Podstawy fizjologii PDF

1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA TKANKI MIĘŚNIOWEJ Tkanka mięśniowa rozwija się z mezodermy. Wyjątek stanowią: mięsień rzęskowy źrenicy oraz mięśnie gruczołów potowych, które są pochodzenia ektodermalnego. Tworzą ją ułożone ściśle, podłuż- ne, wrzecionowate lub cylindryczne komórki mięśniowe, pomiędzy...

1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA TKANKI MIĘŚNIOWEJ Tkanka mięśniowa rozwija się z mezodermy. Wyjątek stanowią: mięsień rzęskowy źrenicy oraz mięśnie gruczołów potowych, które są pochodzenia ektodermalnego. Tworzą ją ułożone ściśle, podłuż- ne, wrzecionowate lub cylindryczne komórki mięśniowe, pomiędzy Ryc. 10.1. Schemat którymi znajduje się tkanka łączna. Zależnie od budowy histologicz- budowy tkanki mięśniowej gładkiej nej oraz pełnionych w organizmie funkcji, wyróżniamy trzy rodzaje (A), poprzecznie tkanki mięśniowej; tkankę mięśniową gładką, tkankę mię- prążkowanej szkieletowej (B) śniową poprzecznie prążkowaną szkieletową oraz tkankę oraz poprzecznie mięśniową poprzecznie prążkowaną serca (ryc. 10.1). prążkowanej serca (C). Tkankę mięśniową gładką tworzą komórki wrzeciono- wate, które nie wykazują poprzecznego prążkowania. Ten ro- dzaj tkanki buduje między innymi ściany narządów wewnętrz- nych, jak choćby przewodu pokarmowego, pęcherza moczowego 257 ALEpjQA= AL  Część I. Podstawy fizjologii zwierząt oraz ściany naczyń krwionośnych. Skurcz mięśni gładkich jest zwykle powolny, niezależny od woli i długotrwały. Między po- szczególnymi komórkami występują połączenia anatomiczne oraz czynnościowe (synapsy elektryczne). Tkankę mięśniową gładką unerwiają włókna części autonomicznej układu ner- wowego. Depolaryzacja błony komórki mięśniowej zależna jest od obecności zarówno jonów Na+ jak i Ca2+ w środowisku zewnątrzkomórkowym. Mięśnie poprzecznie prążkowane szkieletowe, cha- rakteryzuje obecność regularnie ułożonych włókien mięśnio- wych, w których znajdują się uporządkowane, białkowe elemen- ty kurczliwe. Między komórkami mięśniowymi nie występują anatomiczne i czynnościowe połączenia. Mięśnie szkieletowe unerwiane są za pośrednictwem komórek nerwowych ośrodko- wego układu nerwowego. Skurcz komórki mięśnia szkieletowego powstaje w efekcie depolaryzacji błony komórkowej, a następ- nie uwolnienia jonów Ca2+ ze zbiorników siateczki sarkoplazma- tycznej do sarkoplazmy. Cechą charakterystyczną tej tkanki jest możliwość występowania skurczów tężcowych, które są wyni- kiem sumowania pobudzenia docierającego do mięśnia. Mięśnie szkieletowe cechuje metabolizm tlenowy oraz beztlenowy. Mięsień poprzecznie prążkowany serca, podobnie do mięśni szkieletowych, charakteryzuje obecność poprzecznego prążkowania komórek. Pomiędzy komórkami mięśnia sercowe- go, podobnie jak w przypadku mięśni gładkich, występują połą- czenia anatomiczne oraz synapsy elektryczne. Tkanka mięśnia sercowego unerwiana jest przez włókna części autonomicznej układu nerwowego, posiada także ugrupowania komórek roz- rusznikowych, generujących potencjały czynnościowe. Depola- ryzacja błony komórkowej komórek roboczych serca uzależniona jest od jonów Na+ oraz Ca2+, które znajdują się w przestrzeni mię- dzykomórkowej. Tkankę tę charakteryzuje metabolizm tlenowy i brak skurczu tężcowego. MORFOLOGIA MIĘŚNIA SZKIELETOWEGO U dorosłego, zdrowego człowieka mięśnie szkieletowe stanowią około 43% masy ciała, co jest uwarunkowane zarówno własnościa- mi genetycznymi i płcią, ale też stopniem aktywności fizycznej. 