İskelet Kası Biyofiziği

• İskelet Kasında İletim ve Kasılma Biyofiziği

Kasın Birincil İşlevi ve Kas Türleri

• Kasın temel işlevi, fizyolojik bir uyaran sonucu kuvvet veya hareket oluşturmaktır.
• İnsan vücudunda özelleşmiş işlevlere sahip üç ana kas türü bulunur: iskelet kası, kalp kası ve düz kas.

İskelet Kası

• Kemiklerin istemli hareketlerini sağlayarak hareket ve iş üretimi gerçekleştirir.
• Diyafram kasılması yoluyla solunum döngüsünü kontrol eder.
• Venöz kanın kalbe dönüşüne yardımcı olan bir pompa görevi üstlenir.

Kalp Kası

• Kanın akciğerlere ve dokulara taşınmasını sağlayan biyomekanik bir pompa görevi görür ve kalbe özgüdür.

Düz Kas

• Sindirim, idrar, üreme sistemleri gibi organ sistemlerinde görev alır.
• Dolaşım sisteminde kan damarlarının, solunum sisteminde ise hava yollarının mekanik kontrolünü sağlar.

Kas Kasılmasının Başlatılması

• Kas kasılması, kimyasal bir nörotransmiter, parakrin faktör (yerel etkili hormon) veya doğrudan elektriksel uyarılma ile başlayabilir.

Kas Tiplerinin Farklılıkları

• Her bir kas tipinin kendine özgü fizyolojik rolleri vardır.
• Kasılma hızı, süresi, metabolizma, yorgunluğa direnç ve kasılma gücü gibi özellikler kas tipleri arasındaki doğal farklılıkları belirler.

Enerji Dönüşümü

• Tüm kaslar, ATP hidrolizi ile açığa çıkan kimyasal enerjiyi mekanik işe dönüştürür.

Kasların Kuvvet ve Kısalma Yetenekleri

• Hem iskelet hem de kalp kası hızlı kuvvet geliştirme ve kısalma yeteneğine sahiptir.
• İskelet kası, göreceli olarak uzun süreli kasılma kuvvetini sürdürebilir.
• Kalp kası kısa sürede kasılır fakat bu ritmik aktiviteyi yaşam boyu sürdürmelidir.
• Düz kaslar elastik değişikliklere uyum sağlayarak organların kasılmasını düzenler.
• Bazı düz kaslar (sfinkterler gibi), uzun süre yorulmadan kasılı kalabilir.

Kas Kasılmasında Tetikleyici Faktör

• Üç kas türü için de kasılmayı tetikleyen temel faktör, serbest sitozolik kalsiyum konsantrasyonundaki artıştır.

İskelet Kasının Yapısı

• Kasılma, motor nöronlar tarafından innerve edilen motor üniteler aracılığıyla başlar.
• Kas lifi veya miyofibril çok çekirdekli ve uzun bir hücredir.
• Doğrusal olarak hizalanmış kas lifi demetleri fasikülleri oluşturur.
• Fasikül demetleri bir araya gelerek kasları meydana getirir, örneğin biceps kası.
• Organize mimari mekanik kuvvet üretimine katkıda bulunur.
• Fasiküller endomisyum adı verilen bir kılıfla çevrilidir.

Hücre Zarı ve Miyofibriller

• Sarkolemma kas hücresinin plazma zarıdır.
• Miyofibriller, sarkolemmanın altında yoğun ve paralel düzenlenmiş silindirik elemanlardır.

Miyofibriller ve Sarkomerler

• Her miyofibril, ince (aktin) ve kalın (miyozin) filamentlerden oluşur.
• Miyofilamentler düzenli ve tekrar eden birimler olan sarkomerlerden meydana gelir.

