Gå tilbake

Muskelfysiologi

Muskelfysologi

Hvordan synapser fungerer i muskler, er den samme som ved alle andre synapser. Nevrotransmitteren acetylcholin (ACh) brukes overalt i kroppen som CNS, PNS og ANS, men er den eneste nevrotransmitteren som brukes i den motoriske delen av det somatiske (viljestyrte) nervesystemet.

 

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2013-10-01 kl. 14.56.36.png

Endeplatepotensial (EPP)

 

Halvveis langs muskelfiberet danner motonevroner synaptisk kontakt i en region som kalles endeplaten. Denne synapsekontakten ser ut som grener ut fra et tre, der grenene er umyeliniserte. Endene av disse grenene kalles boutons. Stammen er myelinisert.

 

1: Presynaptisk terminal.

2: Sarcolemma. Det kan ikkje vera basal-lamina då?

3: Synaptisk vesikkel.

4: nAchR

5: Mitokondrie.

 

En spesiell form for eksitasjon (som ligner på EPSP) brukes her. Etter å ha gjort en elektrisk eksitasjon av motonevronet var det en tidsforsinkelse før muskelfibrene ble eksitert. Dette kom av tiden for frisetting av Ach, diffusjonsavstanden i den synaptiske spalten og aktiveringen av postsynaptiske Ach-reseptorer. Membranpotensialet vil deretter gjennomgå en bifasisk periode: VM vil først skyte opp, før den langsomt ebber ut og synker til hvilemembranpotensialen og prosessen gjentas. Dette kaller vi for en EPP, endeplatepotensial. Det er viktig å merke seg at EPP kan kun være eksitatorisk og at den alltid er tilstrekkelig til å utløse et muskelaksjonspotensial. Dette vil åpne AChR-kanaler som er permeable for Na- og K-ioner. Na fluxer inn, og vi får en fullstendig depolarisering.

 

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2013-10-01 kl. 16.23.18.png

Muskelfysologi 2

 

Vi beskriver enkelte uttrykk før vi går videre:

 

Muskelfiber: den minste kontraktile enheten i en skjelettet. Er avlang med flere kjerner.

 

Muskelfasikkel: en samling av lineært linjede muskelfasikler.

 

Myofibrill: en individuell skjelettmuskel med parallelle sylinderelementer.

 

 

Myofibriller er egentlig en repitisjon av flere ”end-to-end”-chains kalt sarcomerer. Her finner vi to typer filamenter, actin (tynt filament) og myosin (tykt filament). En spesiell region på sarcomeren vil tilsvare endeplaten som motonevronet vil danne synapse med.

 

 

Motorisk enhet og motonevroner

 

En motorisk enhet er et motorisk forhornsnevron (alfa-motonevron) som, med sine kollateraler, innerverer flere muskelfibre.

 

Alle muskler er koblet til et motonevron og er dermed en del av det viljestyrte eller refleksstyrte nervesystemet. De viljestyrte motonevronene er alle efferente fibre som har soma i og går ut fra ventralhornet. Dette skiller dem fra de sensoriske fibrene, som går ut fra dorsalhornet. Motonevroner vil også vente med å forgrene seg til de kommer nær synapsemålet.

 

Tverrstripet skjelettmuskulatur

 

Under ser vi oppbyggningen av en sarcomer i en muskelfiber. Her er det flere bånd som vi skal gå nærmere inn på.

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2013-10-01 kl. 16.52.17.png

Sarcomer: Defineres som segmentet mellom to nabo-Z-linjer. Z-linjer er mørke linjer som går på tvers av båndene i sarcomeren.

 

I-bånd: I-bånd er bånd som omgir z-linjene. Dette er det eneste området i muskelfiberet som ikke inneholder myosin og er derfor ansett som de lyse områdene. I-båndene vil forlenges og forkortes under hhv. strekk og kontraksjon.

 

A-bånd: A-bånd regnes som avstanden mellom to I-bånd eller lengden av et myosinfilament. Fordi myosin finnes her, for Å-båndene en mørkere farge.

