Kas Fizyolojisi: İletim ve Kasılma

İşte sağlanan metinden çıkarılan çalışma notları:

İskelet Kasında İletim ve Kasılma Biyofiziği

• Kasın temel işlevi, fizyolojik bir uyarıya tepki olarak güç veya hareket yaratmaktır.
• İnsan vücudu, belirli görevler için ayarlanmış üç ana kas türü içerir.

Kas Çeşitleri

• İskelet kasları, kemiklerin istemli hareketini sağlamak için hareket ve iş üretiminden sorumludur.
• İskelet kasları diyaframın kasılması yoluyla solunumu kontrol etmede ve venöz kanın kalbe dönüşüne yardımcı olmaktadır.
• Kalp kası özel olarak kalpte bulunur ve kanı akciğerlere ve vücuda pompalayan biyomekanik pompadır.
• Düz kas, sindirim, idrar ve üreme kanallarının yanı sıra dolaşım ve solunum sistemlerindeki damarların ve hava yollarının mekanik kontrolünü düzenler.

Kas Kasılmasına Genel Bakış

• Kas kasılması, kimyasal nörotransmitterler, parakrin faktörler (lokal olarak etkili hormonlar) veya doğrudan elektriksel uyarılma ile başlayabilir.
• Her temel kas türünün kendine özgü bir fizyolojik rolü vardır ve bu rolde kasılma hızı ve süresi, metabolizma, yorgunluk ve kasılma gücünü düzenleme yeteneği etkilidir.
• Bütün kaslar ATP hidrolizinden salınan kimyasal enerjiyi mekanik işe dönüştürür.
• Hem iskelet hem de kalp kası hızlı kuvvet üretirken, iskelet kası kasılma kuvvetini uzun süre koruyabilir.
• Kalp kası, ritmik aktiviteyi ömür boyu sürdürmek zorunda olsa da genellikle kısa süreler için kasılır.
• Düz kas kasılmayı geniş bir kuvvet aralığında ve idrar kesesi ve rahim gibi organların boyutlarındaki elastik değişikliklerde ayarlayabilir.
• Bazı dokulardaki düz kaslar, yorulmadan uzun süre kasılma sağlayabilir.
• Her üç kas tipi için de kas kasılmasını tetikleyen faktör, serbest sitozolik Ca konsantrasyonundaki artıştır.

İskelet Kası Anatomisi

• İskelet kasının kasılması, motor birimleri innerve eden motor nöronlarla başlar.
• Kasın en küçük kasılma birimi, çok çekirdekli uzun bir hücre olan kas lifi veya miyofibrildir.
• Doğrusal olarak hizalanmış kas lifi kümeleri fasiküller oluşturur ve fasiküller biceps gibi kasları toplu olarak meydana getirir.
• İskelet kası liflerinin ve bağ dokusunun organize yapısı, etkili mekanik kuvvet üretimine katkıda bulunur.
• Ayrı ayrı kas lifleri, endomisyum tarafından çevrelenir ve her lifin altında kas hücresinin plazma zarı olan sarkolemma yer alır.
• Her iskelet kası hücresi, plazma zarında yoğun şekilde düzenlenmiş paralel silindirik elemanlar olan miyofibriller içerir.
• Her miyofibril, çapraz çizgili düzenli birimlerde düzenlenmiş ince ve kalın lifler, yani miyofilamentler içerir.
• Kas kasılmasıyla bağlantılı ısı kavramına rağmen, kas dokusu kimyasal enerjiyi elektrik, ısı ve mekanik enerjiye dönüştürür.

Kasılma Mekanizması

• Bütün kasılma mekanizmalarında enerji ihtiyacı ATP'nin ADP'ye hidrolizi ile karşılanır.
• Kas kasılması, aktin ve miyozin proteinlerindeki konformasyonel değişikliklerden etkilenir.
• Bir miyofibril içinde yaklaşık 1.500 miyozin lifi ve 3.000 aktin lifi vardır.

