İskelet Kasında İletim ve Kasılma Biyofiziği

• İskelet Kasında İletim ve Kasılma Biyofiziği

Kasların Temel İşlevi

• Kasların birincil görevi, fizyolojik bir uyarıya yanıt olarak kuvvet veya hareket oluşturmaktır.

Kas Çeşitleri

• İnsan vücudunda özel işlevlere adapte olmuş üç ana kas türü bulunur: iskelet kası, kalp kası ve düz kas.
• İskelet kası, kemiklerin istemli hareketlerinden sorumludur ve hareket ile iş üretir.
• İskelet kası, diyafram kasılması yoluyla solunum döngüsünü kontrol eder ve venöz kanın kalbe dönüşüne yardımcı olur.
• Kalp kası, kanı akciğerlere ve dokulara ileten pompadır ve kalbe özgüdür.
• Düz kas, sindirim, idrar, üreme yolları gibi organ sistemlerinde ve dolaşım ile solunum sistemlerinde mekanik kontrol sağlar.

Kasılma Mekanizmaları

• Kas kasılması, kimyasal bir nörotransmiter, parakrin faktör veya doğrudan elektriksel uyarılma ile başlar.
• Temel kas tiplerinin her birinin kasılma hızı, süresi, metabolizması, yorgunluk ve kasılma gücü düzenleme yeteneği farklıdır.
• Bütün kaslar, ATP hidrolizi ile açığa çıkan kimyasal enerjiyi mekanik işe dönüştürür.
• Hem iskelet hem de kalp kası hızlı kuvvet geliştirme ve kısalma yeteneğine sahiptir.
• İskelet kası uzun süre kasılma kuvvetini korurken, kalp kası kısa süre kasılır ve ritmik aktiviteyi sürdürür.
• Düz kas; iskelet kası gibi geniş bir kuvvet aralığında kasılabilir ve organlardaki elastik değişiklikleri düzenler.
• Düz kas bazı dokularda uzun süre yorulmadan kasılabilir.
• Kas kasılması için tetikleyici faktör tüm kas türlerinde serbest sitozolik Ca konsantrasyonundaki artıştır.

İskelet Kası Yapısı

• İskelet kasının kasılması, motor üniteleri innerve eden motor nöronlar tarafından başlatılır.
• İskelet kasının en küçük kasılma birimi, çok çekirdekli ve uzun bir hücre olan kas lifi (miyofibril) olarak adlandırılır.
• Doğrusal olarak hizalanmış kas lifi demeti fasikülü oluşturur.
• Fasikül demetleri bir araya gelerek kası oluşturur (örneğin, biceps).
• İskelet kası liflerinin organize yapısı, vektörel mekanik kuvvet üretimine olanak tanır.
• Tek kas lifleri endomisyum ile çevrilidir.
• Her kas lifinin altında sarkolemma (kas hücresinin plazma zarı) bulunur.
• Miyofibriller, sarkolemmanın altında yoğun ve paralel düzenlenmiş silindirik elemanlardır.
• Miyofibriller esas olarak ince ve kalın filamentler içerir ve sarkomer adı verilen düzenli birimlerden oluşur.

Kas Enerjisi ve Kasılma

• Kasların kasılması 19. yüzyılda ısı makinesine benzetilmiş olsa da, kas dokusu kimyasal enerjiyi elektrik, ısı ve mekanik enerjiye dönüştürdüğü anlaşılmıştır.
• Kaslar sabit basınç ve sıcaklıkta çalıştığı için serbest enerji harcanması gerekir ve ısı bir yan ürün olarak ortaya çıkar.
• Kasılma mekanizmalarında enerji, ATP'nin ADP'ye hidrolizi ile sağlanır.
• Kas kasılması, aktin ve miyozin proteinlerindeki konformasyonel değişikliklere bağlı etkileşimlerden kaynaklanır.

Sarkomer Bölgeleri

• Miyofibrilde kalın miyozin filamentlerinin sayısı yaklaşık 1500, ince aktin filamentlerinin sayısı ise yaklaşık 3000'dir.
• Polarizasyon mikroskobunda anizotropik ve çift kırıcı özellikteki miyozin filamentlerinin bulunduğu bölgeye A bandı denir.
• Sadece izotropik aktin filamentlerinin bulunduğu bölgeye I bandı denir.
• İki Z çizgisi arasındaki bölgeye sarkomer denir.
• Sarkomerin A bandında, kasın uzatılmasıyla belirginleşen ve aktin filamentlerinin olmadığı aydınlık bölge H bandı olarak adlandırılır.

