Biofizyka tkanki mięśniowej

Mechanizm powstawania skurczu komórek mięśniowych

• Wspólną cechą wszystkich typów mięśni jest zdolność do odpowiadania skurczem na docierające do nich sygnały pobudzające.

• Skurcz jest wynikiem oddziaływań pomiędzy znajdującymi się w każdej komórce mięśniowej wyspecjalizowanymi białkami zwanymi białkami kurczliwymi. Z tych białek zbudowane są miofilamenty czyli nitkowate struktury stanowiące podstawę „silnika molekularnego” przetwarzającego energię chemiczną w energię mechaniczną.

Komórki mięśni poprzecznie prążkowanych charakteryzują się wydłużonym kształtem i długością od kilkudziesięciu mikrometrów (komórki mięśnia sercowego) do kilkudziesięciu centymetrów (komórki mięśnia szkieletowego). Elementami kurczliwymi są biegnące przez całą długość komórki włókienka mięśniowe. Jednostkami czynnymi są powtarzające się wzdłuż włókienka segmenty zwane sarkomerami. Środek sarkomeru stanowią mikrofilamenty grube zbudowane z cząsteczek białka – miozyny. Są one ułożone równolegle do osi podłużnej włókienka. Końcowe części sarkomeru utworzone są z miofilamentów cienkich, których głównym składnikiem jest aktyna. Jeden koniec miofilamentu aktynowego jest przymocowany do syku Z ograniczającego sarkomer, drugi – wsunięty pomiędzy miofilamenty miozynowe. Każdy miofilament miozyny otoczony jest przez 6 miofilamentów aktynowych

Ślizgowa teoria skurczu

• Zgodnie z obecnie przyjętym poglądem noszącym nazwę „ślizgowej teorii skurczu” oddziaływanie pomiędzy aktyną i miozyną powoduje wsuwanie się miofilamentów aktynowych głębiej pomiędzy miofilamenty miozynowe, co prowadzi do skracania się komórki.

• Jest to praca mechaniczna, do której energii dostarcza występujący równocześnie rozpad ATP do ADP i nieorganicznego fosforanu. Takie przetwarzanie energii chemicznej w mechaniczną jest możliwe dzięki specyficznym właściwościom białek kurczliwych – aktyny i miozyny.

• Cząsteczka miozyny ma postać wydłużonej pałeczki zakończonej z jednej strony maczugowatym zgrubieniem złożonym z 2 podjednostek zwanych głowami miozyny. Część podłużna ma strukturę podwójnej spirali α. Głowy miozyny mają strukturę globularną. Dwie głowy cząsteczki miozyny razem tworzą mostek poprzeczny, który w procesie powstawania skurczu łączy gruby miofilament miozyny z cienkim miofilamentem aktynowym. Na głowach cząsteczki miozyny znajdują się miejsca wiązania aktyny i ATP.

• Aktyna – istnieje w 2 formach: monomerycznej czyli globularnej (aktyna G) i polimerycznej – fibrylarnej o podwójnej spirali (aktyna F). W mięśniach poprzecznie prążkowanych w spiralę tę wpleciony jest kompleks białkowy tropomiozyna-troponina

• Troponina składa się z 3 podjednostek: troponiny I, troponiny T oraz wiążącej wapń troponiny C.

• W mięśniach gładkich nie występuje kompleks troponiny.

• Oprócz aktyny i tropomiozyny w skład cienkich miofilamentów z mięśni gładkich wchodzą dwa białka – kaldeson i kalponina.

• We wszystkich komórkach mięśniowych sygnałem inicjującym oddziaływanie aktyny z miozyną jest wzrost stężenia jonów wapnia w sarkoplazmie.

• Zwiększenie stężenia wapnia pobudza wzajemne oddziaływania aktyny i miozyny. Powstaje kompleks białkowy aktomiozyna, a szybkość hydrolizowania ATP wzrasta, ponieważ obecność aktyny ułatwia odłączenie się fosforanu.

• Dwa podstawowe źródła wapnia aktywującego skurcz to przestrzeń zewnątrzkomórkowa i wewnątrzkomórkowe struktury zdolne gromadzić i uwalniać wapń.

• W przestrzeni zewnątrzkomórkowej wapń występuje w formie zjonizowanej oraz luźno związanej z zewnętrzną powierzchnią błony komórkowej i białkami.

• W komórce – miejscem gromadzenia wapnia jest przede wszystkim siateczka sarkoplazmatyczna. Wewnątrz siateczki znajduje się kalsekwestryna, białko zdolne do odwracalnego wiązania dużej liczby jonów wapnia.

