w7.mięśnie, Biofizyka, biofizyka

1

STOMATOLOGIA; wykład 7: mięśnie    

Wspólną cechą wszystkich typów mięśni jest ich zdolność do odpowiadania skurczem na docierające do nich sygnały pobudzające. Podstawowy mechanizm przetwarzania energii wiązań chemicznych w mechaniczną energię skurczu jest we wszystkich mięśniach podobny. Skurcz jest wynikiem oddziaływań pomiędzy znajdującymi się w komórkach mięśniowych wyspecjalizowanymi białkami zwanymi białkami kurczliwymi.

     Elementami kurczliwymi są włókienka mięśniowe czyli miofibrylle. W mięśniach poprzecznie prążkowanych obrazy mikroskopowe włókienek mięśniowych ukazują charakterystyczne, poprzecznie ułożone prążki, od których pochodzi nazwa tej grupy mięśni. Jednostkami czynnymi są powtarzające się wzdłuż włókienka segmenty zwane sarkomerami.

Ryc. 1 - Schemat sarkomeru.

Środek sarkomeru stanowią nitkowate twory miofilamenty grube zbudowane z cząsteczek białka - miozyny. Końcowe części sarkomeru utworzone są z miofilamentów aktynowych. Filamenty te są około dwukrotnie cieńsze od filamentów miozynowych. Nitki aktyny przymocowane są końcami do linii Z ograniczających sarkomer. Przyśrodkowe końce filamentów aktynowych wsunięte są pomiędzy filamenty miozynowe.

Również w mięśniach gładkich skurcz jest wynikiem wzajemnego oddziaływania grubych i cienkich filamentów.

   Zgodnie z obecnie przyjętym poglądem, noszącym nazwę ślizgowej teorii skurczu, w czasie skurczu oddziaływanie pomiędzy aktyną i miozyną powoduje wsuwanie się filamentów aktynowych głębiej pomiędzy filamenty miozynowe co prowadzi do skracania się sarkomeru. Zjawisko to występuje synchronicznie we wszystkich sąrkomerach pobudzonego włókna i w efekcie daje skrócenie całej komórki. Jest to praca mechaniczna, do której energii dostarcza występujący równocześnie rozpad ATP do ADP i nieorganicznego fosforanu. To przetwarzanie energii chemicznej w mechaniczną jest możliwe dzięki specyficznym właściwościom białek kurczliwych aktyny i miozyny. Związanie się aktyny z miozyną przyspiesza hydrolizę ATP.

Dla mięśni prążkowanych charakterystyczna jest regulacja skurczu poprzez miofilament aktynowy, polegająca na kontrolowaniu wiązania się aktyny z miozyną. Systemem modulującym ten proces jest w mięśniach poprzecznie prążkowanych układ topomiozyna - troponina.

Ryc. 3 - fazy skurczu

     W stanie rozkurczu, aktyna i miozyna nie są ze sobą połączone.  W tej fazie troponina I osłabia zdolność aktyny do wiązania się z miozyną hamując tym samym hydrolizę ATP (proces ten jest wzmagany przez tropomiozynę.) Hydroliza ATP związanego przez miozynę jest powolna.

Zwiększenie stężenia jonów wapnia w środowisku powoduje powstanie kompleksu utworzonego z 4 jonów Ca i troponiny C. Po związaniu wapnia następuje zmiana konfiguracji troponiny C powodująca silniejsze wzajemne związanie się troponin I, T i C. Osłabieniu natomiast ulega związanie troponin z tropomiozyną i aktyną. Tropomiozyna zmienia swoje położenie względem aktyny umożliwiając oddziaływanie aktyny z miozyną. Hydroliza ATP ulega przyspieszeniu ponieważ obecność aktyny ułatwia odłączenie się fosforanu. Odłączeniu się fosforanu towarzyszy zmiana konformacji mostka poprzecznego łączącego aktynę z miozyną, powodująca przemieszczanie się miofilamentów względem siebie. Jest to moment powstawania siły skurczu. Cykl kończy się uwolnieniem cząsteczki ADP i przyłączeniem nowej cząsteczki ATP. Powstały kompleks aktomiozyna - ATP jest niestabilny. Następuje szybkie odłączenie się kompleksu miozyna - ATP od

aktyny, ponowna zmiana konformacji mostka i jego przyłączenie do kolejnego miejsca wiązania na filamencie aktynowym. Proces rozpoczyna się od nowa. Wycofanie wapnia z układu blokuje zdolność aktyny do tworzenia kompleksu z miozyną.

