PRELEKCJA: Sprzężenie elektromechaniczne w mięśniu szkieletowym. Budowa mięśni, molekularny mechanizm skurczu mięśnia szkieletowego - rola jonów Ca ²⁺, ATP. Ślizgowa teoria skurczu mięśni.

ĆWICZENIE: Potencjał spoczynkowy i czynnościowy nerwu, rejestracja skurczów mięśni szkieletowych po pobudzeniu nerwu.

BUDOWA MIĘŚNI SZKIELETOWYCH

Mięśnie szkieletowe stanowią 40 - 50 % masy ciała. Są one zbudowane z pojedynczych, wielojądrzastych komórek o kształcie długiego cylindra, zwanych włóknami mięśniowymi. Większość mięśni zwierząt domowych składa się z 20 - 100 tys. włókien mięśniowych.

Włókna mięśniowe odznaczają się trzema zasadniczymi właściwościami fizjologicznymi:

• Pobudliwością - zdolnością wytwarzania potencjału czynnościowego w odpowiedzi na działanie bodźców (funkcja związana z sarkolemą)

• Zdolnością przewodzenia fali pobudzenia wzdłuż całego swojego przebiegu (funkcja związana z sarkolemą)

• Kurczliwością - zdolnością do skracania się pod wpływem pobudzenia (funkcja związana z miofibrylami znajdującymi się w sarkoplazmie)

Dzięki skurczom mięśni szkieletowych zachodzących pod wpływem impulsów nerwowych możliwe są:

• Przemieszczanie się organizmu w przestrzeni

• Zmiany ułożenia części ciała względem siebie

• Utrzymanie postawy ciała

Warstwy tkanki łącznej mięśnia szkieletowego:

• Namięsna = epimysium (warstwa, która wnika do wnętrza mięśnia, dzieląc go na pęczki, łączy zatem włókna mięśniowe)

• Omięsna = perimysium (otacza pęczki mięśniowe)

• Śródmięsna = endomysium (warstwa tkanki łącznej, która otacza pojedyncze włókno mięśniowe w pęczku mięśniowym)

Cały mięsień łączy się z kością za pomocą ścięgna, pasma mocnej tkanki łącznej.

SKŁAD CHEMICZNY MIĘŚNI

Miofibryle zajmują 80 % objętości włókna i mają poprzeczne prążki spowodowane naprzemiennym występowaniem w nich:

• Odcinków (prążków) jasnych - izotropowych [odcinki I]

• Odcinków (prążków) ciemnych - anizotropowych [odcinki A]

W sąsiadujących ze sobą miofibrylach odcinki jasne i ciemne stykają się ze sobą i w ten sposób tworzą poprzeczne prążkowanie całego mięśnia.

W miofibrylach w połowie długości odcinków jasnych występuje cienki, ciemny prążek nazywany linią Z, dzieli on włókienka na równe segmenty. Jeden taki segment, leżący pomiędzy 2 liniami Z, tworzy najmniejszą czynnościową jednostkę miofibryli, noszącą nazwę sarkomeru. Sarkomer obejmuje jeden cały odcinek ciemny (A) i sąsiadujące z nim po obu stronach połówki odcinków jasnych (I).

Miofibryle z kolei składają się z licznych nitek białkowych nazywanych miofilamentami. W obrębie sarkomeru można wyróżnić grube i cienkie miofilamenty utworzone z kurczliwych białek.

• Nitki grube - zbudowane z miozyny, leżą w partii centralnej sarkomeru i tworzą ciemny odcinek A

• Nitki cienkie - zbudowane z aktyny - przyczepione są jednym końcem do linii Z ograniczających sarkomer, wchodzą częściowo z obu stron między nitki grube, z nich głównie zbudowany jest jasny odcinek miofibryli I.

Na poprzecznym przekroju odcinka A, gdzie cienkie i grube nitki wchodzą między siebie, stwierdza się układ heksagonalny. Każdy gruby filament otoczony jest sześcioma cienkimi filamentami, ułożonymi w rogach regularnego sześcioboku. Każdy cienki fimalent otoczony jest trzema grubymi. Od grubych nitek odchodzą ułożone wokół nich spiralnie wypustki zwane mostkami poprzecznymi. Każdy skręt spirali ma sześć takich mostków. Dzięki tym mostkom może dochodzić do interakcji między grubą miozynowi nitką a otaczającymi ją sześcioma cienkimi nitkami aktynowymi.