• Stężenie wolnych jonów wapnia w środowisku zewnątrzkomórkowych jest około 10 000 razy większe niż w cytoplazmie komórki nie pobudzonej

• Utrzymanie tak znacznego gradientu stężeń wynika z istnienia bariery, jaką stanowi sarkolema i układów usuwających wapń poza komórkę. Podstawę tych układów stanowią białka integralne (transmembranowe) wbudowane w błonę komórki: zależna od ATP pompa wapniowa, obniżająca stężenie jonów wapnia w cytoplazmie kosztem energii pochodzącej z hydrolizy ATP i wymiennik Na⁺/Ca²⁺, który sprzęga przenoszenie wapnia z komórki na zewnątrz ze spontanicznym napływem jonów sodu, wynikającym z gradientem ich stężenia (tak zwany antypart).

• Dzięki obecności kalsekwestryny gradient stężenia jonów wapnia pomiędzy cytoplazmą i wnętrzem siateczki sarkoplazmatycznej jest znacznie niższy. Gradient ten jest utrzymywany dzięki małej przepuszczalności błony siateczki dla jonów wapnia i występowania w niej pompy wapniowej z sarkolemy

• W błonie komórek mięśni poprzecznie prążkowanych znajdują się regularnie rozmieszczone zagłębienia sięgające w głąb komórki i opasująca sarkomery. Jest to system poprzecznych kanalików T zwanych również tubulami poprzecznymi T. Kanaliki poprzeczne T stanowią anatomiczną podstawę przenoszenia sygnału do skurczu z powierzchni sarkolemy do wnętrza włókna

• Mięśnie szkieletowe nie kurczą się spontanicznie. Sygnał do skurczu przekazywany jest z neuronu ruchowego przez synapsę nerwowo-mięśniową. Potencjał czynnościowy nerwu ruchowego docierający do synapsy powoduje depolaryzację błony presynaptycznej i uwolnienie acetylocholiny, która dyfunduje przez szczelinę synaptyczną i łączy się z receptorem cholinergicznym (receptor nikotynowy) znajdującym się w błonie presynaptycznej, stanowiącej część sarkolemy.

• Receptor nikotynowy jest kompleksem białkowym posiadającym właściwości kanału jonowego.

• Związanie acetylocholiny przez receptor nikotynowy powoduje powstanie w jego centrum uwodnionej szczeliny, którą do wnętrza komórki napływają jony, głównie sodu

• Prąd przenoszony przez napływające do cytoplazmy jony Na⁺ depolaryzuje błonę, pobudzając sarkolemę do wytwarzania potencjałów czynnościowych, które wzdłuż błon tubul poprzecznych T docierają w głąb komórki inicjując ciąg zjawisk prowadzących do aktywacji układu białek kurczliwych nazywany sprzężeniem elektromechanicznym.

• W mięśniach szkieletowych przekazywanie pobudzenia z sarkolemy do wnętrza komórki następuje w wyspecjalizowanych obszarach sąsiadujących ze sobą błon: błony tubuli poprzecznej T i błony zbiornika brzeżnego siateczki sarkoplazmatycznej

• W czasie potencjału czynnościowego depolaryzacja kanalików poprzecznych T powoduje otwarcie kanału wapniowego, a jony wapnia napływają do sarkoplazmy.

• Wzrost stężenia jonów wapnia jest zjawiskiem przejściowym. Po chwilowym otwarciu kanały wapniowe ulegają inaktywacji, hamując napływ jonów wapnia do sarkoplazmy, a pompy wapniowe i wymiennik Na⁺/Ca²⁺ przywracają niskie stężenie wyjściowe (około 10^-5 mol/l). Przy tym stężeniu aktyna traci zdolność do tworzenia kompleksu z miozyną i następuje rozkurcz

• Właściwości mechaniczne mięśni

• Mięśnie w organizmie żywym przekształcają bezpośrednio energię chemiczną w energię mechaniczną (pracę) i/lub ciepło, w ten sposób stanowią swoiste silniki chemiczne.

• Mięśnie poprzecznie prążkowane są przystosowane do szybkich skurczów, podlegających kontroli OUN, czyli ich aktywność ma naturę neurogenną (wyjątek stanowi mięsień sercowy zbudowany z mięśni poprzecznie prążkowanych i podłużnie prążkowanych podlegających kontroli autonomicznego układu nerwowego)

• Mięśnie gładkie z reguły wykonują powolne, długotrwałe skurcze, które nie podlegają kontroli OUN, wykazuje tak zwaną spontaniczną – miogenną aktywność

• Ich skurcze inicjują wyspecjalizowane komórki rozrusznikowe podobne do tych sterujących skurczami serca.