Cechą różniącą skurcz mięśni gładkich i mięśni szkieletowych jest inny mechanizm inicjujący tworzenie się mostków poprzecznych pomiędzy aktyną i miozyną. Ponieważ  w mięśniach gładkich mechanizm inicjujący proces skurczu jest związany z miozyną.

     Od końca lat 70-tych wiadomo, że w mięśniach gładkich nie ma troponiny C. Obecnie powszechnie akceptowany jest pogląd, że procesem inicjującym skurcz mięśni gładkich jest fosforylacja lekkiego łańcucha miozyny przez zależną od kalmoduliny i wapnia kinazę lekkich łańcuchów miozyny.

W obu typach mięśni czynnikiem inicjującym skurcz jest wzrost stężenia jonów wapnia w cytoplazmie. Dwa podstawowe źródła wapnia aktywującego skurcz to przestrzeń pozakomórkowa i wewnątrzkomórkowe struktury zdolne gromadzić i uwalniać wapń.

     W przestrzeni pozakomórkowej wapń występuje w formie zjonizowanej oraz luźno związany z zewnętrzną powierzchnią błony komórkowej lub białkami. Wewnątrz komórki miejscem gromadzenia wapnia jest przede wszystkim siateczka sarkoplazmatyczna.

     Stężenie wolnych jonów wapnia w środowisku pozakomórkowym jest około 10 tys. razy większe niż w cytoplazmie. Utrzymanie tak znacznego gradientu stężeń wynika przede wszystkim z istnienia bariery jaka stanowi błona plazmatyczna charakteryzująca się bardzo małą przepuszczalnością dla jonów wapnia.

     Skurcz mięśni szkieletowych jest reakcją na sygnał przesłany przez układ nerwowy. Ciąg zdarzeń prowadzących od pobudzenia elektrycznego błony do reakcji w postaci skurczu nosi nazwę sprzężenia elektromechanicznego. Docierający do synapsy bodziec powoduje pobudzenie sarkolemy tzn. wytwarzanie przez nią potencjałów czynnościowych. Ryc. W błonie komórek mięśni poprzecznie prążkowanych znajdują się regularnie rozmieszczone zagłębienia sięgające w głąb komórki. Jest to system poprzecznych kanalików zwanych tubulami T. Inną strukturą komórkową odgrywającą ważną rolę w regulacji skurczu jest siateczka sarkoplazmatyczna. Siateczka sarkoplazmatyczna jest ograniczona błoną białkowo-lipidową posiadającą zdolność aktywnego wychwytywania i magazynowania jonów wapnia. W czasie potencjału czynnościowego, depolaryzacja tubul T powoduje otwarcie w sarkolemie zależnych od potencjału kanałów wapniowych (kanały typu L) i napływanie wapnia do wnętrza komórki.

Towarzyszy mu aktywacja kanałów wapniowych znajdujących się w siateczce sarkoplazmatycznej. W mięśniach szkieletowych depolaryzacja błon cewek poprzecznych powodująca zmianę konformacji kanałów wapniowych L wymusza zmianę konformacji usytuowanego w pobliżu receptora rianodynowego stanowiącego jednocześnie kanał wapniowy siateczki sarkoplazmatycznej. Powoduje to jego otwarcie i uwalnianie jonów wapnia do cytoplazmy. W mięśni sercowym proces ten przebiega nieco inaczej. Jony wapnia wchodzące do cytoplazmy przez kanały zależne od napięcia działają na receptor ryanodynowy siateczki sarkoplazmatycznej powodując aktywacje kanałów i napływanie wapnia do cytoplazmy. Uwalniane w czasie pobudzenia jony wapnia okresowo podnoszą stężenie zjonizowanego wapnia w pobliżu filamentów układu białek kurczliwych co inicjuje cykliczne powstawanie i rozpad mostków pomiędzy aktyną i miozyną.