 

Actin: Actin er et tynt ligament, som finnes i både i I-båndet og A-båndet. Rundt den er det tvunnet et protein kalt nebulin (bidrar til passiv elastisitet i muskelfiberet). Den tvunnet som en dobbel-helix og består av to aktin-bindende proteiner: tropomyosin og troponin. Disse er begge bundet til actin-tråden (tropomysin er den brune tråden). Det viktige å merke seg er troponin komplekset som består bl.a. av troponin C (TnC). Denne binder seg til Ca2+ som slippes inn i muskelfibrene. Under troposinkomplekset er det myosinbindingsseter.

 

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2013-10-01 kl. 18.51.33.png

Myosin: Myosin er tykke filamenter som er ”cross-linked” i M-båndet, senteret av sarcomeren. I motsetning til actin er denne bipolar, med et polart ”head” og en upolar ”rod” (a-helix). ”Rod” vil få en knekk før vi kommer til ”head”. Denne knekken kalles ”hinge”.  Hvert av hodene har et bindingssete for myosin, men også for ATP. Hodet bruker nemlig ATP når muskelen skal kontrahere. Hver av de to hodene har også en alkalikjede og en regulatorkjede. Langs de myosin går det protein kalt titin (bidrar også til passiv elastisitet).

 

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2013-10-01 kl. 19.02.14.png

H-bånd: H-bånd er avstanden mellom enden av to actinfilamenter.

 

Eksitasjon-kontraksjons kobling (EC)

 

Det som helt til slutt gir en kontraksjon av muskelen, er en økning av Ca2+-kons. i muskelfibrene. Muskelfibrene er bygget opp av myofibrillene og er omgitt av en sarcolemma, en plasmamembran der aksjonspotenialet går. Innenfor sarcolemma har vi sarcoplasmatisk retikulum (SR). Dette er en spesialisert versjon av ER og fungerer som et lager av intracellulær Ca2+. Dette gir skjelettmuskelfibrene to måter å få økt Ca2+-kons. på: fra ECV via spenningsstyrte ionkanaler eller fra intracellulær Ca2+ i SR. SR vil skille ut Ca2+ i muskelfiberet og gi en kontraksjon. Det at en elektrisk eksitasjon av overflatemembranen skaper en økning av Ca2+ i muskelen for å gi en kontraksjon, kalles eksitasjon-kontraksjons kobling (EC).

For at Ca2+ skal bli sluppet ut fra SR, må kanalene i SR åpnes etter å ha blitt aktivert av et aksjonspotensial. Selve sarcolemma er ikke i stand til å åpne disse selv, og derfor er det såkalte invaginasjoner i sarcolemma med et nettverk av små kanaler som går rundt myofibrillene og penetrerer derfor muskelfiberet. Disse kanalene kalles transvers tubuli eller bare T-tubuli. Disse er forøverig i kontakt med SR og kan dermed utløse et utslipp av Ca2+.

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2013-10-01 kl. 17.26.33.png

T tubuli er langs hele dets lengde i kontakt med to sisterener, en spesialisert del av SR. T-tubuli + de to sisternene kalles en triade. T tubuli består av en kanal kalt L-type Ca2+-kanaler (inhiberes av DHP). Disse oppererer som spenningssensorer, noe som betyr at det er disse som registerer aksjonspotensialet fra sarcolemma. De samler seg i grupper på 4, kalt tetrader. Hver tetrade er mekanisk koblet til en annen Ca2+-kanal, som sitter på de to sisternene. Den kalles for en ”Ca2+-release” channel (inhiberes av ryanodin og caffein). Det er denne kanalen som slipper ut intracellulær Ca2+ fra SR. Også denne består av fire deler satt sammen til en kanal og disse er i direkte/mekanisk kontakt med L-type Ca2+-kanaler. Denne kontakten viser linken mellom et aksjonspotensial og utslipp av Ca2+ fra SR. Når aksjonspotensialet går gjennom T tubuli vil dette gi en konfirmasjonsendring av L-type Ca2+-kanaler, som også, pga. mekanisk kontakt, vil skape en konfirmasjonsendring av ”Ca2+-release” channel. Ca2+ vil da fluxe ut av SR og ut til muskelfibrene hvor den vil danne kontakt med troponin C (TnC) som sitter festet på actinfilamentet. Dette, skal vi se, skaper en kontraksjon.