• Mięsnie gładkie kurczą się stosunkowo małym nakładem energii.

• Istnieją mięśnie gładkie praktycznie pozbawione aktywności spontanicznej. Należą to nich np. mięśnie tętnic, żył, nasieniowodów i tęczówki.

• Rozciąganie mięśnia krawieckiego żaby

• Moduł sprężystości mięśnia (moduł Younga) – rozciąganie mięśnia niepobudzonego

• Po początkowym szybkim wzroście siły wywieranej przez mięsień w chwili rozciągnięcia do żądanej długości obserwujemy dalej jej wykładniczy spadek w funkcji czasu do pewnej stałej wartości, która zależy od ustalonej początkowej długości mięśnia. Mówimy, że siłą wywierana przez mięsień osiąga wartość nasycenia. Takie zachowanie mięśnia nazywa się relaksacją naprężenia

• Moduł Younga mięśnia niepobudzonego zależy od jego długości – jest mały dla małych długości mięśnia i rośnie wraz z jej wzrostem. Zatem dla małych długości mięsień niepobudzony zachowuje się jak podatne na odkształcenie ciało plastyczne lepkie.

• Ze wzrostem długości zaczynają dominować właściwości sprężyste mięśnia. Można zatem mówić o lepko-sprężystych właściwościach mięśnia

• Mięsień pobudzony

• Podstawową właściwością mięśnia jest zdolność do wywierania siły, której wielkość zależy od długości i stanu mięśnia.

• Siła mięśnia jest sumą sił oddzielnych włókien (komórek) mięśniowych.

• Im większy przekrój poprzeczny mięśnia, z tym większą siłą on działa.

• W organizmie człowieka mięśnie szkieletowe przekazują siłę kościom szkieletu za pośrednictwem elastycznych, rozciągliwych struktur – ścięgien.

• W czasie rozwijania siły postaje tendencja do skracania mięśnia i w następstwie do rozciągnięcia i naprężenia struktur elastycznych łączących mięśnie z kośćmi

• Taki skurcz mięśnia, w którym skracaniu mięśnia towarzyszy wzrost rozwijanej przez niego siły, nazywa się skurczem auksotonicznym.

• Maksymalna siłą mięśnia zmierzona w doświadczeniach auksotonicznych (w obecności rozciągliwego, elastycznego połączenia pomiędzy mięśniem i siłomierzem) nazywa się maksymalnym skurczem auksotonicznym.

• Jest ona znacznie mniejsza niż siłą skurczu rozwijana w warunkach stałej długości czyli w skurczu izomerycznym.

• W badaniach skurczu izomerycznego mięsień w stanie spoczynku mocuje się za oba końce, tak że przy pomiarze naprężenia w czasie aktywacji mięśnia jego długość nie może ulegać zmianie

• Energetyka mięśnia

• Mięsień skracając się wykonuje pracę zewnętrzną W oraz pracę związaną z pokonywaniem sił tarcia zwaną pracą wewnętrzną, która to praca ulega zmianie na ciepło skracania q.

• Praca zewnętrzna – przy założeniu, że masa obciążenia w trakcie ruchu nie ulega przyśpieszeniu – wyraża się wzorem:

• W = F x

• gdzie: x długość skrócenia

• F siłą obciążenia mięśnia

• Prawa ruchu

• Ruch ciała możemy zmienić, jeśli poddamy ciało oddziaływaniu. Będziemy chcieli zastanowić się nad tym w jaki sposób dochodzi do ruchu ciała. Będziemy chcieli zrozumieć, dlaczego ciało drga na sprężynie, dlaczego zatrzymuje się po pewnym czasie, dlaczego w pewnych przypadkach wprawiamy ciało w ruch nawet wtedy, gdy na to ciało bezpośrednio nie oddziałujemy

• I zasada dynamiki Newtona

• Już Galileusz zauważył, że każde ciało, jeśli na nie nie działa żadne zewnętrzne zaburzenie spoczywa, lub porusza się ze stałą prędkością.

• Aby wprawić ciało w ruch, musimy pokonać pewną jego własność zwaną bezwładnością.