Kas Kasılması ve Enerji

• 19. yüzyılda kas kasılması ısı makinesine benzetilmiş, ancak daha sonra kimyasal enerjiyi elektrik, ısı ve mekanik enerjiye dönüştürdüğü anlaşılmıştır.
• Bu makine, sabit basınç ve sıcaklıkta çalışırken serbest enerji harcar ve ısı yan ürün olarak ortaya çıkar.
• Kasılma mekanizmalarının enerji ihtiyacı, ATP'nin ADP'ye hidrolizi ile karşılanır.
• Kas kasılması, aktin ve miyozin proteinlerinin konformasyonel değişimlerinden kaynaklanır.

Aktin ve Miyozin Filamentleri

• Miyofibril, yaklaşık 1.500 kalın miyozin filamenti ve 3.000 ince aktin filamenti içerir.
• Polarizasyon mikroskobunda anizotropik ve çift kırıcı özellik gösteren miyozin filamentlerinin bulunduğu bölgeye A-bandı denir. · Sadece izotropik yapıdaki aktin filamentlerinin bulunduğu bölgeye I-bandı denir.
• İki Z çizgisi arasındaki bölgeye sarkomer denir.
• Sarkomerdeki A bandında aktin filamentlerinin bulunmadığı aydınlık bölgeye H-bandı denir.

Kasılma Sırasında Görülen Değişiklikler

• Z çizgileri birbirine yaklaşır ve sarkomer boyu kısalır.
• H-bandı ve I-bandı daralır.
• A-bandının boyu değişmez.
• Aktin ve miyozin boyları değişmez.
• Kasın boyu kısalırken eni artar, hacmi değişmez.

Miyozin Filamentleri ve Yapısı

• Kalın miyozin filamentleri yaklaşık 14 nm çapında ve 1,6 μm uzunluğundadır.
• Bir filament, yan yana dizilmiş 200-400 miyozin molekülünden oluşur.
• Miyozin molekülü, 140-150 nm uzunluğunda ve 480.000 molekül ağırlığına sahip bir proteindir.
• Tripsin enzimi ile hafif meromiyozin (LMM) ve ağır meromiyozin (HMM) olmak üzere iki parçaya ayrılır.
• Papain enzimi HMM'yi globular S-1 ve çubuk benzeri S-2 parçalarına ayırır

Miyozin Molekülünün Alt Birimleri

• LMM ve S-2 zincirleri kuyruk kısmını, S-1 kesimi ise baş kısmını oluşturur.
• Baş kesimleri ATPaz enzimi görevi yapar ve aktin filamenti ile etkileşerek çapraz köprüler oluşturur.
• Miyozin molekülü, LMM, S-2 ve S-1 kesimlerinin birleştiği noktalardan bükülebilir.
• S-2 kesimi çapraz köprü oluşumunda esneklik sağlar.

Miyozin Başının Fonksiyonu

• Miyozin molekülünün baş kısmı aktin molekülü ile çapraz köprüler kuracak şekilde konumlanmıştır.
• Miyozin başı ATPaz enzimi olarak görev yapar.
• Bu özellik, miyozin başının ATP'yi parçalayarak elde ettiği enerjiyi kasılma işleminde kullanmasını sağlar.

Aktin Filamentlerinin Bileşenleri

• İnce aktin filamentleri 1.5 μm uzunluğunda ve 5 nm kalınlığındadır ve üç ana bileşenden oluşur.
• İkili sarmal yapıdaki F-aktin proteini, globular G-aktin moleküllerinin polimerizasyonu ile oluşur.
• İkili sarmal yapıda olan tropomiyozin zinciri.
• Globular bir protein olan troponin (Tn) molekülü üç alt birimden oluşur:
• Tn-I aktine bağlanır.
• Tn-T tropomiyozine bağlanır.
• Tn-C kalsiyum iyonlarına bağlanır.

Düzenleyici Proteinler: Titin ve Nebülin

• Titin Molekülleri: Aktin ve miyozin moleküllerini bir arada tutar, iskelet görevi görür ve elastiktir.
• Nebülin: Sarkomer proteinleriyle bulunur, ince filaman uzunluğunu düzenler.
• Titin ve Nebülin kasılma sırasında oluşan yükü taşır.