BUDOWA I FUNKCJE MIOZYNY

Wydłużona cząsteczka miozyny swoim kształtem przypomina kijankę. Można rozróżnić w niej główkę i ogon. W obrębie sarkomeru główki miozyny są zgrupowane w obu obwodowych końcach grubych nitek, natomiast z ogonków są zbudowane ich partie centralne. Główki, odchylone fajkowato w bok, skierowane ku otaczającym cienkim filamentom, tworzą mostki poprzeczne.

Na główce miozyny znajduje się reaktywne miejsce, którym cząsteczka miozyny może łączyć się z cząsteczką aktyny, w główce jest też zlokalizowany układ enzymatyczny zdolny do rozkładu ATP.

Cząsteczki miozyny pełnią więc 3 funkcje:

• Wchodzą w skład grubych nitek sarkomerów

• Mogą tworzyć kompleksy z cienkimi nitkami zbudowanymi z aktyny

• Wykazują słabą aktywność ATP-azy.

Aktyna, z którą miozyna tworzy w czasie skurczu mięśniowego kompleks aktynomiozynowy, wyraźnie zwiększa enzymatyczną aktywność ATP-azy miozynowej.

BUDOWA I FUNKCJE AKTYNY

Cząsteczki aktyny mają formę kulistą i maja na swojej powierzchni reaktywne miejsce wykazujące zdolność do łączenia się z miozyną. Cienkie miofilamenty są zbudowane z dwu spiralnie skręconych łańcuchów utworzonych z cząsteczek aktyny.

W skład cienkich nitek wchodzą jeszcze dwa białka, odgrywające ważna role w procesie skurczu mięśniowego. Są nimi troponina i tropomiozyna. Zapobiegają one łączeniu się cienkich nitek aktyny z poprzecznymi mostkami miozyny w czasie rozkurczu mięśnia (spoczynku), pełnia więc rolę naturalnych inhibitorów procesu skurczowego. Inhibicyjne działanie kompleksu troponina - tropomiozyna znoszą wolne jony wapnia Ca²⁺, które po związaniu przez troponinę pośrednio przyczyniają się do interakcji między filamentami aktyny i miozyny, inicjując w ten sposób skurcz mięsnia.

Troponina i tropomiozyna nazywane są białkami regulacyjnymi mięśnia.

BUDOWA I FUNKCJE UKŁADU SARKOTUBULARNEGO

Z uwalnianiem jonów wapnia do sarkoplazmy lub usuwaniem ich z niej, związane są czynności układu sarkotubularnego.

W skład układu sarkotubularnego wchodzą:

• Siateczka sarkoplazmatyczne (retikulum sarkoplazmatyczne)

• Kanalikowy układ poprzeczny (układ T)

Siateczka sarkoplazmatyczna otacza każde włókienko mięśniowe, tworzy siec drobnych błoniastych kanalików przebiegających równolegle do miofilamentów (kanaliki podłóżne). Ich wnętrze jest wypełnione płynem pozakomórkowym.

W równych odstępach, zwykle w okolicy linii Z, kanaliki rozszerzają się, tworząc tzw. cysterny (woreczki boczne lub końcowe). W nich znajdują się ziarnistości magazynujące znaczne ilości wapnia. W poprzek każdej cysterny przebiega wokół miofibryli wąski kanalik zwany kanalikiem poprzecznym lub kanalikiem T. Łączy się on z podobnymi kanalikami opasującymi inne miofibryle. Nie należy on do siateczki sarkoplazmatycznej, gdyż powstaje wskutek uwypuklenia się sarkolemy do wnętrza włókna mięśniowego. Zaczyna się i kończy na powierzchni sarkolemy dzięki czemu łączy wnętrze włókna mięśniowego z otaczającym je środowiskiem. Przebiega ściśle do ścian cystern, styka się więc z podłużnymi kanalikami siateczki.

Układ sarkotubularny stanowi morfologiczne podłoże, po którym pobudzenie przekazywane jest z układu pobudliwego na układ kurczliwy, tzn. z sarkolemy na miofibryle.

