコリン作動性クリーゼ cholinergic crisis コリン作動性クリーゼ（cholinergic crisis） cholinergic crisis（コリン作動性クリーゼ） （攣縮→麻痺）を招く。
骨格筋の構造
随意運動voluntary motor function (voluntary movement) 随意運動（voluntary motor function (voluntary movement)）voluntary motor function (voluntary movement)（随意運動） を担う横紋・円柱状columnar円柱状（columnar）columnar（円柱状）・多核の筋線維。3層の結合組織（外側から筋外膜 epimysium 筋外膜（epimysium） epimysium（筋外膜） →筋束 fascicle 筋束（fascicle） fascicle（筋束） を包む筋周膜 perimysium 筋周膜（perimysium） perimysium（筋周膜） →各線維を包む筋内膜 endomysium筋内膜（endomysium） endomysium（筋内膜））で構成される。
- 各筋線維は収縮装置である筋原線維myofibrils筋原線維（myofibrils）myofibrils（筋原線維）を含み、それを筋小胞体 sarcoplasmic reticulum 筋小胞体（sarcoplasmic reticulum） sarcoplasmic reticulum（筋小胞体） （SR）が取り囲みCa²⁺濃度を調節する。
- サルコレンマsarcolemma サルコレンマ（sarcolemma）sarcolemma（サルコレンマ） の陥入である横行小管T-tubule横行小管（T-tubule）T-tubule（横行小管）と、SRの終末槽 terminal cisternae 終末槽（terminal cisternae） terminal cisternae（終末槽） （SERCA高密度・Ca²⁺放出部位）が三つ組（1本のT管 T-tubule (transverse tubule) T管（T-tubule (transverse tubule)） T-tubule (transverse tubule)（T管） ＋両側2つの終末槽 terminal cisternae終末槽（terminal cisternae） terminal cisternae（終末槽））を形成する。
筋節の構造
筋原線維myofibrils 筋原線維（myofibrils）myofibrils（筋原線維） の反復単位 repeating unit 反復単位（repeating unit） repeating unit（反復単位） で、横紋を作る基本収縮単位。細いフィラメントはZ線に、太いフィラメントはM線（M-line、筋節中央）に結合する。
| フィラメント | 構成蛋白 | 役割 |
|---|---|---|
| 太いフィラメント | ミオシン（myosin、重鎖heavy chain 重鎖（heavy chain）heavy chain（重鎖） 2本＋軽鎖2対、ATPase活性を持つ2つの頭部） | アクチンと結合しクロスブリッジ cross-bridge クロスブリッジ（cross-bridge） cross-bridge（クロスブリッジ） を形成 |
| 細いフィラメント | アクチン（二重らせんdouble helix二重らせん（double helix）double helix（二重らせん） double helix） | ミオシンとの相互作用の基盤 |
| トロポミオシンtropomyosinトロポミオシン（tropomyosin）tropomyosin（トロポミオシン） | 静止時にミオシン結合部位を覆い隠す | |
| トロポニンtroponin トロポニン（troponin）troponin（トロポニン） （TnT・TnI・TnC複合体） | TnT＝トロポミオシン tropomyosin トロポミオシン（tropomyosin） tropomyosin（トロポミオシン） への結合、TnI＝アクチン-ミオシン相互作用の抑制、TnC＝Ca²⁺センサー（結合するとトロポミオシン tropomyosin トロポミオシン（tropomyosin） tropomyosin（トロポミオシン） が移動し結合部位が露出） |
興奮収縮連関
電気的刺激がSRからのCa²⁺放出を引き起こし、収縮を開始させる過程。APはごく短時間（約5ms）だが、[Ca²⁺]ICの上昇はその直後に始まりピークに達し、単収縮single twitch 単収縮（single twitch）single twitch（単収縮） を引き起こす。
flowchart TD
A["APが<span class='jp-term jp-term-diagram' title='T-tubule (transverse tubule)'>T管</span>に伝播"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='membrane depolarization'>膜脱分極</span>→DHP受容体（L型VDCC）の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='conformational change'>構造変化</span>"]
B --> C["機械的共役で<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ryanodine receptor (RyR)'>リアノジン受容体</span>活性化"]
C --> D["SRからCa2+放出→[Ca2+]IC上昇"]
D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='troponin C'>トロポニンC</span>活性化→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='tropomyosin'>トロポミオシン</span>移動"]