Sarkomer Yapısı

• Polarizasyon mikroskobunda anizotropik ve çift kırıcı olduğu bulunmuştur, miyozin liflerini içeren bölge A bandı olarak bilinir.
• Sadece izotropik yapılı aktin liflerini içeren bölge I bandı olarak bilinir.
• İki Z çizgisi arasındaki bölge, sarkomer olarak bilinir.
• Bir sarkomerdeki A bandı içinde, aktin liflerinin olmadığı daha hafif bir alan vardır, bu alan H bandı olarak bilinir.
• Kasılma sırasında aşağıdakiler meydana gelir: Z çizgileri yakınlaşır, sarkomer kısalır, H bandı daralır, I bandı daralır, A bandı uzunluğu değişmez, aktin ve miyozin uzunlukları aynı kalır, kas daha kısa ve geniş hale gelir ancak hacmi aynı kalır.

Miyozin ve Aktin Filamentleri

• Kalın miyozin lifleri yaklaşık 14 nm çapında ve 1,6 μm uzunluğundadır ve birden fazla yan yana miyozin molekülünden oluşturulur.
• Miyozin molekülünün uzunluğu yaklaşık 140-150 nm'dir ve molekül ağırlığı 480.000'dir.
• Bir miyozin molekülü tripsin ile HMM (ağır meromiyozin) ve LMM (hafif meromiyozin) olmak üzere iki parçaya ayrılır.
• HMM daha sonra papain ile S-1 ve S-2 parçalarına ayrılır.

Miyozin Özellikleri

• Çift sarmal miyozin molekülünün LMM ve S-2 zincirleri "kuyruk" olarak bilinirken, küresel S-1 kısmı "baş" olarak bilinir.
• Baş bölgeleri ATPaz eyleminden sorumludur ve aktin lifi ile çapraz köprüler oluşturur.
• Miyozin molekülü LMM, S-2 ve S-1 bölgelerini birleştiren bağlantılarda bükülebilir.

Aktin Özellikleri

• Aktin lifinin "Baş kısmı", aktin molekülü ile çapraz köprüler oluşturan bir şekilde konumlandırılmıştır.
• Miyozin başı ATPaz enzimi görevi görür.
• Bu özellik, başın ATP'yi parçalamasına ve ortaya çıkan enerjiyi kasılma sürecinde kullanmasını sağlamaktadır.
• Aktin lifleri yaklaşık 5 nm çapında ve 1,5 um uzunluğundadır ve üç bileşenden oluşur.
  • F-aktin proteini, globular G-aktin moleküllerinden oluşturulan çift sargılı bir zincirdir.
  • Tropomiyozin, çift sargılı yapıdaki aktin fibrilinin ikinci bileşenidir.
  • Troponin (Tn), 79.000 molekül ağırlığına sahip bir globüler proteindir ve üç alt birimi vardır:
    • Tn-I (aktine bağlanır)
    • Tn-T (tropomiyozine bağlanır)
    • Tn-C (Ca²+ bağlar)

Ek kas proteinleri

• Titin molekülleri aktin ve miyozini bir arada tutmaya yardımcı olan iskelet proteinleri gibi davranır.
• Nebülin proteinleri diğer sarkomer proteinleriyle birlikte bulunur ve ince filamentin uzunluğunu düzenlemeye yardımcı olur.
• Titin ve Nebülin proteinlerinin kasılma sırasında oluşan gerilimi taşıdığı düşünülmektedir.

Motorlu Birimler

• Her kas lifinin bir motor sinir ucu ile bağlantısı olmalıdır.
• Bir kas lifi ve onu innerve eden motor nöron birim motor birimi oluşturur.
• Tek bir motor sinir lifi birden fazla kas lifini aktive edebilir.
• Motor birimlerin sayısı kasa göre değişmektedir, bazı kaslarda birkaç lif motor birim başına düşerken bazılarında çok daha fazla lif düşmektedir.
• Motor birimler tarafından innerve edilen kas lifleri, "hepsi veya hiçbiri" yasasına uygun olarak kasılır; yani sinir uyarıldığında tüm kas lifleri birlikte kasılır.
• Motor birimlerinin faydaları şunlardır: İrade kuvvetini arttırmak için daha fazla motor birim devreye girerek kademeli kuvvet üretmektedir. Ardışık hareketlerde farklı motor birimlerin devreye girmesi, eşzamanlı olmayan kasılmalar yoluyla yorgunluğu azaltır.