              W przeciwieństwie do mięśni szkieletowych, czynność skurczowa mięśni gładkich nie jest tak jednoznacznie przyporządkowana sygnałom płynącym z układu nerwowego. Gęstość zakończeń nerwowych zależy od rodzaju mięśnia i jest dość zróżnicowana. Ponadto wiele mięśni gładkich posiada zdolność spontanicznego wytwarzania potencjałów czynnościowych, przenoszonych z komórki na komórkę dzięki niskooporowym połączeniom międzykomórkowym. Takimi spontanicznie kurczącymi się mięśniami są np. mięśnie przewodu pokarmowego i mięsień macicy.

     Inna budowa mięśni gładkich i prążkowanych pociąga za sobą różnice w sposobie sprzężenia pobudzenia ze skurczem. Pobudzenie komórki mięśnia gładkiego może powstać albo na skutek zdepolaryzowania błony komórkowej przez impuls elektryczny przekazany z innej komórki, lub w wyniku oddziaływania substancji chemicznej powodującej pobudzenie receptorów błonowych. Zdepolaryzowanie błony prowadzi do skurczu poprzez sprzężenie elektromechaniczne:

               RYC. - sprzężenie elektromechaniczne             

     Sprzężenie  elektromechaniczne  w   mięśniu   gładkim   można przedstawić schematycznie jako ciąg  następujących zjawisk: Depolaryzacja powoduje otwarcie  kanałów  wapniowych  zależnych  od napięcia.  Powoduje  to  napływanie  wapnia  z  przestrzeni  pozakomórkowej  do  cytoplazmy.  Napływający  wapń  może  uwalniać  wapń zmagazynowany w strukturach wewnątrzkomórkowych co  wzmaga  wzrost stężenia wapnia w myoplazmie. W tych warunkach  kalmodulina  wiąże się z jonami wapnia i aktywuje kinazę lekkich  łańcuchów  miozyny. Fosforylacja  miozyny  rozpoczyna   proces przemieszczania   się miofilamentów co jak wiadomo  prowadzi  do  skurczu. 

W przypadku pobudzenia skurczu w wyniku działania na receptor błonowy ciąg zdarzeń prowadzących od pobudzenia receptora do reakcji w postaci skurczu nosi nazwę sprzężenia farmakomechanicznego.  Agonista pobudza skurcz mięśni  gładkich  przez  oddziaływanie na receptor błonowy Pobudzenie receptora uruchamia dwa ciągi zjawisk:

     1.Oddziaływanie z białkiem G aktywuje fosfolipazę C co  prowadzi do hydrolizy difosforanu  fosfatydyloinozytolu  (PIP). Powstają dwa przekaźniki drugiego rzędu - trifosforan  inozytolu  (IP)  i diacyloglicerol (DAG). IP przez działanie na specyficzny receptor inicjuje uwolnienie wapnia z magazynów wewnątrzkomórkowych. Efektem wzrostu stężenia wapnia jest nie tylko fosforylacja miozyny lecz również aktywacja dwóch rodzajów kanałów zależnych od wapnia. Są to kanały chlorowe i kanały potasowe.

    2. Otwarcie kanałów chlorowych powoduje wypływanie jonów chloru z komórki. Skutkiem ucieczki chloru jest  narastająca  depolaryzacja błony komórkowej spowalniana i osłabiana przez hiperpolaryzujące działanie wypływających z komórki jonów potasu. Rezultatem depolaryzacji jest otwarcie zależnych od napięcia kanałów wapniowych (kanały typu L) i dalszy wzrost stężenia jonów wapnia.

Pomimo dość wyraźnych różnic w mechanizmach pobudzania mięśni

poprzecznie prążkowanych i gładkich niektóre z mechanicznych właściwości są w obu typach mięśni podobne.

Huxley wykazał, że model mostków może ilościowo przewidzieć mechaniczne właściwości komórki mięśni szkieletowych.

Podstawowe cechy teorii ślizgowej to:

1. mostki są niezależnymi elementami generującymi siłę;

2. siła jest funkcja liczby mostków zdolnych oddziaływać z cienkimi filamentami;

3. Szybkość skracania określa średnia szybkość odtwarzania i rozpadu mostków, która z kolei zależy od obciążenia i izoformy miozyny znajdującej się w cząsteczce.