Kasılma Esnasında Sarkomerde Meydana Gelen Değişimler

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

Miyozin Filamentleri

• Kalın miyozin filamentleri 14 nm çapında, 1.6 µm uzunluğundadır ve yan yana dizilmiş 200-400 miyozin molekülünden oluşur.
• Miyozin molekülü 140-150 nm uzunluğunda ve 480.000 molekül ağırlığında bir proteindir.
• Tripsin enzimi miyozin molekülünü hafif meromiyozin (LMM) ve ağır meromiyozin (HMM) olarak ikiye ayırır.
• HMM, papain enzimi etkisiyle globular yapıdaki S-1 ve çubuk benzeri S-2 alt parçalarına ayrılır.
• Miyozin molekülünün çift sarmal yapısındaki LMM ve S-2 zincirleri kuyruk, globular yapıdaki S-1 kesimi baş olarak adlandırılır.
• Baş kesimleri ATPaz işlevi görür ve aktin filamentleri ile etkileşerek çapraz köprü oluşturur.
• Miyozin molekülü; LMM, S-2 ve S-1 kesimlerinin birleştiği noktalardan bükülebilir.
• Miyozin filamentini çapraz köprüye bağlayan S-2 kesimi esnektir.
• Miyozin başı aktin ile çapraz köprü oluşturacak şekilde konumlanmıştır ve ATPaz enzimi işlevi görür, ATP'yi yıkarak kasılmada enerji sağlar.

Aktin Filamentleri

• Aktin filamentleri, 1.5 µm uzunluğunda ve 5 nm kalınlığında olup, üç farklı bileşenden oluşur.
• Bu bileşenlerden ilki, ikili sarmal yapıda F-aktin proteinidir.
• F-aktin proteini, globular G-aktin moleküllerinin polimerizasyonu ile oluşur.
• İkinci bileşen, ikili sarmal yapıda tropomiyozin zinciridir.
• Üçüncü bileşen, 79.000 molekül ağırlığına sahip globular bir protein olan Troponin (Tn)'dir ve üç alt bileşenden oluşur.
• Tn-I aktin,
• Tn-T tropomiyozin,
• Tn-C Ca²+iyonlarına bağlanır.

Titin Ve Nebülin

• Titin molekülleri; aktin ve miyozin moleküllerini bir arada tutar, iskelet görevi görür ve esnek bir yapıya sahiptir, bu nedenle en büyük protein moleküllerindendir.
• Nebulin, sarkomer proteinleriyle birlikte bulunur ve ince flamentin uzunluğunu düzenler.
• Titin ve nebulin kasılma sırasında ortaya çıkan yükü taşır.

Motor Üniteler

• Her kas lifi, bir motor sinir ucu ile bağlantılı olmalıdır.
• Bir motor nöron ve innerve ettiği kas lifleri birlikte motor ünite olarak adlandırılır.
• Bir motor sinir lifi, aynı anda çok sayıda kas lifini uyarabilir.
• Motor birim sayısı kasların işlevine göre değişir. Örneğin, göz kaslarında bir motor ünite 6-30 kas lifinden oluşurken, bacak kaslarında 1000'den fazla lif bulunabilir.
• Motor birimler tarafından uyarılan kaslar "hep ya da hiç" prensibine göre kasılır; yani bir sinir uyarıldığında innerve ettiği tüm kas lifleri birlikte kasılır.

Ya Hep Ya Hiç Yasası

• Tek bir nöron veya kas hücresi eşik değerin altında bir uyarana yanıt vermez, fakat eşik üstündeki uyaranlara yanıt verir.
• Uyarı şiddeti artsa bile aksiyon potansiyelinin genliği artmaz.

Motor Birimlerin Faydaları

• Motor birimlerin temel faydalarından biri kademeli kuvvet üretimidir: Daha fazla güç gerektiğinde daha fazla motor birim devreye girerek kasın daha fazla güç üretmesini sağlar.
• Aralıklı (asenkron) kasılma: Ardışık hareketlerde farklı motor birimlerin kasılmasıyla kas yorgunluğunu azaltır.