E --> F["ミオシン結合部位露出→筋収縮"]⭐ 骨格筋のECCはDHP受容体とRyRの「機械的（電気機械的）共役」であり、骨格筋自体はEC Ca²⁺流入に依存しない——これは平滑筋・心筋のCa²⁺誘発性Ca²⁺放出（化学的共役）と対照的な点で頻出。
Ca²⁺サイクルの排出経路
- 形質膜plasma membrane 形質膜（plasma membrane）plasma membrane（形質膜） のNa⁺/Ca²⁺交換体（Na⁺/Ca²⁺ exchanger）とCa²⁺ポンプがCa²⁺を細胞外へ排出。
- SERCAがCa²⁺をSR内へ隔離。
- SR内ではカルレティキュリン calreticulinカルレティキュリン（calreticulin） calreticulin（カルレティキュリン）、カルセクエストリンcalsequestrin カルセクエストリン（calsequestrin）calsequestrin（カルセクエストリン） などの結合蛋白 binding protein 結合蛋白（binding protein） binding protein（結合蛋白） がCa²⁺を貯蔵。
クロスブリッジサイクル
flowchart TD
A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='myosin head'>ミオシン頭部</span>がアクチンに結合（リゴール状態一歩手前）"]
A --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='power stroke'>パワーストローク</span>：アクチンをM線方向へ牽引（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='gliding'>滑走</span>説）"]
B --> C["ADP・Piの解離"]
C --> D["ATPが<span class='jp-term jp-term-diagram' title='myosin head'>ミオシン頭部</span>に結合→アクチンとの親和性低下→解離"]
D --> E["ATP部分加水分解→頭部が再コック"]
E -->|"[Ca2+]ICが高いまま"| A⚠️ ATPが結合しないとミオシンはアクチンに固着 fixation 固着（fixation） fixation（固着） したまま（リゴール状態, rigor state）。 死後post-mortem 死後（post-mortem）post-mortem（死後） にATP供給が絶えると、この固着 fixation 固着（fixation） fixation（固着） 状態が解除されず死後硬直rigor mortis死後硬直（rigor mortis）rigor mortis（死後硬直）として現れる。
筋収縮の様式
| 様式 | 特徴 | 例 |
|---|---|---|
| 等尺性収縮isometric contraction等尺性収縮（isometric contraction）isometric contraction（等尺性収縮） | 長さ一定、張力が変化 | 壁を押す |
| 等張性収縮isotonic contraction等張性収縮（isotonic contraction）isotonic contraction（等張性収縮） | 張力一定、長さが変化 | 通常の挙上運動 |
| 混合性収縮auxotonic contraction混合性収縮（auxotonic contraction）auxotonic contraction（混合性収縮） | 長さも負荷も変化 | 等尺性isometric 等尺性（isometric）isometric（等尺性） と等張性 isotonic 等張性（isotonic） isotonic（等張性） の混合 |
長さ-張力関係 length-tension relationship 張力関係（length-tension relationship） length-tension relationship（張力関係） ： 筋節の長さには最大張力を発揮できる最適長があり、短すぎても（フィラメント同士が重なりすぎる）長すぎても（相互作用できない）張力は低下する。能動張力active tension 能動張力（active tension）active tension（能動張力） ＋受動張力 passive tension 受動張力（passive tension） passive tension（受動張力） （伸展による弾性 elasticity）＝総張力 total tension総張力（total tension） total tension（総張力）。
💡 受動張力passive tension 受動張力（passive tension）passive tension（受動張力） （弾性）の主な担い手は骨格筋の巨大タンパク質タイチン titin 巨大タンパク質タイチン（titin） titin（巨大タンパク質タイチン） である。 タイチンTitin タイチン（Titin）Titin（タイチン） はZ線からM線まで伸びる分子で、筋節が伸展されるとバネのように受動張力 passive tension 受動張力（passive tension） passive tension（受動張力） を生む。近年の総説では、タイチンTitin タイチン（Titin）Titin（タイチン） はCa²⁺依存的に細線維へ結合して剛性 stiffness 剛性（stiffness） stiffness（剛性） を増し、クロスブリッジcross-bridge クロスブリッジ（cross-bridge）cross-bridge（クロスブリッジ） がタイチン Titin タイチン（Titin） Titin（タイチン） を細線維へ「巻き付ける」ことで伸張時の張力増強・短縮時の張力低下を生むという「winding filament仮説」が提唱されており、タイチンTitin タイチン（Titin）Titin（タイチン） は受動張力 passive tension 受動張力（passive tension） passive tension（受動張力） だけでなく活動中の筋の能動的な力発生にも関与すると考えられている2。
