Kas Fizyolojisi Ders Notları PDF

İSKELET KASI FİZYOLOJİSİ 1 Doç.Dr Bilal ÇİĞ  KAS FİZYOLOJİ Vücudun %40’ı çizgili, %10’u düz olmak üzere, %50’si kastır. Kasların temel Kasların bazıları görevi kuvvet somatik bazıları oluşturmaktır...

İSKELET KASI FİZYOLOJİSİ 1 Doç.Dr Bilal ÇİĞ  KAS FİZYOLOJİ Vücudun %40’ı çizgili, %10’u düz olmak üzere, %50’si kastır. Kasların temel Kasların bazıları görevi kuvvet somatik bazıları oluşturmaktır otonom sinir sisteminin kontrolü altındadır. YAPI VE FONKSİYONLARINA GÖRE KASLAR İskelet Kasları Kalp Kası Düz Kaslar Kasların temel özellikleri Eksitabilite (Uyarılabilme) Konduktivite (İletebilme) Kontraktilite (Kasılabilme) Elastisite (normal boyuna dönebilme) Viskozite  Kasların Temel Fonksiyonları Hareket (Agonist, antagonist, stabilizatör, nötralizör rol ) ve postürü sağlama Koruma Isı üretimi Mekanik iş yapabilme yeteneği 6  İskelet Kasının Fizyolojik Özellikleri İskelet kasları, çapı 10-80 μm arasında değişen çok sayıda liften oluşmuştur Bu liflerin herbiri daha küçük altbirimlerden meydana gelir %2'si dışında, her bir lif orta bölgesinde tek bir sinir ucu ile inerve edilir 7 Miyositler Bütün iskelet kasları; – çapı 10-80 mikrometre – uzunluğu 1-120 mm olan çok sayıda kas lifinden oluşmuştur. Her bir lifin üzeri endomisyum denen bağ doku ile sarılmıştır Belirli sayıda lifler (10-50) bir araya gelerek kas lifi demetini (fasikülleri) oluşturur.Demetin üzeri perimisyum denen bağ dokusu ile örtülüdür. Fasiküller kası oluşturur. Ve epimisyum ile örtülüdür.  İskelet Kas Lifi (hücresi) Sarkolemma: Sarkoplazmikretikulum Sarkolemma kas lifinin hücre membranıdır Sarkolemma, plazma membranı ile birçok ince kollajen lif içeren bir polisakkarit tabakasından meydana gelen dış kılıftan ibarettir Kas lifinin ucunda, sarkolemmanın bu yüzey tabakası bir tendon lifiyle kaynaşır Daha sonra tendon lifleri demetler halinde birleşir ve kemiğe yapışırlar 10  İskelet Kas Lifi Miyofibriller; Aktin ve Miyozin Filamentleri: Her kas lifi birkaç yüz ile birkaç bin arasında miyofibril içerir Her miyofibrilde yan yana uzanan yaklaşık 1500 miyozin filamenti ve 3000 aktin filamenti vardır Bunlar kas kasılmasından sorumlu olan büyük polimerize proteinlerdir Kalın filamentler miyozin, ince filamentler aktin’dir 11  İskelet Kasında A ve I Bantları Miyozin ve aktin filamentlerinin kısmen iç içe girmesi koyu ve açık bantlar oluşturur Açık bantlar sadece aktin filamentlerini içerir ve I bandı adını alır, çünkü polarize ışığa izotropiktirler Koyu bantlar miyozin filamentlerini ve aralarına giren aktin filamentlerinin uçlarını içerir. Koyu bantlara A bandı denir, çünkü polarize ışığa anizotropiktirler 12  Miyofibriller; Aktin ve Miyozin Filamentleri Aktin Miyozin Çapraz Köprüsü: Miyozin filamentlerinin yan taraflarından çıkan küçük uzantılar çapraz köprüler oluşturur Çapraz köprülerin aktin filamentleri ile etkileşimi kasılmaya neden olur Aktin filamentlerinin ucu Z disklerine tutunur 13  Miyofibriller; Aktin ve Miyozin