摘要：肌肉收縮是最基本的生命運動。三磷酸腺苷（ATP）與鈣離子為肌肉收縮提供能量和支持。太陽能和光合作用保證了鈣離子和ATP的工作機制，而人體內(nèi)糖、脂肪、蛋白質(zhì)的分解代謝是ATP再合成的能量補充來源。所以，生命活動是能量流動和轉(zhuǎn)換的過程，它從太陽能開始，轉(zhuǎn)化成化學(xué)能、電能，最后又轉(zhuǎn)換成機械能。

關(guān)鍵詞：肌肉收縮;三磷酸腺苷;鈣離子;能量轉(zhuǎn)換

運動是健康生活方式必可可少的一部分。運動是消耗能量的過程，而肌肉收縮活動是消耗能量最多的一種運動形式。那么肌肉收縮活動消耗的能量是從哪里來呢？人體不能直接利用外界的太陽能、風(fēng)能、熱能等物理和化學(xué)形式的能量，只能利用機體自身產(chǎn)生的能量。這種身體活動的動力來源叫做ATP，它就像玩具車里的電池一樣，可以隨時取用但是存量卻有限，所以需要不斷生成新的ATP對身體進行充電。了解ATP 的合成原理及基本過程對于了解人體運動的能量來源、了解生命活動與能量的關(guān)系具有一定的意義。

一、人體的骨骼肌結(jié)構(gòu)與肌肉收縮原理

人體骨骼肌是由一束束肌肉纖維組成的肌肉組織，它是保持姿勢、穩(wěn)定關(guān)節(jié)和控制內(nèi)部運動的組織。在這些肌肉纖維束中含有單獨的肌纖維細胞，這些肌纖維細胞由更小的肌原纖維束組成。肌原纖維包含許多彼此相鄰的稱為肌節(jié)的收縮單位。在肌節(jié)內(nèi)有兩條平行的蛋白絲。一條是固定在肌節(jié)中心的粗纖維，叫肌球蛋白。另一條是固定在被稱為Z線的肌節(jié)單元外邊緣的細蛋白質(zhì)，叫肌動蛋白絲。當(dāng)骨骼肌開始收縮時，肌動蛋白絲沿著肌球蛋白滑動，可以從兩側(cè)縮短肌節(jié)單元的長度，達到肌肉收縮的效果。

鈣離子和三磷酸腺苷（ATP）是肌肉收縮過程中非常重要的兩個元素。

鈣離子的存在與肌肉收縮的過程有關(guān)。在肌動蛋白絲中存在著兩種調(diào)節(jié)蛋白，即肌鈣蛋白和原肌球蛋白。在肌肉收縮之前，纖維是放松的，原肌球蛋白阻斷了肌動蛋白絲上的結(jié)合位點，阻止了跨橋的形成。當(dāng)鈣離子達到一定濃度時，鈣離子會與肌鈣蛋白結(jié)合，從而取代原肌球蛋白，使肌動蛋白絲上的跨橋結(jié)合面暴露出來。

ATP是肌肉收縮所必需的。在肌肉收縮過程開始時，結(jié)合的ATP被水解成ADP（二磷酸腺苷）和PI（無機磷酸鹽）。這確保了粗的肌球蛋白頭可以伸展。當(dāng)肌球蛋白頭伸展時，它會附著在肌動蛋白暴露的結(jié)合位點上并形成一個跨橋。這時，一個稱為動力沖程的過程被觸發(fā)，肌球蛋白收縮并將細肌動蛋白絲拉向中間的M線。在肌肉收縮后，肌球蛋白會釋放ADP和PI分子并保持附著，直到新的ATP分子出現(xiàn)并釋放肌球蛋白絲。一旦肌球蛋白頭部釋放肌動蛋白絲，肌球蛋白就會向前伸展，再次與肌動蛋白結(jié)合。因此，肌節(jié)的收縮是ATP影響下結(jié)合和釋放的重復(fù)發(fā)生的循環(huán)過程。這個循環(huán)也被稱為肌球蛋白-肌動蛋白循環(huán)。在整個過程中，ATP的分解為肌球蛋白頭部的延伸和肌球蛋白絲的收縮提供了動力。