• Newton przyjął obserwacje Galileusza i sformułował

• I Zasadę Dynamiki zwaną też Zasadą Bezwładności

• Ciało odosobnione zawsze pozostaje w spoczynku, lub porusza się ruchem jednostajnym po linii prostej

• Opis odosobnionej cząstki, o której mówimy w I zasadzie dynamiki Newtona zależy również od układu odniesienia.

• Taki układ odniesienia względem którego cząstka nie podlega oddziaływaniu, spoczywa lub porusza się ruchem jednostajnym po linii prostej, nazywamy układem inercjalnym.

• Chcielibyśmy jakościowo sformułować własność ciała zwaną bezwładnością.

• Z obserwacji wiemy, że aby zmienić stan ciała poruszającego się np. ruchem jednostajnym, musimy ciało „popchnąć” lub „pociągnąć”. Musimy na to ciało zadziałać pewną siłą

• Możemy więc powiedzieć, że ze względu na bezwładność materii konieczna jest siła aby zmienić stan ruchu ciała.

• Zapytamy się jaka siła będzie potrzebna aby nadać ciału określone przyśpieszenie

• Statyczny pomiar siły

• Zastanówmy się w jaki sposób dochodzimy do pojęcia siły. Co jest wspólnego w naszych poczynaniach co prowadzi do pojęcia siły?

• Podstawową własnością siły jest to, że możemy ją zmierzyć, tzn. w pewien sposób porównać ją z inną siłą. Jako miernik siły weźmy sobie sprężynę

• Dochodzimy do wniosku, że sile musimy przyporządkować punkt zaczepienia, oraz kierunek. Oznacza to, że możemy ją opisać przez jakiś wektor F. Wielkość siły możemy określić z wydłużenia sprężyny. Ponieważ wielkość wydłużenia zależy od materiału,

• musimy sprężynę wycechować, tzn. porównać z siłą, która zawsze i wszędzie jest zdefiniowana w ten sam sposób, np. z siłą wynikającą z prawa powszechnego ciążenia. Jeśli sprężynę obciążymy masą, to sprężyna wydłuży się o Δl.

• Dlaczego? – bo masa jest przyciągana przez siłę grawitacji. Gdy sprężyna znajdzie się w spoczynku, siła grawitacji jest równoważona przez siłę sprężystości. Jeśli obciążymy sprężynę następną kulką o masie m1 sprężyna wydłuży się ponownie o Δl., itd.. Możemy więc wyciągnąć wniosek, że wydłużenie sprężyny Δz zwiększa się liniowo w stosunku do przyłożonej siłyMożemy to zapisać jako:…………………..

• Znak siły jest ujemny, gdyż siła sprężystości sprężyny sprzeciwia się wydłużaniu. Wyrażenie podane we wzorze na wcześniejszym przeźroczu jest znane jako Prawo Hooke’a. Prawo to jest ważne dla wszystkich materiałów i rodzajów deformacji, o ile deformacja jest mała. Bardzo często zamiast sprężyny stosujemy pręt z danego materiału. Dla przypadku podanego na rysunku, Prawo Hooke’a można napisać następująco;……………………..

• II zasada dynamiki Newtona

• Zbadajmy na ławie powietrznej wpływ siły F_g na ruch wózka o masie m_C mogącego poruszać się bez tarcia.

• Wyznaczmy pokonaną drogę, a z niej prędkość i przyśpieszenie w funkcji czasu wykonując eksperyment przedstawiony na następnej stronie.

• Siła działająca na cząstkę jest równa iloczynowi masy bezwładnej razy przyśpieszenie cząstki, które to przyśpieszenie cząstka uzyskała pod wpływem działania siły w układzie inercjalnym.

• Inaczej mówiąc: Jeżeli cząstka porusza się z przyśpieszeniem a w układzie inercjalnym, to działa na nią siła równa iloczynowi masy bezwładnej cząstki i jej przyśpieszenia. Jednostką siły w układzie SI jest jeden niuton [1N].

• Jeśli na dwie różne masy podziałamy tą samą siłą, to możemy napisać………………

• Widzimy więc, że pod wpływem tej samej siły większa masa ulega mniejszemu przyśpieszeniu, a mniejsza większemu.

• Masa bezwładna jest miarą oporu jaki cząstka stawia przyśpieszeniom. Siłą jaka działa na cząstkę najczęściej zależy od położenia cząstki, czyli od wektora r definiującego to położenie. Siła ta

• może jednak zależeć również od prędkości cząstki…………….

• , Znając warunki początkowe, czyli wartości , możemy równanie to rozwiązać jednoznacznie,czyli podać funkcję położenia cząstki dla dowolnej chwili t > t₀

• .