Motor Üniteler ve Kas Kontrolü

• Her kas lifi bir motor sinir ucuyla bağlantılı olmak zorundadır.
• Motor nöron ve innerve ettiği kas liflerine motor ünite denir.
• Motor sinir lifi aynı anda birden fazla kas lifini uyarabilir.
• Motor birim sayısı kasların işlevine göre değişir; göz kaslarında az sayıda lif bulunurken bacak kaslarında daha fazla lif bulunur.
• Motor birimler "hep ya da hiç" prensibiyle çalışır.
• Tek bir nöron veya kas hücresi eşik değerin altında bir uyarana tepki vermez.
• Uyarı şiddeti artsa bile aksiyon potansiyeli genliği değişmez.

Motor Ünitelerin Faydaları

• Kademeli kuvvet üretimi Daha fazla motor birimi devreye girerek kas kuvveti artırılır.
• Aralıklı Kasılma Ardışık hareketlerde farklı motor birimleri kullanılarak yorgunluk azaltılır.

Uyarılma-Kasılma Çiftlenmesi ve Aşamaları

• Kas hücreleri kimyasal, elektriksel ve mekanik uyarılma özelliklerine sahiptir.
• Hücre uyarılmasıyla aksiyon potansiyeli oluşur ve yayılır.
• Sinir kas kavşağından gelen sinyaller kas lifi zarında aksiyon potansiyeli oluşturur.
• Uyarılma-kasılma çiftlenmesi, aksiyon potansiyelinin başlamasından kasılmanın başlamasına kadar geçen olayları tanımlar.
• Kas aksiyon potansiyeli 1-5 ms sürer.

Hücre İçi Kalsiyum Düzeyi ve Kasılma

• Kasılma kalsiyum düzeyinin hücre içinde artmasıyla gerçekleşir.
• İskelet kasında troponini doyurmak için ~10μM Ca2+ gerekir.

Sarkoplazmik Retikulum ve Kalsiyum

• Sarkoplazmik retikulum (SR), kas kasılması için gerekli kalsiyum iyonlarının ana kaynağıdır.
• Depolarizasyon, yüzey zarındaki T-tübül sistemi yoluyla hızla kas lifinin iç kısımlarına yayılır.
• SR'den kalsiyum salınımı üç mekanizma ile gerçekleşir:
• Ca2+ tetiklemeli Ca2+ salınımı: Depolarizasyonla hücreye giren Ca2+ iyonları SR'deki Ca2+ kanallarını açar.
• Elektriksel etkileşim: T-tübüllerindeki voltaj bağımlı dihidropiridin reseptörleri (DHPR) aktive edilir.
• Mekanik etkileşim: SR zarlarında bulunan proteinler, mekanik bir etkileşimle SR'deki Ca kanallarını açabilmektedir.

Kalsiyum Kaynakları ve Taşınması

• Hücre dışı kalsiyum da önemli bir kaynaktır. Depolarizasyon sırasında voltaj bağımlı Ca kanalları açılarak kalsiyum iyonları hücre içine girer.
• Na-Ca değişimi ile kalsiyumun hücre içine girişi ve dışarı atılması sağlanır.
• Sarkoplazmadaki serbest Ca2+ düzeyi yüksek kaldığı sürece kas kasılması devam eder.
• Sarkoplazmik retikulum, Ca2+ iyonlarını keseciklerine geri pompalayarak hücrenin Ca2+ konsantrasyonunu düşürür.
• Gevşeme sırasında hücre içi Ca2+ düzeyinin düşürülmesinde de Na-Ca değişim mekanizması önemli rol oynadığı anlaşılmıştır.

Kayan Filamentler Modeli

• Başlangıçta kasılmanın protein moleküllerinin kısalmasıyla oluştuğu düşünülmüştür.
• Kas yapısının analizleri, kasılmanın miyozin moleküllerinin aktin üzerinde kaymasıyla gerçekleştiğini göstermiştir.
• 1954'te Hugh Huxley ve Andrew Huxley kayan filamentler modelini geliştirmişlerdir.

