Fizjologia człowieka w zarysie. Отсутствует
I – hamuje aktywność ATPazową aktomiozyny;
– podjednostka C – wiąże Ca2+ znosząc hamowanie ATPazy przez podjednostkę I.
Tropomiozyna tworzy podwójną helisę, która po połączeniu z cząsteczką troponiny zmienia konformację, odsłaniając miejsca wiążące z miozyną na główkach aktyny.
3.3. Cykl skurczu mięśnia
Cykl skurczu mięśnia poprzecznie prążkowanego jest oparty na modelu ślizgowym, polegającym na tym, że w czasie skurczu włókna aktyny wsuwają się głębiej między włókna miozyny – mogą sięgać nawet do przeciwnej połowy sarkomeru. Przejawia się to zwężeniem lub całkowitym zanikiem prążka I i zanikiem prążka H.
Rycina 3.5. Budowa cząsteczki miofilamentu cienkiego
(autor ryciny: M. Mazur).
Rycina 3.6. Ślizgowy model skurczu mięśnia
(autor ryciny: M. Mazur).
Mechanizm skurczu mięśnia można podzielić na 6 etapów. Cykl skurczu mięśnia rozpoczyna się od pobudzenia z układu nerwowego – przejścia potencjału czynnościowego w złączu nerwowo-mięśniowym. Następnie sygnał propaguje wzdłuż siateczki sarkoplazmatycznej mięśnia do wnętrza kanalika T.Mechanizm ten opiera się na interakcji receptorów rianodynowych i receptorów dihydropirydynowych. Receptory rianodynowe, znajdujące się w błonie siateczki sarkoplazmatycznej, blokują kanały wapniowe, co w spoczynku uniemożliwia wypływ jonów wapnia z siateczki sarkoplazmatycznej. Receptory dihydropirydynowe, zlokalizowane w błonie kanalików T, są wrażliwe na zmianę potencjału, a potencjał czynnościowy docierający do kanalików T indukuje zmianę konformacji przestrzennej receptorów dihydropirydynowych i ich interakcję z receptorami rianodynowymi.
Etap pierwszy skurczu mięśnia jest związany z wyrzutem jonów wapnia do cytozolu. Jony wapnia wiążą się z podjednostką C troponiny, czego skutkiem jest zmiana konformacji kompleksu troponinowo-tropomiozynowego, powodująca wyeksponowanie miejsca wiązania miejsca z miozyną na główkach aktyny. Etap drugi dotyczy połączenia aktyny i miozyny. Wysokoenergetyczna konformacja wiązania ATP na główce miozyny umożliwia połączenie z aktywnym miejscem na kompleksie aktynowym mostka poprzecznego. Etap trzeci skurczu rozpoczyna się w momencie uwolnienia energii z ATP, w postaci ADP i reszty fosforanowej, która pociąga główkę miozyny w kierunku linii M sarkomeru. Energia z ATP zamienia się na energię kinetyczną ruchu między filamentami. Obserwuje się przyginanie główki miozyny, które jest związane z jednoczesnym wciąganiem elementów aktynowych i tworzeniem się ślizgowego modelu skurczu mięśnia. Etap czwarty następuje w momencie przyłączenia do główki miozyny nowej cząsteczki ATP. W sytuacji śmierci komórkowej nie dochodzi do napływu świeżej porcji cząsteczek ATP – mięsień zastyga w skurczu, następuje stężenie pośmiertne, które ustępuje w zależności od szybkości rozpadu komórki. Po napływie ATP i połączeniu z miozyną dochodzi do rozłączenia kompleksu aktynowo-miozynowego. Etap piąty polega na repozycji głowy miozyny o 45 stopni, do pozycji poziomej. Ten proces pociąga za sobą hydrolizę wiązania ATP: tworzy się ADP oraz reszta fosforanowa. Energia pochodząca z ATP zostaje zużyta do wytworzenia wysokoenergetycznej konformacji miozyny. Etap szósty kończy cały cykl skurczu mięśnia. Jony wapnia są usuwane za pomocą aktywnego transportu – wpompowane z powrotem do siateczki śródplazmatycznej. Gdy jony wapnia zostaną usunięte, kompleks troponinowo-tropomiozynowy zmienia konformację i zakrywa miejsca połączenia aktyny z miozyną. Aktywny transport jonów wapnia odbywa się przy udziale energii pochodzącej z ATP.