258 ALEpjQA= AL  ozdzia. izjologia ięś i o rze z ie rą owa y sz ieletowy Mięśnie te zbudowane są z tkanki mięśniowej poprzecznie prążko- wanej oraz różnych postaci tkanki łącznej. Budowa morfologiczna poszczególnych mięśni szkieletowych jest zróżnicowana i w znacz- nym stopniu wynika z ich funkcji w organizmie. Z uwagi na pełnione funkcje w obrębie mięśni szkieletowych można wyróżnić: mięśnie agonistyczne, których skurcz odpowiada za okre- ślony ruch w stawie, mięśnie synergistyczne, które współdziałają funkcjonalnie z mięśniami agonistycznymi, mięśnie antagonistyczne, które działają przeciwstawnie w stosunku do mięśni agonistycznych. Warunkiem prawidłowego działania aparatu mięśniowe- go jest współdziałanie między mięśniami agonistycz- nymi i antagonistycznymi. W efekcie osiągana jest płyn- ność ruchu oraz stabilizacja stawu. W obrębie stawów, mięśnie łączą się z kością za pośrednictwem ścięgien, zbudowanych z tkanki łącznej zbitej. Brzusiec mięśnia szkieletowego, znaj- dujący się między ścięgnami, zbudowany jest z równolegle ułożonych włókien mięśniowych, miocytów, które otoczone są trzema różnymi błonami łącznotkankowymi. Pojedyncze włókno mięśniowe otacza śródmięsna, która jest cienką błoną łącznotkankową. Omięsna, to druga błona łącznotkankowa, wnikająca do mięśnia i otaczająca pęczki, zwykle zawierające około 20 włókien mięśniowych. Z kolei namięsna otacza cały mięsień od zewnątrz. KOMÓRKA MIĘŚNIA SZKIELETOWEGO Podstawową jednostką strukturalną i funkcjonalną mięśnia szkieletowego jest pojedyncze włókno mięśnio- we (miocyt). W mięśniu poprzecznie prążkowanym, miocyty mają postać długich, cylindrycznych, wielojądrzastych komórek (ryc. 10.2). Ich średnica mieści się w przedziale od 10 do 100 µm, a długość sięga kilkudziesięciu centymetrów. Między sarkolemą i błoną podstawną leżą komórki satelitarne, które zachowały zdolność replikacji DNA oraz podziału mitotycznego. Biorą one udział w procesie wzrostu organizmu oraz procesach regenera- cyjnych i naprawczych tkanki mięśniowej. 259 ALEpjQA= AL  Część I. Podstawy fizjologii zwierząt Pojedyncze włókno mięśniowe zawiera od kilkuset Ryc. 10.2. Schemat do kilku tysięcy miofibryli, tj. białek kurczliwych. Każda budowy komórki mięśnia poprzecznie miofibryla zawiera około 1500 filamentów miozynowych prążkowanego. i około 3000 filamentów aktynowych. Włókno mięśnio- we otoczone jest błoną komórkową, sarkolemą, która jest z kolei ściśle połączona z błoną łącznotkankową, śródmięsną. Takie po- łączenie komórki mięśniowej oraz tkanki łącznej zapewnia prze- kazywanie siły skurczu miocytów odpowiednim ścięgnom. Każdy miocyt otoczony jest błoną komórkową, sarkolemą, któ- ra tworzy charakterystyczne wpuklenia, tak zwane kanaliki po- przeczne T, dochodzące do wnętrza komórki mięśniowej. Kana- liki te znajdują się w pobliżu siateczki sarkoplazmatycznej, która w ich sąsiedztwie tworzy charakterystyczne rozszerzenia, określane mianem zbiorników końcowych, w których znajdują się jony wap- nia. Układ kanalika poprzecznego T oraz kontaktujących się z nim, po obu jego stronach, zbiorników końcowych siateczki sarkopla- zmatycznej tworzy tak zwaną triadę mięśniową (ryc. 10.2). 