ŚLIZGOWA TEORIA SKURCZU

Skurcz mięśnia lub nawet wzrost jego napięcia jest następstwem wciągania cienkich nitek aktyny pomiędzy grube nitki miozyny. Ani jedne ani drugie nitki nie zmieniają przy tym swojej długości, wślizgują się jedynie pomiędzy siebie, wskutek czego dochodzi do skrócenia się sarkomeru. Zgodnie z ta teorią szerokość odcinka A (ciemnego) w czasie skurczu pozostaje niezmieniona, skracaja się natomiast odcinki I (jasne) sarkomeru. W czasie maksymalnego skurczu, gdy cienkie nitki nie tylko stykają się ze sobą, ale nawet zachodzą na siebie, odcinki I całkowicie znikają, tak, że wydaje się iż sarkomer składa się wyłącznie z grubych nitek

Wciąganie nitek aktyny pomiędzy nitki miozyny podczas skurczu mięśnia odbywa się dzięki ruchowi poprzecznych mostków, tj. główek cząsteczek miozyny (ciężkiej meromiozyny), które zaczepiają się o nitki aktyny w strefie zachodzenia obu nitek na siebie. Działa tu jakby „koło zębate” przeciągające jedną grupę nitek po drugiej, a rolę „ząbków” w tym procesie spełniają wspomniane już mostki poprzeczne. Energii dla ruchów mostków dostarcza rozpad ATP.

W spoczynku mostki poprzeczne są wyprostowane dzięki siłom elektrostatycznym występującym pomiędzy zjonizowanym ATP związanym z ich końcami a ustalonym ładunkiem ujemnym znajdującym się u ich podstawy, gdzie łączą się one z nitką miozyny. Jony wapnia, uwolnione podczas pobudzenia z ziarnistości cystern tworzą ogniwa łączące ze sobą dodatnio naładowane końce mostków z ujemnie naładowanymi miejscami na nitkach aktyny. W ten sposób aktyna i miozyna łączą się w aktomiozynę za pomocą wapnia. W tym samym czasie, ładunki których działanie utrzymywało mostki w stanie wyprostowanym, zostają zneutralizowane i mostki kurczą się, przeciągając nitki aktyny wzdłuż nitek miozyny. Cykl ten powtarza się wiele razy w ciągu pojedynczego skurczu, powodując ciągły ruch nitek.

SPRZĘŻENIE POBUDZENIOWO - SKURCZOWE

Wolne jony wapnia pełnia w mięśniu szkieletowym rolę przekładni elektromechanicznej. Uwolnione przez potencjał czynnościowy uruchamiają elementy kurczliwe w pobudzonym mięśniu. Proces ten nazywany jest sprzężeniem pobudzeniowo - skurczowym.

W stanie rozkurczu stężenie jonów wapnia w sarkoplazmie jest stosunkowo niewielkie. Jony te, związane w ziarnach siateczki sarkoplazmatycznej, są uwalniane bezpośrednio przed skurczem, gdy wzdłuż błony powierzchniowej włókien mięśniowych wędruje stan pobudzenia i przenika w głąb włókien - do kanalików podłużnych - po błonie kanalików poprzecznych. Depolaryzacja ich błony pociąga za sobą krótkotrwały wzrost przepuszczalności błony cystern i uwalnianie zmagazynowanych w nich jonów wapnia. Jony te dyfundują pomiędzy miofilamenty i wiążą się z układem troponina - tropomiozyna, blokując jego działanie hamujące łączenie się aktyny z miozyną w okresie rozkurczu. Powstająca aktomiozyna wyraźnie aktywuje enzym ATP-azę miozynowi, rozkładającą ATP, uwalniając w ten sposób energię dla skurczu mięśniowego. Układ troponona - tropomiozyna, zapobiegając łączeniu się nitek aktyny z nitkami miozyny, hamuje pośrednio aktywnośc ATP-azy miozynowej. Mostki poprzeczne zamieniają uwolnioną przy rozpadzie ATP energię chemiczną w mechaniczną i zapoczątkowują przesuwanie się nitek białkowych, generując siłę skurczową.

Nadmiar jonów wapnia usuwają następnie z sarkoplazmy kanaliki siateczki sarkoplazmatycznej, akumulując je w ziarenkach, transportowanych do cystern, gdzie są one magazynowane (reakumulacja, sekwestracja jonów wapnia). Jony wapnia na początku skurczu przechodzą przez błony z miejsc o wysokim stężeniu (cystern siateczki) do miejsc o stężeniu niższym (do włókienek mięśniowych). Po skurczu jony wapnia są przenoszone przeciw kierunkowi spadku stężeń znów do siateczki przez tzw. pompę wapniową pracująca na koszt energii ATP.