Uyarma-Kasılma Kuplajı

• Kas hücreleri, sinir hücrelerine benzer şekilde kimyasal, elektriksel ve mekanik eksitasyon yeteneklerine sahiptir.
• Uyarılma üzerine, kas hücreleri boyunca yayılan bir aksiyon potansiyeli üretilir.
• Sarkolemma üzerindeki T-tübül sisteminin terminal sisternalardaki reseptörlerle teması, aksiyon potansiyeli kas katılımına izin verir.
• Kas kasılmaları sitozolik Ca2+ seviyelerindeki artışa bağlıdır.
• İskelet kasında Troponin doygunluğuna ulaşmak için sadece 10 uM Ca²+ gerekir.

Nikotinik Ach Reseptörleri

• İskelet kaslarında postsinaptik uç plaklarda, sinir ile kas arasındaki iletişimi sağlayan nikotinik Ach reseptörleri vardır.
• Ach bağlanma bölgelerine Ach bağlandığında, kanallar açılarak sodyum akışını kolaylaştırır.

Ca²+ Salımı Mekanizmaları

• Sarkoplazmik retikulum, kas kasılması için gerekli olan Ca²+ sağladığı en önemli yerdir.
• Yüzeyde yayılan depolarizasyon, T-tübül sistemi aracılığıyla hücrenin içine de iletilir.
• Terminal sisternalardaki sarkoplazmik retikulumun keseciklerinden 3 farklı Ca2+ salınımı vardır:
  • Ca2+ kaynaklı Ca2+ salınımı etkileşimindedir.
  • Elektriksel etkileşim
  • Mekanik etkileşim

Kayan Filament Modeli

• O zamanlar, kas kasılmasının protein moleküler kısalmasından kaynaklandığına inanılıyordu.
• Hugh Huxley ve Andrew Huxley tarafından 1954 yılında yapılan ince analizler, kasılmanın aktin üzerinde miyozin liflerinin kaymasından kaynaklı olduğunu göstermiştir.
• Kayan filament teorisine göre, kasılma aktin ve miyozin lifleri arasındaki döngüsel etkileşimlerden kaynaklanmaktadır.
• Kas dinlenme halindeyken, tropomiyozin-troponin kompleksi aktin lifi üzerindeki miyozin bağlama yerlerini bloke ederek kas hareketini kısıtlar.
• Ca2+ konsantrasyon seviyeleri yükseldiğinde, Ca iyonları Tp-C'ye bağlanır, tropomiyozinin konum değiştirmesine ve miyozin bağlama bölgelerinin açığa çıkmasına neden olmaktadır.
• Kasılma sırasında ATP'nin hidrolizi, miyozin çapraz köprülerinin kuvvet uygulama ve aktin filamentleri boyunca yürüme yeteneğini güçlendiren bir işlemi etkinleştirmek için ATP molekülünü kullanır.
• Bir kuvvet vuruşundan sonra aktin ve miyozin bağlandığında, ATP miyozine yeniden bağlanır, çapraz köprüyü aktinden serbest bırakır ve süreci yeniden başlatır.
• Kayan filament teorisine göre, ince filamentlerin kalın filamentler üzerinde kayması sarkomeri kısaltır ve kas kasılmasına yol açar.
• Aktinin kaymasını sağlayan enerji tüketilir ve bir kasın kasılması için kullanılır.