260 ALEpjQA= AL  ozdzia. izjologia ięś i o rze z ie rą owa y sz ieletowy POJĘCIE I BUDOWA SARKOMERU Sarkomer (ryc. 10.3) stanowi podstawową jednostkę anato- miczno-funkcjonalną komórki mięśnia szkieletowego. Końce sarkomeru ograniczone są błonami granicznymi (linia- mi Z), które są zbudowane z białka α-aktyniny. Błony granicz- ne Z poszczególnych miofibryli układają się naprzeciw siebie tak, że w preparacie histologicznym utworzona w ten sposób linia przechodzi przez całą szerokość mięśnia. Ryc. 10.3. Schemat budowy sarkomeru: A – prążek anizo- tropowy, I – prążek izotropowy, H – prążek H, M – linia środkowa Prążkowanie, charakterystyczne dla komórek mięśnia M, Z – błona graniczna szkieletowego, widoczne w mikroskopie świetlnym, powsta- Z, fM – filament mio- zynowy, fA – filament je w efekcie jednorodnego załamania światła spolaryzowanego aktynowy. przechodzącego przez prążek jasny – izotropowy (I), oraz po- dwójnego załamania promieni światła spolaryzowanego przez prążek ciemny – anizotropowy (A). Prążki jasne I pojawiają się w miejscach występowania fi- lamentów aktynowych. Prążki ciemne A pojawiają się w miej- scach występowania miozyny i aktyny. Filamenty aktynowe po- łączone są z błoną graniczną bezpośrednio, natomiast filamenty miozynowe łączą się z nią za pomocą białka tityny. Każdy fila- ment miozynowy otoczony jest sześcioma cienkimi filamentami 261 ALEpjQA= AL  Część I. Podstawy fizjologii zwierząt aktynowymi. Fragment prążka A, nie zawierający aktyny, to prą- żek H. W jego części środkowej znajduje się pionowa linia M, zbudowana głównie z miomezyny, która stanowi element pod- porowy sarkomeru. Białko to łączy ze sobą sąsiadujące fragmenty łańcuchów ciężkich miozyny, tak zwane ogony miozynowe. Miozyna jest białkiem kurczliwym (ryc. 10.4), które tworzy filamenty grube o średnicy około 11 nm i długości do 1,6 µm. Białko to zbudowane jest z dwóch spiralnie skręconych łańcuchów ciężkich, tworzących ogony miozynowe. Gło- wę filamentu miozynowego tworzą dwa łańcuchy cięż- kie i cztery łańcuchy lekkie. Tym samym, pojedyncza głowa miozynowa zbudowana jest z koliście zwiniętego jednego łań- cucha ciężkiego oraz dwóch łańcuchów lekkich. Głowy miozyny posiadają zdolność hydrolizy ATP oraz miejsca aktywne, dzię- ki którym mogą wiązać się z podobnymi miejscami cząsteczki aktyny. Cienki filament aktynowy jest skręcony z dwóch łańcuchów Ryc. 10.4. Schemat białkowych (zbudowanych z pojedynczych globularnych cząste- budowy miozyny (A) i filamentu grubego (B). czek aktyny) o średnicy około 7 nm i długości około 1 µm. Wol- ne końce filamentów cienkich znajdują się między filamentami miozyny, z drugiej zaś strony są połączone z błoną graniczną Z. W obrębie łańcucha aktyny znajdują się liczne cząsteczki ADP, które prawdopodobnie tworzą miejsca aktywne, z którymi łączą 262 ALEpjQA= AL  ozdzia. izjologia ięś i o rze z ie rą owa y sz ieletowy się głowy miozynowe. Przy braku pobudzenia, miejsca te są blo- kowane przez łańcuchy tropomiozyny, które przylegają na całej długości do łańcucha aktyny. Wzdłuż łańcucha tropomiozyny, w regularnych odstępach, co siedem cząsteczek aktyny, znajduje się kompleks trzech troponin, T, C oraz I (ryc. 10.5). Ryc. 10.5. Schemat budowy filamentu