 

Ca2+ må bli fjernet fra sarcoplasm for at muskelen skal slappe av, slik at troponinkomplekset en ”cross-bridge connection” mellom myosin og actin. Dette kan gjøres på flere måter: NCX (Na-Ca exchanger), PMCA (Ca2+-pumpe) og SERCA (Ca2+-pumpe).

 

SERCA er viktig fordi den gjør at Ca2+ gjennopptas i SR. Dette er viktig for å forhindre total mangel på Ca2+ og Ca2+-kons. vil returnere til hvilenivå i SR. Også ER har SERCA. Når Ca2+-nivået i lumen av SR er for høyt, vil SERCA inhiberes. Dette blir likevel utsatt i stor grad, fordi Ca2+ vil binde seg til calreticulin og calsequestrin. Dermed klarer SR-lumen å lagre store mengder med Ca2+.

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2013-10-02 kl. 13.45.53.png

Cross-bridge syklus (tverrbro syklus)

 

Ca2+ er altså nødvendig for en kontraksjon av muskelen og tilgjengelig mengde av Ca2+ bestemmer om muskelen skal slappe av eller kontrahere. Nå muskelen skal kontrahere kan konsentrasjonen øke fra 0,1 til 10 mikromol. Denne konsentrasjonen senkes når vi vi skal slappe av og er sterkt regulert av transportsystemer som fjerner Ca2+ fra sarcoplasm (cytoplasma i muskelceller). Ca2+ effekt er egentlig indirekte i forhold til selve kontraksjonen, fordi de påvirker de regulatoriske proteinene. De regulatoriske proteinene er nærmere bestemt troponinkomplekset på actinkomplekset. Når Ca2+ ikke er tilstede i muskelfibrene, vil dette komplekset forhindre interaksjon mellom myosinhodet og myosinbindingssetet på actinfilamentet og dermed forhindre kontraksjon av muskelen. Ca2+s funksjon her vil være å binde seg til TnC-delen av komplekset (eller andre deler) slik at vi får en konfirmasjonsendring som vil løsne komplekset bort fra myosinbindingsområdet.

 

Prosess

 

Ved punkt 1 har Ca2+ allerede bundet seg til troponinkomplekset og løsnet det fra myosinbindingspunktet. Punkt 1 vil derfor starte med at myosinhodet er bundet til setet, fordi dette er slutten av den forrige syklusen.

 

1.     ATP vil binde seg til myosinhodet og senke bindingsaffiniteten mellom myosin og actin. Hodet løsner. Dersom alle actin-myosin-linker er i denne tilstanden i en muskel, vil muskelen være fullstendig relaksert.

2.     ATP hydrolyseres til ADP+P. ADP+P vil forbli festet på myosinhodet og hodet vil rotere. Rotasjonen vil gjøre at tuppen av hodet beveger seg bortover langs actinfilamentet (mot Z-linjen) og vil komme i kontakt med en ny actinmonomer. Også her er muskelen fullstendig relaksert.

3.     Myosin-ADP+P-komplekset har høyere affinitet for å binde seg til bindingspunktet på actinmonomeren og binder seg derfor til.

4.     Fosforgruppen (P) vil nå løsne fra komplekset og dette vil utløse det såkalte ”power-stroke”. Dette innebærer at hodet bøyer seg 45 grader og dermed drar med seg actinfilamentet bakover/myosinfilamentet forover. Det er dette som generer kraft og bevegelse av kroppsdeler.

5.     ADP vil til slutt løsne fra myosinhodet for å avslutte syklusen. Merk at myosinhodet fortsatt er bøyd 45 grader og at dette tilsvarer en rigid tilstand i muskelen. Denne rigide tilstanden vil forbli inntil et nytt ATP fester seg på hodet og løsner det fra actinet.

