橋かけサイクル：ミオシン頭部の状態遷移Cross-Bridge Cycle: States of the Myosin Head

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. ミオシン頭部がアクチンを引っ張る(パワーストローク)とき、ATP・ADP・Pi のうち、どれが頭部から離れることがきっかけになると思いますか。When the myosin head pulls on actin (the power stroke), which of ATP, ADP, or Pi do you think leaving the head is the trigger?💡 ATP は頭部で ADP と Pi に分解されます。分解したあと、2つは同時に離れるのでしょうか。ATP is split into ADP and Pi on the head. After splitting, do the two leave at the same time?
2. ATP がまったくなくなると、ミオシン頭部はアクチンにくっついたままになると思いますか、それとも離れたままになると思いますか。If there is no ATP at all, do you think the myosin head will stay attached to actin or stay detached?💡 サイクルの中で ATP が最初に何をする役割なのかを考えましょう。Think about what ATP's first job is in the cycle.

2動かしてみようTry it

1. 初期設定(「Ca²⁺濃度」70、「ATP濃度」70)で20秒ほど観察し、上のステップ表示 1〜5 のどこが光っているか、頭部の角度(90°/45°)、画面の「1回の変位」の赤い矢印とアクチンの赤い目印のサブユニットの動きを追う。状態の順番を書き出す。With the defaults ("Ca²⁺ level" 70, "ATP level" 70), watch for about 20 seconds. Follow which of steps 1–5 is highlighted, the head angle (90°/45°), the red "one stroke" arrow, and the red marked actin subunit. Write down the order of the states.
2. パネル下の「ストローク ○回(アクチン相対変位 ≈ ○ nm)」の数値を記録し、ストロークのたびにアクチンがどちら向きにどれだけ動くかを確かめる。Record the "Strokes: … (actin moved ≈ … nm)" readout below the state text, and check in which direction and how far actin moves with each stroke.
3. 「リセット」を押し、「Ca²⁺濃度」を 10 にする。トロポミオシン(ピンクの帯)と結合サイトの点の色、頭部が止まる状態と角度を観察する。そのあと「Ca²⁺濃度」を 30 以上に上げて変化を見る。Press "Reset" and set "Ca²⁺ level" to 10. Observe the tropomyosin (pink strand), the color of the binding-site dots, and the state and angle where the head stops. Then raise "Ca²⁺ level" to 30 or more and watch what changes.
4. 「Ca²⁺濃度」を 70 に戻して「リセット」し、「ATP濃度」を 0 にする。頭部がどの状態・角度で止まるかを観察する。Return "Ca²⁺ level" to 70, press "Reset", and set "ATP level" to 0. Observe in which state and at what angle the head stops.
5. 「リセット」後に「ATP濃度」を 10 と 100 にしてそれぞれ30秒ずつ動かし、ストローク回数を比べる。状態5で表示される「ATP結合待ち」の%の進み方にも注目する。After "Reset", run with "ATP level" at 10 and then at 100 for 30 seconds each, and compare the number of strokes. Also watch how fast the "Waiting for ATP" percentage in state 5 rises.

