POPREČNO-PRUGASTA SKELETNA MUSKULATURA Opšta fiziologija sa biofizikom 2014/2015
MUSKULATURA 1.SKELETNA 2.SRČANA 3.GLATKA
SKELETNI MIŠIĆ Kost Tetiva Epimisium Epimisium Perimisium Endomisium Mišićno vlakno Krvni sud Perimisium Endomisium (između vlakana) Mišićno vlakno (mišićna ćelija) Perimisium Miofibrili
MIŠIĆNE ĆELIJE = MIŠIĆNA VLAKNA Nastaju tokom embriogeneze spajanjem većeg broja mišićnih ćelija, zbog toga su višejedarne. Nemaju sposobnost deobe nakon rođenja u organizmu je prisutan ukupan broj mišićnih vlakana. Imaju sposobnost rasta i povećanja volumena. Ćelijska membrana = sarkolema; citoplazma = sarkoplazma
Miofilamenti (aktin i miozin) Miofibril Sarkomera Poprečna prugavost potiče od razlika u indeksu prelamanja svetlosti za razne delove mišićnog vlakna.
MIŠIĆ MIŠIĆNA VLAKNA MIOFIBRILI SARKOMERA (fiziološka dužina 1.5-3.5 m) Anizotropna (A) zona sadrži i tanke i debele niti Izotropna (I) zona sadrži samo tanke niti Z membrana - na sredini I zone H zona - deo u centru A zone gde ne dopiru tanke niti; u sredini ove zone je M linija
Jedro I zona A zona Z membrana Mitohondrije Sarkolema Otvor T tubula Sarkoplazmatski retikulum (proteže se od jednog do drugog T-tubularnog sistema) Trijade: Terminalne cisterne (u njima smešteni Ca 2+ joni) T - tubule Miofibrile Sarkoplazma
DEBELE NITI - građene su od molekula MIOZINA (6 polipeptidnih lanaca: 2 teška + 4 laka lanca) Dva α heliksa Amino-kraj Laki lanci miozina Miozinska glava Teški lanac miozina Tripsin Laki meromiozin Teški meromiozin Papain C-kraj Rep (teški lanac miozina) Globularni delovi miozinske glave
M linija Jedna debela (miozinska) nit sastoji se od nekiliko stotina miozinskih molekula pakovanih tako da se miozinske glave projektuju sa oba kraja, a odsustvuju jedino u sredini niti i taj deo na nivou sarkomere formira M liniju.
Vezno mesto za aktin GLAVA MIOZINA Esencijalni laki lanci miozina Vezno mesto za ATP (ATP-azna aktivnost) Regulatorni laki lanci miozina Mogu da budu fosforilisani specifičnom kinazom i defosforilisani specifičnom fosfatazom.
TANKE NITI - građene su od molekula AKTINA, TROPOMIOZINA I TROPONINA U mirovanju, svaki molekul tropomiozina prekriva po sedam veznih mesta na aktinu za miozin. Monomerni G-aktin ATP fiziol. uslovi Fibrilarni F-aktin Dva lanca se upliću i daju osnovu tanke niti Tropomiozin homodimer, dva lanca upletena i formiraju fibrilarnu strukturu koja se umeće u ulegnuća F-aktinskog heliksa Troponin: TnC Ca 2+ vezujući protein; TnI vezuje se za aktin; TnT vezuje se sa tropomiozinom.
Dezinhibicija veznih mesta na aktinu vezivanje kalcijuma za TnC subjedinicu troponina, menja njegovu konformaciju što pomera tropomiozin i oslobađa vezna mesta na aktinu.
Distrofin povezuje aktinske filamente sa transmembranskim proteinom β-distroglikanom u sarkolemi. β-distroglikan je preko α-distroglikana povezan sa lamininom ekstracelularnog matriksa. DISTROFIN-GLIKOPROTEIN KOMPLEKS
Titin veliki protein koji povezuje Z liniju sa M linijom. Obezbeđuje elastičnost mišića. Ima 2 folded domena koja omogućavaju mali otpor prilikom istezanja. Aktinin vezuje aktin za Z membranu Dezmin - vezuje Z liniju za plazma membranu.
TOKOM MIŠIĆNE KONTRAKCIJE Sarkomera se skraćuje. Ne menja se dužina tankih i debelih niti. Smanjuju se I zona i H zona.
Model klizećeg filamenta snaga mišićne kontrakcije nastaje u procesu kliženja aktinskih među miozinske niti.