Gevşeme

• Bu olay döngüsünün devam edebilmesi için, sitoplazmik serbest Ca+2 seviyelerini artırmak gereklidir.
• Sitozoldeki Ca2+ geri alındığında, tropomiyozin aktin üzerindeki miyozin bağlanma bölgesini yeniden engellemekte, kasılma sona ermektedir.
• Nadir durumlarda, ATP eksikliğiyle birleşen aşırı kas çalışması, kasların kasılmasına ve sonuçta katılaşmaya yol açabilir. Bu olaya "Rigor Mortis" denir.

Kas Sarsıntısı

• Kas sarsıntısı, kasa uygulanan tek bir uyaranın neden olduğu tek bir kasılma ve gevşeme döngüsüdür.
• İskelet kası AP'si kısa ömürldür: kasılma başlamadan tamamlanır.

Frekans Birikimi

• Ardışık yüksek frekanslı uyaranlar için kas yanıtlarını toplamak, kasın daha güçlü kasılmasına neden olabilmektedir.
• Kası uyarmaya devam edilirse, kasın üretebileceği azami gerilime ulaşılmaktadır.
• Kas gerilimi kademeli olarak azaldığında ve gevşemeler sergilediğinde tamamlanmamış tetanoz oluşur.

Tetanus

• Uyarıların frekansı daha da arttırılırsa, kas tam tetanoz durumuna girer.
• Uyarıcıyı bıraktıktan sonra, kas yorgunluğundan dolayı gevşemeye başlar.

Treppe (Merdiven) Etkisi

• Dinlenme periyodundan sonra, kas tekrarlayan uyarılmaya sokulursa, ilk uyarılmalara cevaplar artar.
• Bunun nedeni her uyarandan kalan aşırı Ca'nun kas kasılmasını harekete geçirmesidir.

Kasılma Tipleri

• Kasılmalar statik veya dinamik olabilir.
• Statik kasılmalar sırasında kas boyu değişmez, örneğin izometrik kasılmalar. Dinamik kasılmalar sırasında kas boyu değişir, örneğin izotonik, konsantrik, eksantrik ve izokinetik kasılmalar.

İzometrik Kasılmalar

• Sabit bir dirence karşı kuvvet uygulanır, kas yapısında herhangi bir deformasyon bulunmadığı için statik kasılmadır.
• Eklem hareketi olmamasına rağmen, kas tonusu artar ve kas uzunluğu değişmez. Bir nesneyi hareket ettirmeye çalışmak, aktif değilken bir nesneyi desteklemek izometrik hareketlere örnektir.

İzotonik Kasılmalar

• Kas boyu değişir ve kas bir iş yapar.

Konsantrik Kasılmalar

• Kas kasılmasına, kasın kısalmasına neden olur.
• Kasta gerginlik oluşur, kas kasılarak kasın bağlanma noktaları birbirine yaklaşır. Bu tip kasılma, bir ağırlığı yukarı kaldırmak gibi eylem veya hareketlerin çoğunu başlatır.

Eksantrik Kasılmalar

• Kas kasılırken, aynı zamanda uzar.

Oksotonik kasılma

• İzotonik ve izometrik kasılma kombinasyonu

İzokinetik kasılma

• İzokinetik kasılmalarda, kaslar tam hareket aralığı boyunca üniform hızda kasılır
• Kas yükü değişken hızda yüklenir
• Yüklemesi hareket aralığı boyunca hızla değiştirir.

Kalp Kası

• Kalp kasındaki aksiyon potansiyeli beş faza ayrılabilir (0-4).
• Kalp kası dokusu diğer kas dokularından farklılık göstermektedir.
• Aksiyon potansiyeli sırasındaki repolarizasyonun engellenmesi relatif refrakter faz olarak adlandırılır.
• Uyarıcıların yoğunluğu arttırılırsa bile, bu fazda ikinci bir aksiyon potansiyeli indüklenemez.
• Her hücre tipinin kendine özgü aksiyon potansiyeli olduğu ve bu aksiyon potansiyellerinin hücrenin fonksiyonunu tayin ettiği belirlenmiştir.