 

 

Det siste punktet viser til en viktig sykdomstilstand. Når ATP ikke er tilstede, vil muskelen forbli i en rigid formasjon i et gitt tidsrom, fordi hodet ikke løsner fra actinfilamentet. Vi har da problemer med å bevege kroppsdeler som armer og ben, fordi de er låst. Ekstreme former for dette kalles rigor mortis, en tilstand som oppstår rett etter døden. Da vil metabolismen (dannelse av ATP) stoppe opp og musklene vi får ikke ATP til msuklene. Dette vil gå over etter en tid fordi proteiner degenereres etter død.

Stoppe kontraksjon/relaksjon

 

Kontraksjon

 

Den totale kraften utført av en muskel er summen av alle ”cross-bridge”-syklusene som er uavhengig av hverandre som skjer i denne muskelen. Under kontraksjon vil muskelutspring og festepunkt dras mot hverandre og kraften som utfører dette kalles tensjon. Hvordan hele kontraksjonen utføres avhenger i stor grad av hvor mye motstand muskelen møter.

 

Vi har tre typer kontraksjon av skjelettmuskulatur:

 

Konsentrisk kontraksjon: motstand er mindre enn kontraksjonskraften slik at muskelen forkortes. Eks. løfte et glass

 

Isometrisk kontraksjon: motstand er lik kontraksjonskraften slik at muskellengden forblir konstant. Eks. stå oppreist

 

Eksentrisk kontraksjon: motstand er større enn kontraksjonskraften slik at muskellengden øker. Eks. ”tape i håndbak”.

 

Vi kan teste muskelkontraksjon på to måter: isomerisk og isoton kontraksjon.

 

Under en isometrisk kontraksjon vil muskelutspring og feste være låst fast slik at muskellengde ikke kan påvirkes. Stimulering vil gi økt tensjon/spenning uten at muskelen bli mindre. Isometrisk kontraksjoner foregår derfor med konstante muskellengder.

 

Under en isotonisk kontraksjon vil den ene enden av muskelen være festet til et lodd, og derfor ikke låst fast. Dermed kan muskellengde påvirkes. Muskellengde vil bare bli mindre dersom kontraksjonen/tensjonen er større enn motstanden gitt av loddet (konsentrisk kontraksjon). Isotoniske kontraksjoner har derfor varierende muskellengder, avhengig av motstanden på muskelen.

 

Lenge-spenningsdiagram (isometrisk)

 

Vi har to typer tensjon innenfor isometrisk: passiv og aktiv. Før selve muskelkontraksjonen, har vi passiv tensjon. Aktiv tensjon skjer under kontraksjon, dvs. når ”cross-bridge” syklusen skjer. Summerer vi den aktive og passive tensjonen, får vi den totale tensjonen. Dette betyr også at den aktive tensjonen er total tensjon – passiv tensjon. Som vi ser av grafen, er aktiv tensjon lav når muskelen bare er 70 % av sin hvilelengde (konsentrisk). Aktiv tensjon øker når muskellengden nærmer seg hvilelengde. Når vi når hvilelengde, vil aktiv tensjon vær maksimal (100%) (isometrisk). Øker muskellengden over 100%, dvs. vi går over hvilemuskellengden, vil aktiv tensjon gå ned (eksentrisk).

 

 

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2013-10-02 kl. 16.40.56.png

 

Dette kan vi forklare ut ifra de to filamentene, actin og myosin. Når muskellengden økes vil de to filamentene dras fra hverandre. Opp til 100 % muskellengde er det fortsatt aktiv tensjon fordi actin og moysin fortsatt overlapper hverandre, men det blir mindre overlapping når muskellengde økes og filamentene dras fra hverandre. Når vi går over 150 % av hvilemuskellengden, vil actin og myosin være dratt fra hverandre og det er ingen kontakt mellom de to. Da er det heller ingen aktiv tensjon og dette forklarer hvorfor aktiv tensjon vil gå ned når muskellengde blir for stor.