Filamentleri Aktin filamentleri Z diskinden her iki yöne doğru uzanarak miyozin filamentlerinin arasına girer Z diski, miyofibriller arasında çapraz uzanır ve bir miyofibrili diğerine bağlar Dolayısıyla tek miyofibrilde olduğu gibi, bütün kas lifi boyunca da açık ve koyu bantlar görülür Bu bantlar iskelet ve kalp kasına çizgili görünüm verirler 14 Sarkomer 15  Sarkomer İki Z çizgisi arası miyofibril bölümüne sarkomer denir Kas lifi kasıldığı zaman sarkomer boyu yaklaşık 2 μm’dir Bu boyda aktin, miyozinin üzerini örter ve uçları birbirine yaklaşır Sarkomer en büyük kasılma gücünü 2,2 μm boyda oluşturur 16 Sarkomer Diğer Kas Proteinleri Kaslarda bulunan diğer önemli proteinler, kasılmaya katılan proteinlerin birbirleriyle ve hücre dışı matriksle uygun yapısal ilişkilerinin korunmasından sorumlu olan aktinin, titin ve desmindir. α-Aktinin, aktini Z çizgilerine bağlar. Nebulin, Globüler aktin moleküllerini birbirine bağlar. Titin, bilinen en büyük proteindir (moleküler ağırlığı yaklaşık 3,000,000 Da’dır), kalın flamanları her iki taraflarından ikişer olmak üzere 4 adet titin elastik proteini ile Z diskine tutturur. Sarkomerin aşırı gerilimini önler. Desmin, Z çizgilerini plazma zarına bağlar. Distrofin, aktini kas membranına bağlar ve intrasellüler stabiliteyi oluşturur. 19  Miyofilamentleri Düzenleyen Moleküller Titin Molekülleri: Titin molekülü aktinle miyozini birbirine bağlar Vücuttaki en büyük protein moleküllerinden biridir, sadece çizgili kaslarda bulunur Sclerodermada titine karşı otoantikorlar gelişir Ayrıca filamentöz olduğu için çok esnektir Sarkomerin istirahat düzeyine geri gelmesini düzenler http://www.bms.ed.ac.uk/research/others/smaciver/Sarco.gif 20  Miyofilamentleri Düzenleyen Moleküller Nebulin: Yine Z diskinden başlar ve aktinin uzunluğunda değişimlere hassastır Tropomodulin: Aktinin eksi ucunda bulunan bir başlık proteinidir ve aktinin uzunluğunu düzenler. Bu proteinin inhibe edilmesi aktinin uzamasına neden olur Cap Z: Aktin uzunluğunun artmasını engelleyen Z diskine tutunan bir başlık proteinidir. 21  Sarkoplazma Miyofibriller arası boşluklar sarkoplazma denilen intraselüler bir sıvı ile doludur Sarkoplazma sıvısı çok miktarda potasyum, magnezyum, fosfat ve enzimler içerir Aynı zamanda miyofibrillere paralel olarak çok sayıda mitokondri bulunur Mitokondri tarafından üretilen ATP kasılabilir miyofibrillere büyük miktarda enerji sağlar 22  Sarkoplazmik Retikulum (SR) Kas endoplazmik retikulumuna sarkoplazmik retikulum denir Kas liflerinin hızlı kasılan tiplerinde yoğun SR bulunur SR bir T-tübülünden diğer T-tübülüne uzanan sarkomere parelel tübüllerden meydana gelir Bir T-tübülü ile ona bitişik olan iki sarkoplazmik retikulum bölgesine triad adı verilir 23 Sarkoplazmik Retikulum (SR) 24  KAS KASILMASININ GENEL MEKANİZMASI Kas kasılmasının basamakları: 1) Aksiyon potansiyeli motor sinir boyunca kas lifine kadar yayılır 2) Her sinir ucundan nörotransmiter olarak Ach salgılanır 3) Ach, membrandaki