cienkiego. Poszczególne podjednostki troponin połączone są odpowied- nio z tropomiozyną – podjednostka T, z miejscem aktywnym na aktynie – podjednostka I oraz podjednostka C, która wykazu- je powinowactwo do jonów Ca2+. Przyłączenie jonów wapnia do podjednostki C, powoduje zmianę przestrzennego ułożenia kom- pleksu troponin, w efekcie prowadząc do przesunięcia włókna tropomiozyny i odsłonięcia aktywnych miejsc na łańcuchu ak- tyny, z którymi mogą się połączyć głowy miozynowe. UNERWIENIE RUCHOWE MIĘŚNIA SZKIELETOWEGO Mięśnie poprzecznie prążkowane unerwiane są głównie rucho- wo, za pośrednictwem neuronów ruchowych (motoneuronów α), których perikariony zlokalizowane są w rogach przednich istoty szarej rdzenia kręgowego. Aksony tych komórek opusz- czają rdzeń kręgowy za pośrednictwem korzeni przednich i do- cierają do poszczególnych mięśni szkieletowych. W pobliżu włó- kien mięśniowych, akson rozgałęzia się, traci osłonkę mielinową i poszczególne jego odgałęzienia tworzą synapsy nerwowo- -mięśniowe (często nazywane złączami nerwowo-mięśnio- wymi) z pojedynczymi miocytami (ryc. 10.6). Obok aksonów 263 ALEpjQA= AL  Część I. Podstawy fizjologii zwierząt z motoneuronów α, do mięśni szkieletowych docierają także ak- sony motoneuronów γ, które uczestniczą w regulacji napięcia mięśniowego. Pojedynczy motoneuron α wraz ze wszystkimi komórkami mięśnia szkieletowego, które unerwia, tworzy jednostkę moto- ryczną mięśnia. Ponieważ w jednostce motorycznej, wszystkie miocyty, w odpowiedzi na sygnał docierający z neuronu ruchowe- go, kurczą się jednocześnie, stanowi ona podstawową jednostkę czynnościową poszczególnych mięśni szkieletowych. Zależnie od tego, jaką funkcję pełni dany mięsień, wielkość jego jednostek motorycznych jest zróżnicowana. W przypadku mięśni odpowiedzialnych za wykonywanie ruchów precyzyjnych, na przykład poruszających gałką oczną, jednostki motoryczne są małe. Taka organizacja jednostki motorycznej zapewnia precyzję wykonywanego ruchu. Z kolei w przypadku dużych jednostek mo- torycznych, np. mięśni grzbietu, gdzie pojedynczy motoneuron α unerwia znaczną liczbę komórek mięśniowych, obserwujemy dużą siłę skurczu przy niewielkiej jego precyzji. Każde, pojedyncze zakończenie aksonu neuronu ruchowego, tworzy z błoną pojedynczego miocytu sy- napsę nerwowo-mięśniową (ryc. 10.6). Zwykle taka synap- sa zlokalizowana jest w środkowej części włókna mięśniowego. W obrębie połączenia nerwowo-mięśniowego akson motoneu- ronu α pozbawiony jest osłonki mielinowej i przestrzennie do- pasowuje się do silnie pofałdowanej sarkolemy tego połączenia. W części presynaptycznej, zwanej płytką końcową, która jest zakończeniem aksonu neuronu ruchowego, znajdują się liczne pęcherzyki synaptyczne, stanowiące wewnątrzsynaptyczne ma- gazyny przekaźnika chemicznego, którym jest acetylocholina. Pęcherzyki synaptyczne powstają w ciele motoneuronu i drogą transportu aksonalnego postępującego docierają do części presy- naptycznej, gdzie układają się w okolicy błony presynaptycznej. Miejsca w błonie presynaptycznej, w obrębie których dochodzi do kontaktu z pęcherzykami synaptycznym, określane są jako strefy czynne błony presynaptycznej. Między błoną presynaptyczną i silnie pofałdowaną sarkolemą miocytu, określaną jako płytka ruchowa (motoryczna), znaj- duje się