粗肌丝是横纹肌细胞中肌原纤维的组成部分之一，主要由肌球蛋白组成。肌球蛋白呈长杆状，而一端膨大成球状。一条粗肌丝中大约有200-300个肌球蛋白，它们平行交错排列组成粗肌丝的主干。每个分子的球状头部按照特定的排列方式分布在粗肌丝的主干两端。

肌球蛋白，又称为肌凝蛋白，在粗肌丝中的肌球蛋白主要为肌球蛋白Ⅱ。这是一种长约160nm、直径10-15nm的纤维状蛋白，分子量约为450kDa。肌球蛋白Ⅱ是一种由6条多肽链组成的杆状分子，包含2条重链和4条轻链。整个分子可分为头部(20nm)、颈部和尾部(150nm)。其中，2条重链的大部分肽链以α螺旋的结构相互缠绕在一起形成杆状尾部，而每条重链的氨基末端部分分别和2条轻链组成球状头部。

在粗肌丝中，众多的肌球蛋白分子的杆状尾部分别从两个方向平行排列，聚集形成粗肌丝的主干。球状头部朝向粗肌丝的两端，它们两两相对排列，每对之间相隔一段距离并旋转约60°。粗肌丝的球状头部与一小段杆状桥臂一起作为粗细、肌丝之间相互连接的结构，称为横桥。当肌肉未收缩时，横桥与肌原纤维主干方向垂直。球状头部还具有ATP酶的活性，能结合并水解ATP，供给横桥周期所需的能量。

粗肌丝的中间处在电子显微镜下可以观察到一条横线，称为M线(横纹肌M线)。M线由蛋白质组成，可以固定肌动蛋白丝，维持其六角形的排列。