asetilkolin kapılı Na+ kanallarını açar 4) Kas lifinde oluşan aksiyon potansiyel T-tubulleri boyunca yayılır 5) SR’dan Ca2+ salınır ve aktin- miyozin çapraz köprüsü ile 25 kasılma gerçekleşir Motor Ünite Tek bir somatik motor nöron tarafından innerve edilen kas liflerinin tümüne birden motor ünite denir. Motor ünitedeki ortalama kas lifi sayısı 100-150 kadardır. Motor birim özellikleri: Motor ünitedeki kas liflerinin sayısı hızlı tepki gösteren ve ince ayar gerektiren küçük kaslarda azdır (göz, el kasları gibi). İnce ayar gerektirmeyen kaslarda ise bir birimde yüzlerce kas lifi bulunur (sırt, bacak kasları gibi). 28  Kas Kasılmasının Moleküler Mekanizması Kas Kasılmasının Kayan İplikçik Mekanizması: – Gevşek durumda, aktin filamentierinin uçları, belli belirsiz miyozin üstündedir – Kasılı durumda ise aktin, miyozin filamentleri arasında ortaya doğru çekilmiş, uçları en yüksek oranda üstüste binmiştir – Z diskleri de, aktin tarafından miyozinin uçlarına kadar çekilmiştir – Böylece kas kasılması kayan iplikçik mekanizmasıyla oluşur 29  Kas Kasılmasının Moleküler Mekanizması Aktinin, miyozin arasında kaymasını miyozinin çapraz köprüleri ile oluşturulan mekanik güçler yaratır Bir AP kas lifi membranında yayılması SR’un Ca2+’mu hızla serbestletir Bu Ca2+ aktin-miyozin arasındaki güçleri aktive eder ve kasılma başlar Kasılma için enerji ATP’den elde edilir 30 Kas Kasılmasının Moleküler Mekanizması 31 Filamentlerin Moleküler Özellikleri 32  Filamentlerin Moleküler Özellikleri Miyozin Filamenti: Miyozin molekülü herbiri 2 ağır zincir ile 4 hafif zincir olmak üzere 6 polipeptit zincirinden oluşur İki ağır zincir bir çift sarmal oluşturmak üzere birbiri etrafına spiral olarak sarılır Miyozin molekülünün bu sarmalına kuyruk adı verilir 33  Filamentlerin Moleküler Özellikleri Miyozin Filamenti: – Zincirlerin bir ucu kıvrılarak miyozin başını meydana getirir – Çift sarmal miyozinde iki serbest baş vardır – Her serbest başta iki tane hafif zincir bulunur – Bu hafif zincirler kas kasılması sırasında başın fonksiyonunu kontrol etmeye yardım eder  Filamentlerin Moleküler Özellikleri Miyozin Filamenti: Kuyruk kısmı demetler halinde toplanır ve gövdeyi oluşturur; baş ise gövdeden dışarı doğru sarkar Dışarı doğru uzanan kol ve başlara birlikte çapraz-köprü denir Her çapraz köprünün menteşe denilen kısmı ile başın kolla birleştiği yer bükülebilir 35  Filamentlerin Moleküler Özellikleri Miyozin Filamenti: Her miyozin filamentinin toplam uzunluğu 1,6 μm’dir Miyozinin ortasında, 0,2 μm’lik bir alanda çapraz köprü başları yoktur Ayrıca, miyozin kendi etrafında döner ve her çapraz köprü seti ve bir önceki setten 120 derece aksiyal olarak yer değiştirir Bu durum çapraz köprülerin filamentin etrafında her yönde uzanmasını sağlar 36  Filamentlerin Moleküler Özellikleri ❖Miyozin Başının ATPaz Aktivitesi: ❖ Miyozin başı ATPaz enzimi olarak fonksiyon görür ❖ Bu özellik başın ATP'yi yıkmasını ve elde edilen enerjiyi kasılma işlemini gerçekleştirmek