szczelina synaptyczna. Uwolniona z części presynaptycz- nej, w odpowiedzi na pobudzenie motoneuronu α, acetylocholina 264 ALEpjQA= AL  ozdzia. izjologia ięś i o rze z ie rą owa y sz ieletowy (ACh) dyfunduje poprzez szczelinę synaptyczną i łączy się z bło- nowymi receptorami cholinergicznymi nikotynowymi, które zlokalizowane są w licznych pofałdowaniach i zagłębie- niach synaptycznych płytki ruchowej (część postsynaptyczna). W tej części synapsy znajduje się również acetylocholino- esteraza, enzym rozkładający ACh do choliny i kwasu octowe- go. Część powstałej w ten sposób choliny, na drodze wychwytu zwrotnego, jest ponownie wprowadzana do części presynaptycz- nej synapsy nerwowo-mięśniowej. Ryc. 10.6. Schemat Warunkiem niezbędnym dla pobudliwości komórki mięśnia budowy synapsy nerwowo-mięśniowej. szkieletowego jest ciągłe utrzymywanie spoczynkowej polaryza- cji sarkolemy. Jej potencjał spoczynkowy mieści się w przedziale od –90 do –85 mV. Podobnie jak w przypadku pozostałych ko- mórek pobudliwych, potencjał ten zależy od nierównomiernego rozkładu jonów po obu jej stronach, przepuszczalności błony dla poszczególnych jonów, głównie Na+, K+, Cl- oraz wielkocząstecz- kowych jonów organicznych i sprawnego działania pompy Na+/K+. Przyłączenie ACh do znajdujących się w płytce ruchowej re- ceptorów cholinergicznych typu nikotynowego aktywuje zinte- growane z nimi kanały jonowe. W wyniku tego procesu otwierają 265 ALEpjQA= AL  Część I. Podstawy fizjologii zwierząt się bramkowane ligandem kanały transportujące jony sodowe i zgodnie z gradientem elektrochemicznym jony te napływają do komórki. Następstwem tego zjawiska jest miejscowa depola- ryzacja płytki ruchowej, która rozpoczyna aktywację, znaj- dujących się w sarkolemie, bramkowanych napięciem kanałów sodowych (powyżej wartości potencjału błonowego –65 mV). Prowadzi to do wygenerowania potencjału czynnościowego na brzegach płytki motorycznej. Potencjał czynnościowy prze- mieszczjący się po błonie miocytu dociera następnie do kanali- ków T, których błona ulega depolaryzacji. W wyniku tego proce- su dochodzi do aktywacji znajdujących się w błonie kanalików T kanałów dla jonów Ca2+ (przy wartości potencjału błonowego około –40 mV). W drugiej fazie potencjału czynnościowego dochodzi do aktywacji bramkowanych napięciem kanałów dla jonów K+. Jony K+ zaczynają dyfundować na zewnątrz komórki, co prowadzi do repolaryzacji błony miocytu i przywrócenia po- tencjału spoczynkowego. ALEpjQA= AL  ozdzia. izjologia ięś i o rze z ie rą owa y sz ieletowy 2. SKURCZ MIĘŚNIA SZKIELETOWEGO Analizując skurcze mięśni szkieletowych można dokonać ich po- działu ze względu na częstotliwość ich pobudzenia oraz rodzaj wykonywanej pracy. Biorąc pod uwagę częstotliwość pobudzeń mięśnia szkieleto- wego wyróżniamy (ryc. 10.7): skurcz pojedynczy, skurcz tężcowy niezupełny, skurcz tężcowy zupełny. W przypadku, gdy mięsień będzie pobudzony pojedynczymi Ryc. 10.7. Schemat bodźcami progowymi, a ich częstość będzie mniejsza niż łączny skurczu pojedynczego oraz skurczów czas skurczu i rozkurczu mięśnia, pojawia się skurcz pojedyn- tężcowych mięśnia czy. Jeżeli kolejne pobudzenia docierają do komórki mięśniowej, szkieletowego: 1 – skurcz pojedynczy, będącej jeszcze w fazie rozkurczu, mięsień kurczy się ponownie 2 – sumowanie i