3確かめようCheck

1. Ca²⁺ と ATP が十分あるとき、頭部の状態はどの順番で進み、頭部の角度はどこで変わりましたか。With enough Ca²⁺ and ATP, in what order did the head go through the states, and where did its angle change?→ 1 ATP結合→アクチンから離れる → 2 ATP加水分解(ADP·Pi)で頭部が 45° から 90° に直立(再加力)→ 3 露出した結合サイトに弱く結合 → 4 Pi遊離で 90° から 45° へ倒れる(パワーストローク)→ 5 ADP遊離→強直状態、そして再び 1 に戻った。1 ATP binds → detaches from actin → 2 ATP is hydrolyzed (ADP·Pi) and the head swings from 45° up to 90° (cocked) → 3 weak binding to an exposed site → 4 Pi is released and the head tilts from 90° to 45° (power stroke) → 5 ADP is released → rigor state, then back to 1.
2. パワーストロークのたびに、アクチンはどう動きましたか。How did actin move with each power stroke?→ 毎回同じ向き(右向き →)に動き、逆向きには戻らなかった。ストローク1回ごとに相対変位が約 10 nm ずつ増え、Ca²⁺・ATP が 70 のとき 20 秒で約4回(≈40 nm)だった。It moved in the same direction (to the right, →) every time and never moved back. Each stroke added about 10 nm of relative displacement; with Ca²⁺ and ATP at 70 there were about 4 strokes (≈40 nm) in 20 seconds.
3. Ca²⁺濃度を 10 にすると、頭部はどの状態で止まりましたか。それはなぜですか。With Ca²⁺ at 10, in which state did the head stop, and why?→ 「2 再加力状態で待機(Ca²⁺不足)」で、頭部は 90° に起き上がり ADP·Pi を持ったまま止まった。トロポニンが Ca²⁺ を捉えず、トロポミオシンが結合サイトを覆っている(点が灰色)ため、ATP があっても結合できない。Ca²⁺ を 30 以上にするとトロポミオシンが溝へ移動して点が緑になり、すぐに3へ進んだ。It stopped at "2 Waiting in cocked state (low Ca²⁺)": upright at 90° and still holding ADP·Pi. Troponin has no Ca²⁺, so tropomyosin covers the binding sites (gray dots) and the head cannot bind even with ATP present. Raising Ca²⁺ to 30 or more moved tropomyosin into the groove, the dots turned green, and the head went on to state 3.
4. ATP濃度を 0 にしたとき、また 10 と 100 で比べたとき、どうなりましたか。What happened with ATP at 0, and how did ATP at 10 compare with 100?→ ATP=0 では「5 強直状態で停止(死後強直)」となり、頭部は 45° のままアクチンに結合して離れず、ストローク回数も増えなかった。ATP=10 では状態5での待ち時間が長くなり 30 秒で約3回、ATP=100 では約6回ストロークした。ATP が少ないほどサイクルが遅くなる。With ATP = 0 it showed "5 Stuck in rigor (rigor mortis)": the head stayed bound to actin at 45° and the stroke count stopped increasing. With ATP = 10 the wait in state 5 got long and there were about 3 strokes in 30 s; with ATP = 100 there were about 6. Less ATP means a slower cycle.

4考えようThink further

1. ATP がなくなると筋肉が「縮んだまま固まる」のはなぜか、ATP の2つの役割から説明しよう。Explain, using ATP's two roles, why muscles lock up stiff when ATP runs out.→ ATP は①頭部に結合してアクチンから離れさせる役割と、②加水分解のエネルギーで頭部を再加力(90° に直立)させる役割をもつ。ATP がないと①が起こらず、頭部はパワーストローク後の強直状態でアクチンに結合したままになる。多くの頭部がこうして固定されると筋が硬くなる(死後硬直)。ATP (1) binds to the head and makes it let go of actin, and (2) provides energy, through hydrolysis, to re-cock the head to 90°. Without ATP, step (1) cannot happen, so the head stays bound to actin in the rigor state after the power stroke. When many heads are locked like this, the muscle becomes stiff (rigor mortis).
2. 1本の頭部の1回のストロークは約 10 nm しかありません。それでも筋肉が大きく縮めるのはなぜでしょうか。One stroke of one head moves actin only about 10 nm. How can a whole muscle still shorten a lot?→ ストロークは常に同じ向きで、頭部がサイクルをくり返すたびに変位が積み重なる(シミュレーションでも回数×約10 nm)。さらに1本の太いフィラメントには多数の頭部があり、筋繊維には直列に並んだ多数のサルコメアがあるので、小さな動きが足し合わされて大きな収縮になる。The strokes are always in the same direction, so the displacement adds up each time the head repeats the cycle (in the simulation, strokes × about 10 nm). On top of that, each thick filament has many heads and a muscle fiber has many sarcomeres in series, so the small steps add up to a large contraction.

よくある誤解Common misconceptions

• 「ATP が分解されるその瞬間にミオシンがアクチンを引っ張る」という誤解。ATP の加水分解は頭部を起き上がらせる(再加力する)段階で、アクチンを引くパワーストロークの引き金は Pi の遊離である。"Myosin pulls on actin at the very moment ATP is split." ATP hydrolysis is the step that re-cocks the head; the trigger for the power stroke that pulls actin is the release of Pi.
• 「ATP がなければミオシンはアクチンから離れて筋肉がゆるむ」という誤解。ATP がないと頭部はアクチンに結合したまま離れられず、強直(硬直)状態になる。"Without ATP, myosin lets go of actin and the muscle goes limp." Without ATP the head cannot detach and stays bound to actin in the rigor state.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)