二、ATP的來源—能量轉(zhuǎn)換

生態(tài)系統(tǒng)中的所有能量都是由太陽輻射提供的。太陽能和光合作用保證了鈣離子和ATP的工作機制。

第一步，初級生產(chǎn)者從太陽輻射中獲取能量，然后通過光合作用過程儲存化學(xué)能。太陽發(fā)出的光含有光子，這些光子以一種被稱為光波的重復(fù)模式振蕩形成可見光。光合作用的初級生產(chǎn)者將從可見光中捕獲能量并通過葉綠體內(nèi)含有的類囊體進行光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換，類囊體內(nèi)的葉綠素有助于吸收光子的能量。光子中所含的光能激發(fā)電子到一個更高的不穩(wěn)定狀態(tài)，被激發(fā)的電子形成電子傳遞鏈并創(chuàng)造一個濃度梯度來為ATP合酶提供能量。這一過程將保證還原性輔酶Ⅱ（NADPH）和ATP的產(chǎn)生，這兩種物質(zhì)被輸送到基質(zhì)中，進一步推動新陳代謝過程——開爾文循環(huán)的進行。通過開爾文循環(huán)里起重要作用的一種五碳糖即1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）的碳固定、還原和再生，生成葡萄糖所需的甘油醛3-磷酸（G3P）。

第二步，細胞呼吸。在生態(tài)系統(tǒng)中，初級生產(chǎn)者將通過消耗植物在光合作用過程中產(chǎn)生的碳水化合物來獲取能量。在食物鏈中，食草動物吃掉初級生產(chǎn)者，然后隨著碳水化合物被消化，葡萄糖順著血液流動被分配到各個細胞中。葡萄糖經(jīng)過糖酵解過程，然后被分解。這個過程會打破化學(xué)鍵從而釋放出ATP中的化學(xué)能。

第三步：肌纖維細胞在細胞呼吸過程中釋放的ATP，可以直接為肌節(jié)的收縮提供動力，從而引起肌肉的收縮，也可以通過為調(diào)節(jié)鈣離子釋放的神經(jīng)系統(tǒng)提供能量，間接為肌肉收縮提供動力。

為保證肌肉活動供能的連續(xù)性，ATP必須是邊分解邊合成，人體內(nèi)糖、脂肪、蛋白質(zhì)的分解代謝是ATP再合成的能量補充來源。它們通過有氧和無氧兩種代謝方式將儲存在分子內(nèi)部的化學(xué)能逐漸地釋放出來，并將部分能量轉(zhuǎn)移和儲存到ATP分子之中由此不斷合成新的ATP。追根溯源，糖和脂肪是肌肉收縮的能量物質(zhì)。人體通過食物不斷補充體內(nèi)的糖、脂肪和蛋白質(zhì)分子進而維持體內(nèi)的能量平衡。

三、結(jié)論

綜上所述，肌肉收縮的生命活動是由能量支持和驅(qū)動的。光合作用過程中獲得的太陽能轉(zhuǎn)化為儲存在葡萄糖中的化學(xué)能。通過細胞呼吸，葡萄糖以ATP的形式釋放化學(xué)能。然后ATP被用來直接為肌動蛋白和肌球蛋白的結(jié)合提供能量，或者通過為調(diào)節(jié)鈣離子的神經(jīng)系統(tǒng)提供能量來間接為肌肉收縮提供能量。最后，鈣離子和ATP共同支持肌肉收縮。在整個過程中，我們可以看到生命活動中的能量流動和轉(zhuǎn)換，以及生命系統(tǒng)層次之間的能量轉(zhuǎn)換。它從太陽能開始，成功地轉(zhuǎn)換成化學(xué)能、電能，最后又轉(zhuǎn)換成機械能。

賈喆 （2004.10-），女 ，漢族 ，北京，高中，研究方向：生物與化學(xué)