Kayan Filamentler Teorisi

• Kasılma, aktin ve miyozin filamentleri arasındaki etkileşimlerle gerçekleşir. Dinlenim Halinde Durum · Tropomiyozin-troponin kompleksi miyozinin aktine bağlanmasını engeller. · Ca konsantrasyonu arttığında, Ca troponin-C ile etkileşime girerek tropomiyozinin bağlanma bölgesini açığa çıkarır.

Kasılma Döngüsü

• Miyozin başı ATP'ye bağlanır ve ATPaz aktivitesiyle ADP + P'ye ayrılır.
• Miyozin başı aktine bağlanır, güç vuruşu gerçekleşir ve aktin filamentleri hareket eder.
• ATP bağlandığında miyozin aktinden ayrılır ve döngü tekrarlanır.

Kasılmanın Tamamlanması ve Gevşeme

• Sarkomer boyu kısalır, kas kasılır.
• Kasılma için gerekli enerji ATP hidrolizi ile sağlanır.
• Troponin’den kalsiyum ayrıldığında, tropomiyozin bağlanma bölgesini bloke eder ve kas gevşer.
• ATP yetersizliğinde kaslarda ölüm katılığı (rigor mortis) oluşur.

Kasılmanın Ölçümü

• Kasın kısa süreli bir uyarana verdiği kasılma-gevşeme yanıtına kas sarsı denir.
• Kas tonusu, kasların sürekli, düşük seviyeli kasılmasıdır.
• Arka arkaya uyarılar kasılma kuvvetini artırır (sumasyon).

Sumasyon ve Tetani

• Frekans sumasyonu, kas gücünde artışa neden olur.
• Eksik tetani durumunda hafif gevşemelerle kas tonusu devam eder.
• Tam tetani durumunda kasa sürekli yüksek frekanslı uyarılar verilir ve gevşeme olmaz.
• Yorgunluk nedeniyle kas gücü azalır (tetanus sonrası yorgunluk).

Treppe Etkisi

• Uyaran şiddeti artarken kasın oluşturduğu güç de artar.
• Isınma hareketleri bu etkiye dayanır.

Kasılma tipleri

• Statik (izometrik) kasılma: Kuvvet uygulanır, kas boyu değişmez.
• Dinamik kasılma:
• İzotonik kasılma: Kasın boyu kısalır, iş yapılır.
• Konsantrik kasılma: Kas kısalır.
• Eksentrik kasılma: Kas uzar.
• İzokinetik kasılma: Sabit hızda kasılma.

İzometrik Kasılma

• Kas kasılır fakat boyu değişmez.
• Eklemlerde hareket olmaz, fakat kas gerimi artar.

İzotonik kasılma

• Kasta hareket oluşur, boyu kısalır ve iş yapılır.

Konsantrik Kasılma

• Kas tonusu sabittir, kas kısalır.

Eksentrik Kasılma

• Kas uzar, fakat aynı zamanda tonusu ve gerilimi de artar.

Oksotonik Kasılma

• İzometrik ve izotonik kasılmalar art arda gerçekleşir.

İzokinetik Kasılma

• Sabit hızda gerçekleşen kasılmadır

Kalp Kasında Aksiyon Potansiyeli ve Kasılma

• Kalp kası hücrelerinde aksiyon potansiyeli, sodyum (Na+), kalsiyum (Ca2+) ve potasyum (K+) iyonlarının akışıyla düzenlenir.
• Aksiyon potansiyeli oluşumu ve yayılımı sinir ve iskelet kasına benzer
• Aksiyon potansiyeli, kalsiyumun hücreye girmesi ve hücre içi kalsiyum depolarından salınması kasılmayı tetikler.

Refrakter Dönem

• Kalp kası depolarize olduğu sürece uyarılara cevap vermez.
• Mutlak refrakter dönemde (0-200 ms) kas uyarılara cevap vermez.
• Relatif refrakter dönemde (200-250 ms) kas normalin üzerinde uyarılara cevap verebilir.