için kullanır 37  Filamentlerin Moleküler Özellikleri Aktin Filamenti: – İnce Flament üç protein bileşeninden oluşur: F-aktin Tropomiyozin Troponin – Aktin filamentinin belkemiği, çift-sarmal F-aktin protein molekülüdür – Çift F-aktin sarmalındaki ipliklerin her biri, polimerize G-aktin moleküllerinden oluşmuştur 38  Filamentlerin Moleküler Özellikleri Aktin Filamenti: 39  Filamentlerin Moleküler Özellikleri Aktin Filamenti: – Her G-aktin molekülüne bir ADP molekülü tutunmuştur – Bu ADP molekülleri, kas kasılması sırasında aktin filamentlerinin miyozinin çapraz köprüleriyle etkileştiği aktif bölgelerdir – Çift sarmalın iki F-aktin ipliği üzerindeki aktif bölgeleri, her 2.7 nanometrede bir aktif bölge bulunacak şekilde zikzak biçiminde yerleşmiştir – Her aktin filamenti yaklaşık 1 μm uzunluğundadır – Aktinin tabanları Z disklerinin içine kuvvetle yerleşirken, diğer uçlar her iki yönde miyozin molekülleri arasındaki boşluklara doğru uzanırlar. 40  Filamentlerin Moleküler Özellikleri Tropomiyozin Molekülleri: – Aktin filamentleri tropomiyozin denen farklı bir proteini de içerir – Her tropomiyozin molekülünün uzunluğu yaklaşık 40 nm’dir – Bu moleküller F-aktin sarmalının kenarları etrafına spiral olarak sarılmıştır – Dinlenme durumunda tropomiyozin molekülleri aktinin aktif bölgelerini kapatır ve kasılma engellenir 41  Filamentlerin Moleküler Özellikleri Troponin Molekülü: ❖Tropomiyozin molekülünün bir ucuna tutunmuş troponin denilen bir başka protein daha vardır ❖Troponin, zayıf bağlı 3 protein altbiriminden oluşmuş bir komplekstir: - Troponin I aktin için, - Troponin T tropomiyozin için, - Troponin C ise Ca+2 iyonları için kuvvetli afiniteye sahiptir ❖Bu kompleks tropomiyozini aktine bağlar. Troponinin kalsiyum iyonlarına kuvvetli afinitesi kasılmayı başlatır 42  Miyozin, Aktin ve Ca+2 Etkileşimi ile Kasılmanın Oluşması Aktin filamentleri Troponin- Tropomiyozin kompleksi ile inhibe edilirken Ca+2 ile aktive edilir Troponin-tropomiyozin kompleksi olmadığı zaman aktin filamenti, Mg ve ATP varlığında, miyozinin başına bağlanır Gevşek kasta, aktinin aktif bölgeleri bu kompleks tarafından kapatılır 43  Miyozin, Aktin ve Ca+2 Etkileşimi ile Kasılmanın Oluşması Bu durumda Ca+2 iyonları önemli rol oynar Ca+2, troponin-tropomiyozin'in inhibitör etkisini baskılar Bu mekanizma şöyle gerçekleşir: – Ca+2 troponin-C molekülleri ile birleştiğinde, troponin kompleksi biçim değişikliğine uğrar ve tropomiyozine uyguladığı kuvvetle onu iki aktin ipliği arasındaki oluğa çeker – Aktinin aktif bölgeleri "açığa çıkar" ve kasılma gerçekleşir 44  Kasılmanın "Boyunca Yürüme "(Dişli Çark) Teorisi Aktin Ca+2 ile aktive olur olmaz, miyozinin başı aktinin aktif bölgelerine çekilir ve kasılma gerçekleşir Çapraz köprülerle aktin arasındaki bu kasılma mekanizmasına kasılmanın "boyunca yürüme" teorisi denir Başın bir aktif bölgeye tutunması ile baş ile çapraz köprü kolu arasında intramoleküler güçlerde değişik olur 45  Kasılmanın "Boyunca