Ca 2+ - otkrivanje veznih mesta na aktinu započinje ciklus stvaranja i raskidanja poprečnih veza. Miozin u visokoenergetskom stanju. Miozin u visokoenergetskom stanju. Vezna mesta na aktinu inhibisana. Zaveslaj Vezivanje miozina za aktin oslobađanje Pi i ADP glava se pomera prema centru sarkomere prelazak miozina u niskoenergetsko stanje. Aktinski filamenti klize ka centru sarkomere. CIKLUS SE PONAVLJA SVE DOK JE DOSTUPAN ATP I DOK JE KONCENTRACIJA Ca 2+ IZNAD PRAGOVNIH VREDNOSTI (10-7 mol/l) Razdvajanje aktina i miozina. Nov molekul ATP ulazi u katalitički centar u miozinskoj glavi smanjenje afiniteta aktina za miozin disocijacija.
CIKLUS VEZA AKTIN-MIOZIN
T-tubularni sistem: invaginacija sarkoleme u nivou Z-membrana ili na prelazu A u I zonu Sarkoplazmatski retikulum: bogato razvijen, okružuje miofibrile
U blizini T-tubula, SR sadrži terminalne cisterne u kojima su Ca 2+. T-tubula i dve terminalne cisterne formiraju TRIJADE.
SPREGA IZMEĐU ELEKTRIČNE I MEHANIČKE AKTIVNOSTI MIŠIĆA Ca 2+ -vezujući protein u SR Depolarizacija membrane T-tubula aktivacija Dihidropiridinski receptori (DHP-R) - u membranama T-tubula; voltažno zavisni L Ca 2+ kanali (naponski senzori) aktivacija Rijanodinski receptori u membranama SR; jonski kanali za Ca 2+, N-kraj u fizičkom kontaktu sa DHP-R Kanali za Ca 2+ se otvaraju, Ca 2+ izlazi iz terminalnih cisterni i oslobađa se u sarkoplazmu.
Ca 2+ u sarkoplazmi 10-7 mol/l Vezivanje Ca 2+ za TnC, promena njegove konformacije. Tropomiozin se pomera i oslobađaju se vezna mesta na aktinu za miozin. Započinje ciklus poprečnih veza između miozina i aktina i kliženje aktinskih niti među miozinske. Ciklus se ponavlja sve dok je [Ca 2+ ]>10-7 mol/l AKTIVNO STANJE - Relaksacija: neophodno aktivno pumpanje Ca 2+ u sarkoplazmatski retikulum i vezivanje ATP za miozinske glave, da bi došlo do razdvajanja aktina od miozina.
Da li ste znali...? FIZIOLOŠKA KONTRAKTURA RIGOR MORTIS (MRTVAČKA UKOČENOST) Nastaju kada se iscrpi energija potrebna za relaksaciju mišića. Ukoliko nema dovoljno ATP-a, ne dolazi do prekida poprečnih veza i mišić ostaje kontrahovan. Dakle, i za relaksaciju mišića je potrebna energija (za pumpanje Ca 2+ u SR i za razdvajanje aktina od miozina). Obično bolne senzacije i osećaj napora predstavljaju signal da je vreme za odmor. Ignorisanje ovih upozoravajućih signala može dovesti do ozbiljne potrošnje energije tako da mišić ne može da se relaksira.
Muscle Contraction Process: Molecular Mechanism [3D Animation] https://www.youtube.com/watch?v=bmt4ptxrcva
AKCIONI POTENCIJAL SKELETNOG MIŠIĆNOG VLAKNA Sličan AP nervnog vlakna, uz određene kvantitativne razlike. MPM = -90 mv Amplituda = 140 mv, prebačaj dostiže +50 mv Trajanje = 2-4 msec ARF = 1-3 msec v = 5 m/s Depolarizacija ulazna Na + struja Repolarizacija izlazna K + struja
MEHANIČKI MODEL SKELETNOG MIŠIĆNOG VLAKNA Kontraktilna komponenta Aktinske i miozinske niti Serijska elastična komponenta Paralelna elastična komponenta Elementi postavljeni serijski u odnosu na miofibrile: tetive, vezivno tkivo koje povezuje mišićna vlakna sa tetivama, Z-membrane... Sarkolema, vezivno tkivo oko snopova mišićnih vlakana Ravnotežna dužina - dužina mišića van organizma - manja od dužine mirovanja Dužina mirovanja - u organizmu
MIŠIĆNI TRZAJ ili MIŠIĆNA KONTRAKCIJA Faza kontrakcije Faza relaksacije Latentni period
VREMENSKA KORELACIJA ELEKTRIČNE I MEHANIČKE AKTIVNOSTI ARF apsolutna refraktorna faza a latentni period b faza kontrakcije c - faza relaksacije
IZOMETRIČNA KONTRAKCIJA Kontrakcija se manifestuje promenom napona mišića. Dužina mišića se ne menja. Mišić ne može da vrši spoljašnji rad.