Reasumując: do całego cyklu skurczu mięśnia potrzebna jest energia z 3 cząsteczek ATP:
– z 1 cząsteczki do dostarczenia energii do mostka łączącego miozynę,
– z 1 cząsteczki do rozłączenia główki miozyny z wiązania łączącego go z aktyną,
– z 1 cząsteczki do dostarczenia energii do kanału wapniowego.
Sprzężenie elektromechaniczne w mięśniu szkieletowym rozpoczyna proces depolaryzacji motoneuronu, który powoduje uwolnienie acetylocholiny w złączu nerwowo-mięśniowym. Energia elektryczna fali depolaryzacyjnej w motoneuronie otwiera bramkowane napięciem kanały wapniowe w kolbce presynaptycznej, zwiększając tym samym jej przepuszczalność dla jonów wapnia. Wzrost stężenia tych jonów powoduje zlewanie się pęcherzyków synaptycznych z błoną presynaptyczną za pomocą kompleksu białkowego SNARE. W ten sposób, drogą egzocytozy, acetylocholina jest transportowana do szczeliny synaptycznej, gdzie dyfunduje a następnie łączy się z receptorami nikotynowymi w błonie postsynaptycznej. To połączenie generuje potencjał czynnościowy, tj. napływ jonów sodu i depolaryzację błony postsynaptycznej. Energia elektryczna fali depolaryzacyjnej przemieszcza się z motoneuronu do komórki mięśniowej.
Rycina 3.7. Mechanizm generowania siły skurczu mięśnia
(autor ryciny: M. Mazur).
Aktywacja układów kurczliwych następuje na skutek zwiększenia stężenia zjonizowanego Ca2+. Źródłem Ca2+ aktywującego skurcz jest siateczka sarkoplazmatyczna. Fala depolaryzacji przemieszcza się na kanaliki T, gdzie dwie cysterny brzeżne siateczki sarkoplazmatycznej wraz z kanalikiem T leżącym pomiędzy nimi budują tzw. triadę mięśniową. Współdziałanie receptorów dihydropirydynowych i riadynowych w siateczce sarkoplazmatycznej odblokowuje kanały wapniowe i uwalnia znaczną liczbę jonów Ca2+ do wnętrza miocytu. Jony wapnia łączą się z troponiną C, zmieniając układ przestrzenny kompleksu troponina-tropomiozyna, dzięki czemu zostają odsłonięte centra aktywne aktyny. W tej sytuacji miozyna łączy się z aktyną, tworząc mostek poprzeczny, a to połączenie przez sprzężenie zwrotne dodatnie zwiększa powinowactwo troponiny C do jonów wapnia, indukując tworzenie kolejnych mostków poprzecznych. Dochodzi do przekonwertowania energii elektrycznej na mechaniczną.
3.4. Metabolizm energetyczny mięśni szkieletowych
W skurczu mięśni szkieletowych wykorzystywana jest energia z ATP, którą organizm produkuje w trojaki sposób:
– z glikolizy – 2 cząsteczki ATP (proces beztlenowy);
– z hydrolizy fosfokreatyny – 1 cząsteczka ATP;
– z cyklu Krebsa – 36 cząsteczek ATP (proces tlenowy).
Substratami do produkcji ATP w organizmach żywych są glukoza oraz tlen, które w normalnych warunkach dostarczają do mięśni naczynia krwionośne dzięki pracy serca. Na skutek przemian biochemicznych glukozę otrzymujemy z hydrolizy glikogenu magazynowanego w mięśniach szkieletowych zachodzącej w trakcie systematycznych ćwiczeń fizycznych. W warunkach fizjologicznych z procesu glikolizy powstają 2 cząsteczki ATP oraz kwas pirogronowy.
Rycina 3.8. Synteza ATP w organizmie
(autor ryciny: M. Mazur)
W warunkach tlenowych kwas pirogronowy ulega dekarboksylacji do tzw. aktywnego octanu, czyli acetylo-CoA, i jest wprowadzany do cyklu Krebsa w mitochondriach, gdzie produktem końcowym są: 1 cząsteczka H2O, 1 cząsteczka CO2 oraz 36 cząsteczek ATP.
W warunkach beztlenowych z kwasu pirogronowego powstaje kwas mlekowy. W przypadku dużych