Yürüme "(Dişli Çark) Teorisi Kuvvetlerdeki bu düzenlenme, baş eğilir ve aktini çeker Başın eğilmesine güç vurumu denir Hemen sonra, baş aktif bölgeden uzaklaşır Bu pozisyonda, aktinde daha ilerideki yeni bir aktif bölgeyle birleşir ve güç vurumu yapar Aktinle birleşen çapraz köprü sayısı arttıkça kasılma gücü de artar 46  ATP’nin Kasılmadaki Yeri Kasılma işlemi sırasında büyük miktarda ATP, ADP'ye yıkılır Kas tarafından yapılan iş ne kadar büyükse, yıkılan ATP miktarı da o kadar fazladır, buna Fenn etkisi denir Kasılmada olaylar dizisi: – 1. Kasılma öncesi, miyozin başının ATPaz aktivitesi ile ATP hemen yıkılır (ADP+Pi). Bu durumda, başın biçimi dikeydir ancak aktine bağlanmamıştır – 2. Troponin-tropomiyozin kompleksine Ca bağlanınca, aktinin aktif bölgeleri açılır ve miyozin başı ile bağlanır – 3. Bağlanma ile baş biçimsel değişikliğe uğrar ve eğilir (güç vurumu). 47  ATP’nin Kasılmadaki Yeri – 4. Bağlı haldeki ADP ile Pi salınır ve buraya yeni ATP bağlanması ile baş aktinden ayrılır – 5. ATP molekülü yıkılır ve başı dikey pozisyonunda yeni bir güç vurumuna "hazır" hale getirir – 6. Daha sonra, yıkılmış ATP'den sağladığı depo enerjisi ile hazırlanmış baş, yeniden güç vurumu yapar Bu işlem, Z membranını miyozine çekinceye dek tekrarlanır 48 Çapraz-Köprü Oluşumu ve Kasılma 49 50  Çapraz Köprü Sayısının Gerim Üzerine Etkisi Aktin miyozin filamentiyle üstüste bindikçe, sarkomer boyu 2,2 µm düşene kadar gerim giderek artar Bu noktada, bütün çapraz köprüleri üstüste binmiştir fakat henüz miyozin filamentinin ortasına ulaşmamıştır 51  Çapraz Köprü Sayısının Gerim Üzerine Etkisi Sarkomer boyu 2 µm olana kadar maksimal gerim devam eder Bu noktada aktinin uçları miyozinin üstüne binmeye başlar Sarkomer boyu 1,65 µm doğru düştükçe kasılma gücü düşer. Bu noktada miyozin uçları her iki Z diskine dayanır Daha sonra, sarkomer boyu iyice kısalır, miyozinin uçları bükülür ve kasılma sıfıra yaklaşır 52  Kas Boyunun Kasılma Gücüne Etkisi Kas istirahat boyunda iken yani sarkomer boyu yaklaşık 2,2 µm iken, maksimal kasılır Aktif gerim olarak adlandırılan kasılma esnasında oluşan gerim artışı, kas normal boyunun üstünde gerildiğinde (sarkomer boyu 2,2 µm ↑) düşer 53 Kas Boyunun Kasılma Gücüne Etkisi 54  Kasılma Hızının Yükle İlişkisi Kas yüke karşı olmadığında oldukça hızlı kasılır, 0,1 saniyede tam kasılma durumuna geçer Yük miktarı arttıkça kasılma hızı azalır Yük kasın oluşturabileceği maksimum kuvvete çıktığı zaman kasılma hızı sıfır olur Yükle kasılma hızının azalmasının nedeni, yükün kasıcı güce zıt yönde etki yapmasıdır Dolayısıyla kısalma hızını oluşturacak net kuvvet azalır 55  Kasın Yaptığı İş Kas bir yüke karşı kasıldığında iş yapar Bu, enerjinin kastan yüke transfer edildiği anlamına gelir Örneğin bir cismi daha yükseğe kaldırmak veya harekete karşı direnci yenmek gibi İş matematiksel olarak şu denklemle tanımlanır: W (iş) = L (yük) x D (mesafe) İş için gerekli enerji, kas hücrelerindeki kimyasal reaksiyonlardan elde edilir 