Uyarılma - Kasılma Eşleşmesi

• Kas hücreleri, sinir hücreleri gibi, kimyasal, elektriksel ve mekanik olarak uyarılabilir.
• Bu hücreler aksiyon potansiyeli üretir.
• Sinir-kas kavşağında sinaptik iletim sonrası kas lifi zarında oluşan son plak potansiyeli yeterli düzeye ulaşırsa, kas lifi zarında aksiyon potansiyeli oluşur ve yayılır.
• Kas lifinde aksiyon potansiyelinin gelişmesinden kasılmanın başlamasına dek geçen olayların tümüne uyarılma-kasılma eşleşmesi denir.
• Kas aksiyon potansiyelinin süresi 1-5 ms, iletim hızı ise nöronlara kıyasla düşük (3-5 m/s) kadardır.
• Kasılma, hücre içi Ca²+ düzeyinin artmasıyla gerçekleşir.
• İskelet kasında troponini doyurmak için gerekli Ca²+ düzeyi 10 µM kadardır ve kalp kasında bu miktar daha azdır.
• Nikotinik asetilkolin reseptörleri, iskelet kaslarında sinirden kasa iletimi sağlar ve aktive olduklarında hücreye sodyum girişini sağlarlar.
• Kasılma için gereken Ca²+ iyonlarının kaynağı sarkoplazmik retikulumdur.
• Depolarizasyon, T tübül sistemi aracılığıyla hücrenin iç bölgelerine ulaşır. Sarkoplazmik retikulumdan Ca²+ salınımı üç mekanizma ile gerçekleşir:
• Ca²+ tetiklemeli Ca salınımı: Hücre içine giren Ca etkileşerek SR'deki Ca kanallarını açar.
• Elektriksel etkileşim: T tübüllerindeki voltaj bağımlı reseptörler sarkoplazmik retikulum üzerindeki riyanodin reseptörlerini etkileyerek kalsiyum salınımını sağlar.
• Mekanik etkileşim: T sistem ve SR zarlarının yakın temasında proteinlerin sürtünmesiyle SR'deki Ca kanalları açılır.
• Hücre dışı ortam da Ca²+ kaynağıdır; depolarizasyon sırasında voltaj bağımlı Ca kanalları açılarak Ca²+ iyonları hücreye girer.
• Dış zarda bulunan Na-Ca değiş-tokuş mekanizması da Ca²+ sağlanmasında rol oynar.
• Bu mekanizma ile Na+ ve Ca²+ iyonlarından serbest enerji farkı fazla olan iyonun enerjisi kullanılır, ve diğer iyon ters yönde taşınır. Dinlenme koşullarında Na+ dağılımından güç alarak Ca'u hücre dışına taşırken, depolarizasyonda Ca'dan güç alarak Ca iyonlarını içeri, Na iyonlarını dışarı taşır.
• Sarkoplazmadaki serbest Ca²+ seviyesi yüksek kaldığı sürece kas kasılması devam eder.
• Sarkoplazmik retikulum çeperlerindeki sürekli aktif kalsiyum pompası, Ca²+ iyonlarını retikulum keseciklerine geri pompalayarak miyofibrillerdeki Ca²+ konsantrasyonunu düşürür.
• Gevşeme sırasında, hücre içi Ca²+ düzeyinin düşürülmesinde Na-Ca değiş tokuş mekanizması önemli rol oynar.
• Kayan filamentler modeline göre kasılma, protein moleküllerinin kasılmasıyla değil miyozinin aktin üzerinde kaymasıyla gerçekleşir.
• Dinlenim halindeyken troponin kompleksi üzerindeki tropomiyozin aktin üzerindeki miyozin bağlanma bölgelerini kapatır; Ca iyonları Tp-C ile birleştiğinde tropomiyozin aktif bölgeleri açığa çıkarır.
• Dinlenim durumunda ATP, miyozin başına bağlanır ve ATPaz aktivitesi ile ADP ve Pi'ye ayrışır, Miyozin baş kısmı aktin filamentine uzanır fakat bağlanmamıştır. Sitozolik Ca artışı ile aktin bölgeleri açılır ve miyozin çapraz köprüleri bağlanır.
• Aktin'e bağlanan miyozin başı, menteşe bölgesinden eğilerek "güç vurumu" veya "kürek hareketi" yapar ve aktin flamentini çeker. Bu işlem esnasında enerji ATP hidrolizinden gelir.
• ADP ve Pi'nin salınımı sonrasında ATP'nin miyozine tekrar bağlanması, çapraz köprülerin aktinden ayrılmasını sağlar.
• Miyozin, ATP'nin hidrolizi ile aktine dikey pozisyonda yeni bir güç vurumu döngüsüne başlar.
• ATP'nin miyozine bağlanması döngünün tekrarlanmasını sağlar. Hücre içi Ca düzeyi yüksek tutulduğu sürece çapraz köprü döngüsü devam eder. Aktin ve miyozin filamentinin kaymasıyla sarkomer kısalır ve kas kasılır.
• Aktin ve miyozin filamentlerinin kayması için gereken enerji ATP hidrolizi ile sağlanır.
• Hücre içi Ca yoğunluğu azaldıkça Tp-C'den Ca ayrılır ve tropomyozin aktin bağlanma bölgelerini kapatarak kas gevşemesini sağlar.
• ATP yetersizliğinde aktin-miyozin köprüleri ayrılamaz ve kaslar gevşeyemez, bu duruma rigor mortis (ölüm katılığı) denir. Sitoplazmada biriken Ca'un geri alınamaması çapraz köprülerin engellenmesine yol açar
• Ölüm katılığı 3-4 saat sonra başlar, 12 saat tamamlanır ve 48-60 saat sonra kaybolur.
• Kasın kısa süreli bir uyarana gösterdiği kasılma-gevşeme yanıtına "kas sarsı" denir.
• Kas sarsı devam ederken yeni uyarılar verilirse daha yüksek bir yanıt alınır, bu duruma "frekans birikimi (summasyonu)" denir ve kasılma yeteneği artar. Frekans devam ederse kas gücü artar ve kas tonusu oluşur; bu noktada "tam olmayan tetanoz" oluşur. Yüksek frekanslı uyaranlarda kas tam tetanoz durumuna geçer ve sürekli kasılı kalır. Fakat bu uyarılar devam etse bile ardından Tetanus sonrası yorgunluk oluşarak kasılma azalır.
• Uyaran şiddeti artarken uyaranlar arası süre sabit tutulursa, uyaranların şiddetine bağlı olarak artan bir güç oluşur, buna "treppe (merdiven) etkisi" denir ve kalsiyum iyonlarının kasılmayı güçlendirmesine dayanır.