 

Når muskellengde forkortes vil overlappingen bli større og flere kontakter blir etablert. Aktiv tensjon vil øke, fordi aktiv tensjon korresponderer til graden av overlapp. Forkortningen kan bli så stor at actinfilamentene overlapper hverandre. I ekstreme tilfeller vil forkortningen bli så stor at myosin kommer borti den motsatte Z-linjen. Dette vil ikke gi en ekstrem aktiv ensjon, snarere tvert imot; tensjonen vil falle fordi romforholdet mellom de to filamentene er ødelagt. Den maksimale aktive tensjonen oppnås kun når vi har den optimale overlappingen mellom de to filamentene, og dette tilsvarer normal hvilelengde av sarcomeren.

 

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2013-10-02 kl. 18.40.18.png

 

Belastning-hastighetsdiagram (isoton)

 

De forrige eksemplene gjaldt kun isomerisk kontraksjon. Isoton har sitt eget diagram kalt belastning-hastighetsdiagram. Denne baserer seg på hvor fort muskelen vil forkorte seg, i forhold til hvor stor vekt som er festet på muskelen. Det er derfor enkelt å forstå at muskelen vil forkortes saktere dersom vekten øker og vise versa. Forholdet mellom hastighet og vekt, er hyperbolsk (vist av de tre blå grafene).

 

Skal vi forstå dette må vi se på høyset mulig vekt på en muskel som skal være i hvilelengde (en isomerisk kontraksjon der kontraksjon=motstand). Dette er vist av grafen kalt optimum.

-        I dette tilfellet vil alle ”cross-bridge”-sykluser bli aktivert for å kunne motstå vekten/motstanden. Fordi ingen er til overs, er det heller ingen som kan forkorte muskelen, og muskellengde forblir konstant. Dette passer med beskrivelsen av en isomerisk muskelkontraksjon og forkortningshastighet her vil være lik 0. Hvis motstanden blir større, øker muskellengde og det blir færre ”cross bridge”-sykluser, fordi det blir færre kontaktområder mellom actin og myosin.

-        Senker vi derimot motstanden/vekten, vil færre ”cross bridge”-sykluser aktiveres, fordi vi ikke trenger like mye kraft for å kunne motstå motstanden. Da vil det også være flere ”cross bridge”-sykluser til overs som kan hjelpe med å forkorte muskelen slik vi forklarte i syklusen over. Dersom motstanden bare er litt mindre enn optimal motstand (isomerisk kontraksjon), vil forkortningen skje sakte. Løfter vi en gjenstand som vi akkurat greier å løfte, vil dette skje sakte.

-        Dersom motstanden er mye mindre enn optimal motstand, vil forkortningen skje mye fortere. Da vil mange færre ”cross bridge”-sykluser jobbe mot motstanden og flere vil være til overs for å kunne forkorte muskelen.

-        Hvis motstanden er svært lav, vil bare en liten del av ”cross bridge”-syklusene være aktive mot motstanden, fordi det kreves svært liten kontakt mellom actin og myosin for å kunne overvinne motstanden. Da glir nesten actin og myosin over hverandre av seg selv fordi det er såpass mange ”cross bridge”-sykluser til overs at hastigheten på forkortning blir svært høy. Det eneste som begrenser hastigheten til forkortningen på dette punktet, er tiden det tar å få sendt inn og brukt ATP i syklusen. Dette vil også senke muskeltonus (tensjon) fordi det blir færre totale interaksjoner mellom actin og myosin når overlappingen skjer såpass fort.

 

Det er viktig å merke seg at isotoniske kontraksjoner ikke er avhengig av muskellengde for å kunne oppnå maks hastighet av en forkortning. Motstand og lengde avhenger av hverandre, fordi større motstand betyr større muskellengde og vise versa. Grunnen til at hastighet er uavhengig av lengde forklares i det siste eksempelet. Hvis motstand/vekt er nesten eller lik 0, vil ikke initiel (dvs. lengde i utgangspunktet) muskellengde/filamentoverlapping ha noe å si for forkortningshastighet, men heller den maskimale hastigheten ”cross-bridge”-sykluser kan foregå. Dette forklarer hvorfor alle de tre grafene for initiel muskellengde (optimum, short, shortest) kan nå maks hastighet på muskelforkortning, fordi når vi fjerner all ”load” (motstand), vil ikke muskellengden ha noe å si for hastigheten.