収縮力の調節
1AP＝1単収縮 single twitch単収縮（single twitch） single twitch（単収縮）。運動神経motor neuron運動神経（motor neuron）motor neuron（運動神経）のAPなしに収縮は起こらない。収縮力はAP頻度で決まる——頻度が上がると単収縮 single twitch 単収縮（single twitch） single twitch（単収縮） が重なり合い加重 weighting / summation 加重（weighting / summation） weighting / summation（加重） される。
| 段階 | 内容 |
|---|---|
| 単収縮single twitch単収縮（single twitch）single twitch（単収縮） | 1APによる短時間の収縮。Ca²⁺が速やかにSRへ再取込されるため短い |
| 加重weighting / summation加重（weighting / summation）weighting / summation（加重） | 完全弛緩前の再刺激で収縮力が増大。中間頻度では[Ca²⁺]ICが刺激毎にベースラインへ戻るが力は漸増（不完全強縮unfused tetanus不完全強縮（unfused tetanus）unfused tetanus（不完全強縮） incomplete tetanus） |
| 強縮tetanus強縮（tetanus）tetanus（強縮） | 高頻度刺激で[Ca²⁺]ICが持続的に上昇し維持される（完全強縮 tetanus強縮（tetanus） tetanus（強縮）） |
運動単位の動員
| 型 | 特徴 | 代表例 |
|---|---|---|
| 遅筋slow-twitch muscle 遅筋（slow-twitch muscle）slow-twitch muscle（遅筋） （slow-twitch、type I、酸化的 oxidative） | 小さく疲労しにくい。持続的な姿勢保持で先に動員される | マラソン選手・赤色筋線維red muscle fiber赤色筋線維（red muscle fiber）red muscle fiber（赤色筋線維） |
| 速筋（fast-twitch、type II、解糖的 glycolytic） | 大きく疲労しやすい。瞬発的動作で動員される | 短距離選手・白色筋線維white muscle fiber白色筋線維（white muscle fiber）white muscle fiber（白色筋線維） |
筋の成長様式
| 様式 | 機構 | 効果 |
|---|---|---|
| 伸長 | 筋節を末端に直列 serial (organ architecture, vs. parallel) 直列（serial (organ architecture, vs. parallel)） serial (organ architecture, vs. parallel)（直列） に追加 | 収縮速度・範囲は変化、力は不変 |
| 肥大 | 筋節を並列に追加（筋原線維myofibrils 筋原線維（myofibrils）myofibrils（筋原線維） 径増大） | 力は倍増しうるが最大収縮速度は不変 |
| 過形成 | サテライト細胞satellite cell サテライト細胞（satellite cell）satellite cell（サテライト細胞） 由来の新規線維形成 fibrogenesis線維形成（fibrogenesis） fibrogenesis（線維形成） | 線維数増加で力が倍増 |
筋疲労
疲労はATP枯渇 ATP depletion ATP枯渇（ATP depletion） ATP depletion（ATP枯渇） ではなく、主に代謝産物 metabolite 代謝産物（metabolite） metabolite（代謝産物） の蓄積による。
| 原因 | 機序 |
|---|---|
| 乳酸蓄積 | 筋形質pH低下→Ca²⁺のトロポニン troponin トロポニン（troponin） troponin（トロポニン） 結合↓ |
| 無機リン酸inorganic phosphate 無機リン酸（inorganic phosphate）inorganic phosphate（無機リン酸） 蓄積 | SRからのCa²⁺放出↓、Ca²⁺感受性↓、アクチン-ミオシン結合の変化 |
| その他 | K⁺↑、O₂↓、グリコーゲン↓、酸素由来フリーラジカルfree radical 酸素由来フリーラジカル（free radical）free radical（酸素由来フリーラジカル） ↑、ACh貯蔵↓、疼痛 |
骨格筋 vs 平滑筋（総括比較）
| 骨格筋 | 平滑筋 | |
|---|---|---|
| 興奮機構 | 神経筋伝達neuromuscular transmission 神経筋伝達（neuromuscular transmission）neuromuscular transmission（神経筋伝達） のみ | シナプス伝達synaptic transmission シナプス伝達（synaptic transmission）synaptic transmission（シナプス伝達） ＋ホルモン受容体 hormone receptor ホルモン受容体（hormone receptor） hormone receptor（ホルモン受容体） ＋電気的結合＋ペースメーカー pacemakers ペースメーカー（pacemakers） pacemakers（ペースメーカー） 電位 |
| 電気活動 | APスパイク spike スパイク（spike） spike（スパイク） のみ | APスパイク spikeスパイク（spike） spike（スパイク）・プラトーplateauプラトー（plateau）plateau（プラトー）・徐波slow wave 徐波（slow wave）slow wave（徐波） など多彩 |