Gdy spada poziom wolnych jonów wapnia w sarkoplazmie, układ troponina - tropomiozyna uwalnia związane z nim jony wapnia, odzyskując znowu swoje hamujące działanie. Znacznemu obniżeniu ulega wówczas aktywność ATP-azy miozynowej; aktomiozyna rozpada się na aktynę i miozynę (dysocjacja aktomiozyny) i nitki tych białek wysuwają się spomiędzy siebie. W ten sposób dochodzi do rozkurczu mięśnia. Jony wapnia biorą więc także udział w zapoczątkowaniu rozkurczu mięśnia.

Kolejność zmian doprowadzających do skurczu, a następnie do rozkurczu włókna mięśniowego przedstawia się następująco:

• Podrażnienie włókna mięśniowego

• Powstanie potencjału czynnościowego

• Przewodzenie pobudzenia wzdłuż sarkolemy i w głąb włókna po kanalikach siateczki sarkoplazmatycznej

• Uwolnienie jonów wapnia z cystern siateczki i dyfuzja ich do miofibryli

• Wzajemne oddziaływanie na siebie (ślizganie się) nitek aktyny i miozyny, doprowadzające do skurczu mięśnia

• Aktywacja pompy wapniowej

• Spadek stężenia wolnych jonów wapnia w sarkoplazmie

• Rozkurcz mięśnia

SKURCZE MIĘŚNI SZKIELETOWYCH

Izolowany mięsień, drażniony bezpośrednio lub pośrednio przez nerw kurczy się, zmniejszając swą długość lub zwiększając swoje napięcie. Mięsień pobudzony pojedynczym bodźcem reaguje skurczem pojedynczym.

Na krzywej skurczu pojedynczego można rozróżnić 3 okresy (fazy) skurczu:

• Utajonego pobudzenia

• Skurczu

• Rozkurczu

Okres utajonego pobudzenia obejmuje czas upływający od chwili zadziałania bodźca wywołującego powstanie potencjału czynnościowego do momentu rozpoczęcia skurczu. W tym czasie zachodzą w mięśniu omówione wyżej zmiany, zaczynające się depolaryzacją ich błony powierzchniowej, a kończące się zapoczątkowaniem wsuwania się nitek aktyny między nitki miozyny, jak również rozwojem napięcia czynnego w strukturach kurczliwych mięśnia. W tym okresie występują także zmiany pobudliwości włókien mięśniowych.

W okresie depolaryzacji błony komórkowej staje się ona zupełnie niewrażliwa na bodźce. Jest okres refrakcji (niewrażliwości) bezwzględnej. Po nim, w okresie repolaryzacji, następuje okres refrakcji względnej, w którym pobudzenie jest możliwe, jednak pobudliwość błony jest obniżona.

W okresie skurczu, kiedy to ruch główek cząsteczek ciężkiej meromiozyny, zaczepiających się o nitki aktyny, wciąga je w głąb zrębu miozyny, napięcie mięśnia stopniowo rośnie. Po przekroczeniu szczytu zaś opada - już w okresie rozkurczu.

Wyróżnić możemy:

• Skurcz izotoniczny - skurcz przy którym dochodzi do zmiany długości mięśnia, przy nie zmienionym napięciu

• Skurcz izometryczny - skurcz przy którym dochodzi do zmiany napięcia mięśnia, przy nie zmienionej jego długości

• Skurcz auksotoniczny - skurcz przy którym zmieniają się obydwa parametry podczas skurczu - zarówno długość mięśnia, jak i jego napięcie

Normalnie skurcze w organizmie nigdy nie są czysto izotoniczne lub czysto izometryczne, ponieważ mięśnie podnosząc jakąkolwiek masę skracają się i równocześnie zmieniaja swoje napięcie, są to zatem skurcze auksotoniczne.

Przy pojedynczych bodźcach skurcz każdego włókna mięśniowego podlega prawu „wszystko albo nic”. Oznacza to, że oddzielne włókna mięśniowe wykonują zawsze skurcze maksymalne, niezależnie od tego, czy działa na nie bodziec progowy, czy nadprogowy.

Amplituda skurczu pojedynczego, wykonywanego przez cały mięsień, zależy natomiast bardzo wyraźnie od siły bodźca. Przy bodźcu progowym skurcz jest najmniejszy, ze wzrostem siły bodźca rośnie jego wysokość, aż przy tzw. skurczu maksymalnym osiąga on najwyższą amplitudę, która już nie zmienia się, mimo dalszego narastania siły bodźca.

Powtarzające się z niedużą częstotliwością bodźce nadprogowe wywołują kolejne skurcze pojedyncze mięśnia. Po narastaniu częstotliwości bodźców zaczyna występować zjawisko sumowania się skurczów pojedynczych. Prowadzi ono do powstania skurczów tężcowych.