IZOTONIČNA KONTRAKCIJA Uočiti period izometrične latence i pojavu izometričnog napona, kao i skraćenje dužine mišića u momentu kada napon postane veći od tereta koji mišić podiže. Tokom skraćenja napon se ne menja. Mišić može da vrši spoljašnji rad.
Razgibavanje! Izotonična Izometrična Izotonična Izotonična Izometrična Izotonična Izotonična Izometrična
ODNOS IZMEĐU DUŽINE MIŠIĆA I IZOMETRIČNOG NAPONA Aktivan napon (rezultat kontrakcije mišića) = ukupan napon koji se razvija pri stimulaciji pasivan napon (rezultat istezanja) Aktivan napon najveći je pri dužini mirovanja mišića, jer je tada optimalan položaj aktinskih i miozinskih niti i ostvaruje se maksimalan broj veza tokom trajanja aktivnog stanja. Pri istezanju ili sabijanju mišića odnos je nepovoljniji i razvija se manji napon.
ODNOS IZMEĐU DUŽINE SARKOMERE I NAPONA KOJI SE RAZVIJA PRI IZOMETRIČNOJ KONTRAKCIJI
ODGOVOR MIŠIĆA NA VARIRANJE INTENZITETA STIMULUSA Odstupanje od zakona sve ili ništa
RAD MIŠIĆA Spoljašnji rad mišića (g x mm) = teret (g) x put koji je teret prešao (mm) Maksimalan rad pri opterećenju koje isteže mišić na dužinu mirovanja Mišić opterećen toliko da je sprečeno njegovo skraćenje (izometrična kontrakcija)
ODNOS OPTEREĆENJA I BRZINE SKRAĆENJA Brzina skraćenja se smanjuje sa povećanjem opterećenja mišića. Maksimalna brzina se postiže kada je mišić neopterećen i tada ne vrši spoljašnji rad. Mišić opterećen toliko da je sprečeno njegovo skraćenje (izometrična kontrakcija).
SUMACIJA KONTRAKCIJA Povećanje napona pri sumiranoj kontrakciji! Jedan mišićni trzaj Sumacija Nepotpun (zupčasti) tetanus Potpun (glatki) tetanus
Produženo trajanje aktivnog stanja, odnosno ponovljeno oslobađanje Ca 2+ iz terminalnih cisterni pri ponovljenoj stimulaciji.
ZAMOR MIŠIĆA Zamor nesposobnost mišića da održi maksimalnu snagu tokom određenog vremena. ph < 7.0 Adaptacija koja sprečava iscrpljivanje rezervi ATP-a.
MOTORNA JEDINICA Motorna jedinica = jedan motoneuron i sva mišićna vlakna koja on inerviše. Kod mišića koji omogućavaju fine pokrete broj mišićnih vlakana 3-6. Mišići u donjim ekstremitetima broj mišićnih vlakana 120-165. Spore motorne jedinice inervišu ih motoneuroni koji imaju manju brzinu sprovođenja AP; u velikim mišićima udova prve se aktiviraju; otporne na zamor; najčešće korišćene jedinice. Brze motorne jedinice inervišu ih motoneuroni koji imaju veliku brzinu sprovođenja AP; lakše se zamaraju; uključuju se prilikom određenih specifičnih pokreta.
KLASIFIKACIJA MIŠIĆNIH VLAKANA Fazna vlakna Tonička vlakna Nema AP
Tri grupe faznih mišića crvena tip I, bela tip IIa i bela tip IIb.
MIŠIĆNA VLAKNA - TIP I Bogata mitohondrijama Osnovni izvor energije su masne kiseline Otporna na zamor Bogata mioglobinom (odatle naziv crvena ) Aktiviraju ih motoneuroni koji sporo provode AP Stephen Kiprotich, Uganda Pobednik maratona, London 2012 Dominantna u mišićima koji se koriste u aktivnostima koje zahtevaju izdržljivost (npr. mišići nogu, mišići za održavanje stava tela) Osobe čiji mišići imaju više sporih vlakana, a manje brzih vlakana mogu biti uspešne u trčanju i plivanju na duge staze.
MIŠIĆNA VLAKNA - TIP IIb Manje bogata mitohondrijama Bogata glikogenom Produkcija ATP-a iz kreatin fosfata i glikolizom Lako se zamaraju, produkcija mlečne kiseline Manje mioglobina (odatle naziv bela ) Aktiviraju ih motoneuroni koji brzo provode AP Usain Bolt, Jamajka WR = 9.58 sec (100m) Dominantna u mišićima koji se koriste brzim pokretima
IZVORI ENERGIJE ZA MIŠIĆNU KONTRAKCIJU Trenutni izvori E-je: ATP i fosfokreatin Stalni izvori E-je: intermedijerni metabolizam UH i masti