dochodzi do powstania skurczu tężcowego niezupełnego. skurczów pojedynczych, Mięsień, do którego kolejne pobudzenia docierają jeszcze w fa- 3 – skurcz tężcowy zie skurczu, sumuje je i w efekcie odpowiada skurczem tężco- zupełny. Strzałki na osi wym zupełnym (ryc. 10.7). odciętych oznaczają kolejne bodźce. Siła skurczu mięśnia szkieletowego, która rozwija się w cza- sie skurczu tężcowego zupełnego jest zarazem maksymalną siłą, z jaką kurczy się dany mięsień. Natomiast siła skurczu tężcowego niezupełnego jest wyższa niż siła skurczu pojedynczego, ale za- razem niższa od siły skurczu tężcowego zupełnego. Analizując rodzaj wykonywanej pracy wyróżniamy skurcze: izometryczne, izotoniczne, auksotoniczne. 267 ALEpjQA= AL  Część I. Podstawy fizjologii zwierząt W przypadku izotonicznego skurczu mięśnia szkieleto- wego, nie zmienia się jego napięcie, natomiast sam mięsień ulega skróceniu. Z kolei, gdy w czasie skurczu nie zmienia się długość mięśnia ale wzrasta jego napięcie, obserwujemy skurcz izome- tryczny (ryc. 10.8). Skurcz mięśnia, w czasie którego w pierwszej fazie dochodzi do wzrostu jego napięcia, a następnie skrócenia dłu- gości, określamy mianem skurczu auksotonicznego. W pierw- szej fazie tego skurczu rozwija się skurcz izometryczny, którego siła równoważy obciążenie mięśnia. Dochodzi do skracania elementów kurczliwych mięśnia przy równoczesnym rozciąganiu jego elemen- tów sprężystych. Następnie, gdy napięcie elementów sprężystych zrównoważy wielkość obciążenia mięśnia, rozwija się druga faza Ryc. 10.8. Schemat skurczu, tj. faza izotoniczna, w której nie zmienia się już jego na- skurczu izotonicznego (A) i izometrycznego pięcie natomiast skróceniu ulega długość samego mięśnia. (B) mięśnia szkieletowego. SPRZĘŻENIE ELEKTROMECHANICZNE Funkcją mięśni szkieletowych jest szeroko rozumiana aktywność ruchowa. Stanowią one jednocześnie ważny obszar metaboliczny organizmu. Otrzymują unerwienie z ośrodkowego układu nerwo- wego, tym samym ich czynność skurczowa może być zależna od naszej woli. W efekcie uwolnienia acetylocholiny do szczeliny sy- napsy nerwowo-mięśniowej, w odpowiedzi na docierający do czę- ści presynaptycznej impuls nerwowy, uruchomiony zostaje ciąg przemian molekularnych komórki, prowadzących do jej skurczu. 268 ALEpjQA= AL  ozdzia. izjologia ięś i o rze z ie rą owa y sz ieletowy Skurcz mięśnia, będący pracą mechaniczną, który pojawia się w odpowiedzi na pobudzenie komórki mięśniowej, powodowa- ny zmianą elektryczną, nazywamy sprzężeniem elektrome- chanicznym. Zatem zjawisko to stanowi ciąg zdarzeń, które są zapoczątkowane w obrębie synapsy nerwowo-mięśniowej i kończą się skurczem mięśnia szkieletowego. Analizując przebieg tego zjawiska, można wyróżnić następujące stadia: 1. Pobudzenie i depolaryzację motoneuronu α; 2. Wydzielenie, na drodze egzocytozy, acetylocholiny do szczeliny synaptycznej synapsy nerwowo-mięśniowej; 3. Dyfuzję acetylocholiny w kierunku płytki motorycznej i łączenie się neuroprzekaźnika ze znajdującymi się tam cholinergicznymi receptorami nikotynowymi; 4. Depolaryzację płytki motorycznej, która prowadzi do wy- generowania potencjału czynnościowego w sarkolemie i kanalikach T; 5. Uwolnienie jonów Ca2+ z cystern siateczki sarkoplazma- tycznej do sarkoplazmy, następujące w efekcie oddzia- ływania na zmianę