56  Kasılma İçin Enerji Kaynakları (1) Kas kasılması ATP'deki enerjiye bağlıdır Bu enerjinin kullanıldığı yerler: – Çoğu çapraz köprü oluşumunda – Kasılmadan sonra Ca+2’u sarkoplazmadan SR’a pompalamada – Kas lifi membranında Na+ ve K+ iyonlarının aktif taşınmasında Mevcut olan ATP konsantrasyonu, kasılmayı ancak 1-2 saniye sürdürebilir 57  Kasılma İçin Enerji Kaynakları (2) Kasta enerji (ATP) başlıca 3 yoldan elde edilir: – 1. Fosfokreatin – 2. Anaerobik glikolizis – 3. Aerobik glikolizis 58  Kasılma İçin Enerji Kaynakları (3) 1. Fosfokreatin: ATP'yi yeniden oluşturmak için kullanılan ilk enerji kaynağı yüksek enerjili fosfat bağı taşıyan fosfokreatindir Fosfokreatinin fosfat bağı, ATP'den daha fazla serbest enerjiye sahiptir Fosfokreatinin yıkılması ile açığa çıkan enerji, bir Pi’ın ADP'ye bağlanması ile yeni ATP oluşturulmasını sağlar Toplam fosfokreatin miktarı ATP miktarının ancak 5 katı kadardır 59  Kasılma İçin Enerji Kaynakları (4) 2. Anaerobik glikolizis: ATP ve fosfokreatinin toplam enerjisi, maksimal kas kasılmasını sadece 5-8 saniye sürdürebilir ATP ve fosfokreatini yeniden oluşturmak için kullanılan ikinci önemli enerji kaynağı, kas hücrelerinde depolanmış olan glikojenin glikolizidir Glikojenin pirüvik asit ve laktik asite hızlı yıkımı sonucunda açığa çıkan enerji ADP'yi ATP'ye dönüştürür ATP direkt olarak kas kasılması veya fosfokreatin depolarını yeniden oluşturmak için kullanılır 60  Kasılma İçin Enerji Kaynakları (5) 3. Aerobik glikolizis: Üçüncü ve son enerji kaynağı oksidatif metabolizmadır Bu, oksijenin glikoliz ve çeşitli besin maddeleri ile birleşerek ATP oluşturmasıdır Uzun süreli kasılmada kullanılan enerjinin %95'den fazlası bu kaynaktan elde edilir Kullanılan besin maddeleri karbonhidratlar, yağlar ve proteindir Birçok saat süren uzun süreli kas aktivitesinde enerjinin büyük kısmı yağlardan elde edilir Ancak, 2-4 saat süren periyodlarda enerjinin en az yarısı depolanmış karbonhidratlardan gelir 61 Kasılma İçin Enerji Kaynakları (6) 62  Kas Kasılmasının Verimliliği Verimlilik, enerji girdisinin işe çevrilen yüzdesi olarak hesaplanır En iyi koşullarda bile kastaki enerjinin %25’si işe çevrilir, gerisi ısıya dönüşür Bu düşük verimliliğin nedeni, besindeki https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcS3-j45xVP9rBJ3fo4rRRkE99A0jFmbS7K0xAbN0AkyryzAiZ1M enerjinin yaklaşık yarısının ATP oluşumu sırasında kaybedilmesidir Bu durumda bile, ATP'deki enerjinin sadece %40-45'i daha sonra işe çevrilebilir Kas ancak orta hızda kasıldığında maksimum verim elde edilebilir 63  Kas Kasılmasının Verimliliği Kas yavaşça veya herhangi bir hareket olmaksızın kasılırsa, az iş yapılmasına rağmen küçük miktarlarda ısı açığa çıkar Bu suretle verimlilik sıfıra kadar iner Diğer taraftan kasılma çok hızlı ise, enerjinin büyük kısmı kastaki viskoz sürtünmeyi yenmek için kullanılır ve verimliliği azaltır Basitçe, maksimum verimlilik, maksimum kasılma hızının %30’da iken meydana gelir 64 Teşekkürler 65