刺激频率对肌肉纤维收缩过程中能量效率的影响

《Biophysical Journal》：Effects of stimulation frequencies on energy efficiency of a muscle fiber during contraction

　　

贾祥旭|陈斌

浙江大学工程力学系，中国杭州

摘要

关于效率与刺激频率之间关系的矛盾实验结果，阻碍了人们对肌肉收缩过程中神经活动如何转化为机械功的机制理解。为了解决这一问题，我们开发了一个生物物理模型，该模型将钙介导的兴奋与详细的横桥循环过程结合起来，实现了单纤维模拟。我们的模型预测，出现的缩短速度是决定横桥效率的主要因素：效率在最佳速度时达到峰值，在更高或更低的速度下会下降，而刺激频率仅起次要作用。关键的是，在大多数参数研究中，产生最佳效率的速度在不同频率下几乎保持不变，仅在较高频率时略有上升。我们进一步量化了亨尼曼大小原理（Henneman’s size principle）中的横桥能量基础：较小的运动单位在低负荷下本质上更高效。此外，无机磷酸盐（[Pi]）的浓度升高似乎会加剧高频率和低频率条件下的效率差异。我们的研究结果表明，刺激频率主要通过调节缩短速度来影响效率，而缩短速度又控制着肌球蛋白动力冲程的动力学过程。这项工作有助于阐明神经对肌肉能量的调控机制，并为研究生理和病理条件下的肌肉功能提供定量基础。