potencjału błonowego receptorów dihydropirydynowych (DHPR) z receptorami ria- nodynowymi (RyR), które w stanie spoczynku blokują kanały wapniowe (ryc. 10.9); 6. Zwiększenie stężenia jonów wapniowych w sarkoplazmie i ich dyfuzja w kierunku kompleksu białkowego troponi- ny-tropomiozyny; 7. Związanie znajdujących się w sarkoplazmie wolnych jo- nów Ca2+ z podjednostkami C troponiny, prowadzące do zmian przestrzennego ułożenia tropomiozyny i odsłonię- cie w ten sposób aktywnych miejsc wiązania głów miozy- nowych na podjednostkach aktyny; 8. Połączenie głów miozynowych z odsłoniętymi miejscami aktywnymi na aktynie i powstanie w ten sposób mostków pomiędzy miozyną i aktyną; 9. Przesunięcie, na drodze „wślizgiwania się”, filamentów ak- tyny pomiędzy filamenty miozyny w obrębie sarkomeru; 10. Zanik impulsacji z motoneuronu α; 11. Wychwyt zwrotny jonów Ca2+ z sarkoplazmy i ponowne magazynowanie ich w zbiornikach końcowych siateczki sarkoplazmatycznej komórki mięśniowej. 269 ALEpjQA= AL  Część I. Podstawy fizjologii zwierząt MOLEKULARNE PODSTAWY SKURCZU MIĘŚNIA Fala depolaryzacji, która aksonem motoneuronu α dociera do jego zakończenia presynaptycznego prowadzi do otwarcia, bramko- wanych napięciem, kanałów dla jonów Ca2+. W ten sposób zostaje zwiększona przepuszczalność zakończenia aksonu dla jo- nów Ca2+, które zgodnie z gradientem elektrochemicznym napły- wają do części presynaptycznej synapsy nerwowo-mięśniowej. Zwiększone stężenie jonów wapniowych w obrębie kolbki presy- naptycznej, warunkuje łączenie się pęcherzyków synaptycznych z błoną kolbki presynaptycznej, aktywuje kompleks białko- wy SNARE (ang. soluble N-ethylmaleimide-sensitive fusion fac- tor attachment protein receptors), co umożliwia ich połączenie z błoną presynaptyczną. W następstwie tego procesu, ACh zawarta w pęcherzyku synaptycznym, drogą egzocytozy, zostaje uwolniona do szczeliny synaptycznej (ryc. 10.6). Połączenie jednego pęcherzy- ka synaptycznego z błoną presynaptyczną uwalnia do szczeliny sy- naptycznej około 5000 do 10000 cząsteczek acetylocholiny, co określane jest jako uwalnianie kwantowe. Uwolniona w ten sposób acetylocholina depolaryzuje błonę postsynaptyczną o około 1 mV. Pojedynczy potencjał czynnościowy, który dociera do zakończenia aksonu motoneuronu α, powoduje zwykle uwol- nienie acetylocholiny ze 100 do 300 pęcherzyków synaptycz- nych. Uwolniona w ten sposób acetylocholina może zdepolaryzo- wać błonę postsynaptyczną synapsy nerwowo-mięśniowej o około 50 mV, w efekcie czego we włóknie mięśniowym powstaje zawsze potencjał czynnościowy. Acetylocholina, wydzielona do przestrzeni synaptycznej, dyfunduje w kierunku cholinergicznych receptorów nikotyno- wych, które znajdują się w pofałdowanej błonie postsynaptycz- nej, tzw. płytce ruchowej, komórki mięśniowej. Połączenie się acetylocholiny ze wspomnianym receptorem otwiera związa- ny z nim kanał jonowy, przez co zwiększa się przepuszczal- ność dla jonów Na+ oraz niewielkiej ilości jonów K+, co prowa- dzi do miejscowej depolaryzacji błony postsynaptycznej, którą określamy mianem potencjału płytki motorycznej (EPP, ang. end plate potential). Wartość potencjału płytki motorycz- nej jest zawsze większa niż potencjał progowy, w efekcie cze- go powstaje potencjał czynnościowy komórki mięśniowej. Po- wstały w ten