| Ca²⁺センサー | トロポニンCtroponin CトロポニンC（troponin C）troponin C（トロポニンC） | カルモジュリンcalmodulin カルモジュリン（calmodulin）calmodulin（カルモジュリン） （1-08-the-physiology-of-smooth-muscle-the-functions-of-different-types-of-smooth参照） |
| 興奮収縮連関excitation-contraction coupling (ECC)興奮収縮連関（excitation-contraction coupling (ECC)）excitation-contraction coupling (ECC)（興奮収縮連関） | DHPR-RyR機械的共役 | VGCC・IP₃介在性SR放出・ストア作動性Ca²⁺流入 |
| 単収縮single twitch 単収縮（single twitch）single twitch（単収縮） 持続 | 20〜200 ms | 200 ms〜持続的 |
| 力の調節 | 頻度＋多線維加重 weighting / summation加重（weighting / summation） weighting / summation（加重） | MLC20リン酸化/脱リン酸化dephosphorylation 脱リン酸化（dephosphorylation）dephosphorylation（脱リン酸化） バランス、ラッチ状態latch stateラッチ状態（latch state）latch state（ラッチ状態） |
| 代謝 | 酸化的・解糖的（嫌気的anaerobic 嫌気的（anaerobic）anaerobic（嫌気的） にも動作可） | 酸化的 |
まとめ
- NMJではACh放出→nAChR結合→終板電位 endplate potential 終板電位（endplate potential） endplate potential（終板電位） →AP発生という化学-電気変換が起こり、ACh-エステラーゼが伝達を終結させる。
- 骨格筋のECCはDHP受容体（T管T-tubule (transverse tubule)T管（T-tubule (transverse tubule)）T-tubule (transverse tubule)（T管））とリアノジン受容体 ryanodine receptor (RyR) リアノジン受容体（ryanodine receptor (RyR)） ryanodine receptor (RyR)（リアノジン受容体） （SR）の機械的共役で、トロポニンCtroponin C トロポニンC（troponin C）troponin C（トロポニンC） がCa²⁺センサー。
- クロスブリッジサイクルcross-bridge cycle クロスブリッジサイクル（cross-bridge cycle）cross-bridge cycle（クロスブリッジサイクル） はATP結合でミオシン-アクチン解離、ATP枯渇ATP depletion ATP枯渇（ATP depletion）ATP depletion（ATP枯渇） でリゴール（死後硬直rigor mortis死後硬直（rigor mortis）rigor mortis（死後硬直））。
- 収縮力はAP頻度による加重 weighting / summation 加重（weighting / summation） weighting / summation（加重） （単収縮single twitch 単収縮（single twitch）single twitch（単収縮） →不完全強縮 unfused tetanus 不完全強縮（unfused tetanus） unfused tetanus（不完全強縮） →完全強縮 tetanus強縮（tetanus） tetanus（強縮））と運動単位 motor unit 運動単位（motor unit） motor unit（運動単位） の動員（遅筋slow-twitch muscle 遅筋（slow-twitch muscle）slow-twitch muscle（遅筋） →速筋）で調節される。
- 疲労は乳酸・Pi蓄積などの代謝産物 metabolite 代謝産物（metabolite） metabolite（代謝産物） によるもので、ATP枯渇ATP depletion ATP枯渇（ATP depletion）ATP depletion（ATP枯渇） そのものではない。
出典
- 1.Safety factor at the neuromuscular junction（Progress in Neurobiology・2001）総説で、安全域（safety factor）は神経終末が放出する伝達物質量が筋線維に活動電位を発生させるのに必要な量を上回る余剰分の指標であること、正常な成体哺乳類では安全域は概ね3〜5であること、種によって（カエルは大量の伝達物質放出、ヒトなど哺乳類は複雑な後シナプス特殊化への依存という）異なる戦略で確実な伝達を確保していること、後天性自己免疫疾患や先天性疾患で安全域が低下しうる（まれに一過性に増大しうる）ことを確認した閲覧 2026-08-26
- 2.Is titin a 'winding filament'? A new twist on muscle contraction（Proceedings of the Royal Society B・2012）総説で、骨格筋のタイチンはCa²⁺依存的にN2A領域が細線維に結合することで剛性を増し、活動中の筋でクロスブリッジがタイチンをアクチン細線維に「巻き付ける（winding）」ことでPEVK領域に弾性エネルギーを蓄え、伸張時の張力増強（force enhancement）と短縮時の張力低下（force depression）を説明するという「winding filament仮説」を提唱し、タイチンが受動的な張力だけでなく活動中の筋の力発生にも関与することを示した閲覧 2026-08-26