Kasılma Tipleri

• Statik (İzometrik) kasılma
• Dirence karşı kuvvet uygulanırken kas boyunda değişiklik olmaz.
• Eklemde hareket oluşmaz, kas gerilimi artar.
• Örnekler: bir objeyi ittirme, duruşu koruma
• Daha fazla enerji tüketilir.
• Dinamik Kasılma (İzotonik)
• Dinamik bir kasılma tipidir, kas boyunda değişiklik olur.
• Eklemde hareket oluşur, kas boyu kısalır ve iş yapılır.
• Konsantrik: kasın kısalarak kasılması, (ağırlık kaldırma)
• Eksantrik: kasın uzayarak kasılması (yere ağırlık indirme)
• Oksotonik kasılma, izometrik ve izotonik kasılmalar art arda ve iç içe olmaktadır (koşma).
• İzokinetik kasılmada hareket sabit hızda yapıdır ve direnç dinamik olarak değişir.

Kalp Kası

• İskelet kasından farklı olarak kalp kası aksiyon potansiyeli uzun sürelidir ve kasılma aksyon potansiyeli ile aynı zamandadır
• Mutlak refrakter dönem ise, kalp kasının depolarize olduğu süredir
• Refrakter dönemde kalp kası uyarılara yanıt vermez.

Çeşitli Hücrelerde Aksiyon Potansiyeli

• Sinir hücresinin aksiyon potansiyeli 1 milisaniye, çizgili kas hücresinin 4 milisaniye, kalp kası hücresinin aksiyon potansiyeli ise 200 milisaniyedir.