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2013-10-02 kl. 19.39.01.png

Muskeltonus

 

Muskeltonus er spenningen (tensjonen) i muskulaturen. Dette brukes egentlig om en muskel som er avslappet og et bedre navn vil da være hviletonus. Hviletonus vil ved enkelte sykdommer være økt (hypertonus) eller redusert (hypotonus). For å undersøke muskeltonus kan vi palperer vi muskelen og kjenne på dens konsistens.

 

Tonus bestemmes av:

 

-        Grad av aktiv fiberkontraksjon. Måles ved EMG-registrering (et apparat som registrer skjelettmuskelaktivitet). Bestemmes av rekrutering og størrelse på motorisk enhet og tetanisering (frekvenssummasjon).

-        Passive viskoelastiske egenskaper i muskelfibre og bindevev. Vi husker at nebulin og titin påvirker passiv elastisitet i hhv. actin og myosin.

-        Væskevolum i musklene.

 

 

Regulere muskelkraft

 

Frekvenssummasjon

 

På grafene nedenfor har vi tensjon på y-aksen og tid på x-aksen.

 

Dersom vi summerer såkalte ”twitcher” (muskelrespons) kan vi øke muskeltonus og dermed øke muskelkraft. Jo høyere frekvens vi har av aksjonspotensialer (dvs. smer ), jo høyere samlet tensjon. Dette kaller vi frekvens summasjon.

 

Er frekvensen høy nok, vil hver ”twitch” oppstå så nærme hverandre i tid, at de smelter sammen (figur D). Når vi ikke klarer å skille hver twitch fra hverandre, har vi en tetanus (fusjon). Da ser det ut som en stor samlet twitch. Når vi har nådd tetanus, vil ikke tensjonen stoppe til signalet/aksjonspotensialstrømmen har stoppet og muskelen vil ikke slappe av. Grunnen til dette er at ved tetanus vil tiden mellom hver twitch være så kort at SR ikke får tid til å gjennoppta Ca2+ slik at intracellulær Ca2+-kons. ikke går ned. Så lenge det er nok Ca2+ tilstede, vil ”cross-bridge” syklusen ikke stoppe, og muskelen vil ikke slappe av til frekvensen av aksjonspotensialene går ned.

 

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2013-10-03 kl. 14.04.23.png

Rekruttering

 

Rekruttering av nye motoriske enheter gjør at flere muskelceller blir aktive. Her har vi store og små motoriske enheter og rekrutteringen innebærer at muskelen kan velge hvilken motorenhet som skal tas ibruk utifra hvor stor kraft som kreves. Rekrutteringen følger det vi kaller for størrelsesprinsippet. I starten av bevegelsen aktiveres kun de minste motorenhetene, men flere og større enheter rekrutters når mer kraft kreves.

 

Dersom vi ønsker full kraft i en bevegelse, vil mange (alle?) motoriske enheter rekruteres samtidig, men de små vil rekruteres litt før, fordi de vil raskere/lettere nå terskelen for depolarisering. Maks kraft oppnås når alle motoriske enheter er rekruttert og disse utvikler full tetanus.

 

Muskelfibertyper

 

Type 1

-        Rød muskelfibre (myoglobin)

-        Kontraherer langsomt

-        Veldig utholdende

-        Bruker i stor grad oksidativ fosforylering

Type 2A

-        Rød muskelfibre (myoglobin)

-        Kontraherer raskt

-        Utholdende (ikke like mye som type 1)

-        Bruker i stor grad oksidativ fosforylering

Type 2B

-        Hvite muskelfibre (lite myoglobin)

-        Kontraherer raskt

-        Ikke utholdende

-        Bruker i liten grad oksidativ fosforylering

 

Gå tilbake