Rodzaje skurczów tężcowych:

• skurcz tężcowy zupełny

• skurcz tężcowy niezupełny

Skurcz tężcowy zupełny - występuje gdy kolejne bodźce pobudzają mięsień przed rozpoczęciem się jego rozkurczu. Mięsień przebywa w stanie skrócenia przez cały okres działania bodźców.

Skurcz tężcowy niezupełny - powstaje gdy pobudzenie mięśnia zachodzi już w okresie rozkurczu. Przy nim mięsień, już częściowo rozkurczony, skraca się i znowu częściowo rozkurcza w odpowiedzi na działanie kolejnego bodźca.

Do pełnego rozkurczu mięśnia dochodzi dopiero po ustaniu działania bodźców.

Istotą skurczu tężcowego jest pozostawanie nitek aktyny w zrębie nitek miozyny przez cały czas działania bodźców. Bodźce bowiem o dużej częstotliwości nie pozwalają na zupełne oderwanie się mostków poprzecznych miozyny od nitek aktyny i utrzymują sarkomery w stanie dużego skrócenia.

Skurcze tężcowe występujące pod wpływem serii bodźców, będąc wynikiem sumowania skurczów pojedynczych, wykazują zawsze większą amplitudę niż amplituda skurczu wywołanego pojedynczym bodźcem.

ENERGETYKA SKURCZU MIĘŚNIOWEGO

Bezpośrednim źródłem energii niezbędnym do skurczu i rozluźnienia mięśnia jest ATP, który spełnia potrójną rolę:

• energia uwalniana przy rozpadzie ATP jest zużywana bezpośrednio do uruchamiania mostków poprzecznych miozyny

• związanie nie rozłożonego ATP z miozyną jest koniecznym warunkiem rozbicia kompleksu aktomiozyny i utrzymania cyklicznego działania mostków poprzecznych

• energia uwalniana z rozkładu ATP jest prócz tego zużywana przez siateczkę sarkoplazmatyczną do wychwytywania wolnych jonów wapnia i doprowadzania przez to do rozkurczu mięśnia

W czasie skurczu ATP rozkłada się na ADP i nieorganiczny ortofosforan, a uwalniana przy tym energia chemiczna zamieniana jest na energię mechaniczną pracy oraz ciepło. Zapas energii zmagazynowany w mięśniu w postaci ATP jest niewielki i może wystarczyć tylko na kilka sekund pracy mięśnia. W skutek tego podczas skurczów mięśni rozpad cząsteczek ATP sprzężony jest z przemianami chemicznymi, w wyniku których następuje regeneracja wiązań wysokoenergetycznych i odtworzenie tego związku. Energii do tego celu dostarczają przede wszystkim procesy rozkładu różnych związków organicznych (głównie glikoliza i proces fosforylacji tlenowej).

Źródłem najszybciej dostarczanej energii do odbudowy ATP jest jednak fosfokreatyna - drugi wysokoenergetyczny fosforan znajdujący się w mięśniu. Zawiera ona wiązanie wysokoenergetyczne tego samego typu co ATP i występuje w stężeniu 4 - 6 razy wyższym. W czasie jej hydrolizy do kreatyny i grupy fosforanowej uwalniane są znaczne ilości energii. Przeniesienie grupy fosforanowej z fosfokreatyny na ADP zachodzi przy udziale enzymu ATP - kreatyno - transfosfatazy. Proces ten aktywowany jest przez ADP, którego stężenie gwałtownie wzrasta w mięśniach podczas ich skurczów w wyniku rozpadu ATP. Resynteza ATP umożliwia kontynuację skurczów mięśniowych. Podczas intensywnego wysiłku zasoby fosfokreatyny mogą zostać całkowicie wyczerpane, wówczas utrzymanie poziomu ATP w mięśniach jest jeszcze możliwe przez pewien czas dzięki tzw. reakcji miokinazowej. Przy niej dochodzi do resyntezy ATP kosztem energii wyzwalanej przy rozpadzie 2 cząsteczek ADP, z powstawaniem AMP. Z tego powodu w pracującym mięśniu rośnie nie tylko poziom ADP, lecz także AMP.

Fosforylacja tlenowa zachodząca w mitochondriach jest najważniejszą drogą odnowy ATP. Znaczenie procesu glikolizy i rozpadu fosfokreatyny polega na tym, że przebiegają one bez udziału tlenu, umożliwiając wykonywanie pracy mięśniowej w warunkach niedoboru tlenu.

---