    Zależność pomiędzy szybkością skracania i obciążeniem podaje równanie Hilla:

            V =b(Fmax-F):(F+a)    

   F - jest to siła rozwijana przez mięsień równa co do wielkości sile obciążenia. Wykresem tego równania jest quasi hiperbola.

Szybkość skracania jest największa gdy F = 0. W miarę wzrostu F szybkość maleje, a kiedy F = Fmax prędkość V = 0. Tzn., że w tych warunkach mięsień rozwija siłę ale jego długość nie ulega zmianie.

Właściwości mechaniczne mięśni są dość złożone. W stanie spoczynku, nie występują wiązania pomiędzy aktyną i miozyną, które przeciwdziałałyby ich przemieszczaniu względem siebie. Dlatego przy małych odkształceniach, mięsień wydłuża się nawet pod działaniem bardzo małych sił, czyli wykazuje właściwości plastyczne. Jednak w miarę rozciągania narasta w nim napięcie mechaniczne wynikające z występujących w tkance również elementów o właściwościach sprężystych, reagujących naprężeniem na wzrost odkształcenia. Lepko - sprężyste zachowanie się dowolnego materiału charakteryzują dwa zjawiska: relaksacja naprężenia - czyli zmniejszanie się naprężenia powstałego po nagłym wydłużeniu i pełzanie - tzn. opóźniona zmiana długości po nagłej zmianie naprężenia. Obie te właściwości można łatwo zauważyć w czasie rejestracji czynności skurczowej izolowanych mięśni. Na właściwości lepko - plastyczne mięśnia nakładają się efekty aktywnego skurczu wynikającego z pobudzenia układu białek kurczliwych. Zależność biernego i czynnego naprężenia mięśnia szkieletowego od długości mięśnia przedstawia rycina. Zmiana długości początkowo nie powoduje wzrostu napięcia biernego. Również napięcie aktywne jest przy małych wydłużeniach niewielkie. Wydłużanie powoduje stale narastanie napięcia biernego; napięcie aktywne wzrasta do pewnej wartości a potem maleje.

Mięśnie szkieletowe są zwykle nie napięte ponieważ szkielet przejmuje większość obciążeń związanych z grawitacją. Organizacja całego mięśnia i jego połączenia ze szkieletem powoduje, że siła skurczu może być stopniowana przez aktywowanie coraz to większej liczby komórek. Aktywne komórki  mięśni skracają się raptownie i cechuje je duża lub bardzo duża moc wyjściowa. Maksymalna moc wyjściowa w optymalnie obciążonym mięśniu ssaków w t = 370C zależy od rozmiarów zwierzęcia i może osiągać nawet kilkaset W/kg masy ciała. Szybkość zużycia ATP przez krążące mostki jest proporcjonalna do mocy wyjściowej i może osiągać znaczne wartości. Wydajność chemo-mechanicznego przetwarzania podawana przez rożnych autorów jest różna ale najczęściej szacowana jest na  25%. Pozostała cześć energii jest tracona w postaci ciepła.

Maksymalne napięcie rozwijane jest przez  mięsień  gładki przy większych odkształceniach niż to ma miejsce w mięśniach prążkowanych. Istotne są również różnice mocy wyjściowej rozwijanej przez oba typy mięśni. Komórki mięśni gładkich są sprzężone mechanicznie a ich pobudzenie przebiega w sposób skoordynowany. Gradacja siły jest osiągana przez zróżnicowanie poziomu aktywacji układu kurczliwego we wszystkich mechanicznie połączonych komórkach. Pomimo, że mięśnie gładkie wykonują pracę, ich rola fizjologiczna nie wymaga dużej mocy wyjściowej. Wytrzymywanie dużych obciążeń jakim jest np. ciśnienie krwi nie jest związane z wykonywanie pracy w sensie fizycznym. Wydajność chemomechaniczna jest mniejsza ale mniejszy jest również koszt energetyczny utrzymania siły. Mięśnie gładkie, przy mniejszej wydajności, generują taką samą siłę na jedną komórkę jak mięśnie szkieletowe.  Zawartość miozyny jest czterokrotnie mniejsza a kilkaset razy niższa jest szybkość zużycia ATP.