sposób potencjał czynnościowy rozprzestrzenia 270 ALEpjQA= AL  ozdzia. izjologia ięś i o rze z ie rą owa y sz ieletowy się wzdłuż sarkolemy zapoczątkowując proces sprzężenia elektromechanicznego. Potencjał czynnościowy, który powstał w obrębie płytki motorycznej synapsy nerwowo-mięśniowej, roz- przestrzenia się wzdłuż sarkolemy i dzięki kanalikom poprzecznym T, dociera do wnętrza komórki mięśnio- wej. Depolaryzacja, która rozchodzi się wzdłuż błony kanali- ków T, dzięki interakcji z białkami stanowiącymi ich połączenie czynnościowe z dwiema sąsiadującymi cysternami siateczki sar- koplazmatycznej, prowadzi do uwolnienia jonów Ca2+ do sarko- plazmy (ryc. 10.9). Ryc. 10.9. Schemat połączenia czynnościowego poprzecznego kanalika T ze zbiornikiem końcowym siateczki sarkoplazmatycznej. DHPR – receptor dihydropirydynowy, RyR – receptor rianodynowy. A – stan spoczynkowy, B – stan wzbudzenia; (szczegóły w tekście). Uwalnianie jonów Ca 2+ ze zbiorników końcowych siatecz- ki sarkoplazmatycznej jest mechanizmem złożonym, w któ- rym uczestniczą wrażliwe na zmianę potencjału, znajdujące się w błonie kanalików T, receptory dihydropirydynowe. Receptory te znajdują w sąsiedztwie leżących w zakończeniach kanalików siateczki sarkoplazmatycznej receptorów ria- nodynowych. W warunkach spoczynkowych, receptor RyR blokuje znajdujący się w jego sąsiedztwie kanał wapniowy, co uniemożliwia uwalnianie jonów Ca2+ do sarkoplazmy komórki mięśniowej (ryc. 10.9A). Depolaryzacja, która rozprzestrzenia 271 ALEpjQA= AL  Część I. Podstawy fizjologii zwierząt się wzdłuż sarkolemy i obejmuje błonę kanalików T, powoduje zmianę ułożenia receptorów DHPR i ich oddziaływanie z re- ceptorami RyR siateczki sarkoplazmatycznej. Z kolei wywołana w ten sposób zmiana konformacji receptorów RyR prowadzi do odblokowania kanałów wapniowych i uwolnienia znacznych ilo- ści jonów Ca2+ ze zbiorników końcowych siateczki sarkoplazma- tycznej do sarkoplazmy (ryc. 10.9B). Uwolnione jony Ca2+, ich stężenie w sarkoplazmie wzrasta stukrotnie, z około 0,1 µM/l do około 10 µM/l, dyfundują w kierunku komplek- sów białkowych troponiny i tropomiozyzny, a następnie łączą się z troponiną C. W wyniku połączenia jonów Ca 2+ z podjednostką C troponiny zmienia się konformacja tropomiozyny względem aktyny i odsłaniają się miejsca wiązania głów miozynowych na aktynie. Taka zmiana ułożenia tropomio- zyny w stosunku do aktyny prowadzi do powstania poprzeczne- go połączenia między filamentami miozynowym i aktynowym, określanego mianem mostka aktynomiozynowego. Wytworzone połączenie wzmaga powinowactwo troponiny C do jonów wap- niowych i skutkuje powstawaniem kolejnych mostków poprzecz- nych między miozyną i aktyną (ryc. 10.10). Zjawisko, dzięki któremu dochodzi do powstawania most- ków między miozyną i aktyną, przebiega w czterech etapach (ryc. 10.10). Ponieważ głowy łańcucha ciężkiego miozyny mają zdolność przyłączenia ATP i jego hydrolizy, tym sa- mym gwarantują pozyskanie energii niezbędnej do wytworzenia siły skurczu i w konsekwencji skrócenia długości sarkomeru. W pierwszym etapie tego procesu, w stanie spoczynku mię- śnia, z głową ciężkiego łańcucha miozyny połączona jest częściowo zdysocjowana cząsteczka ATP, składającą się z ADP oraz reszty fosforanowej (Pi), a sama głowa mio- zyny ustawiona jest pod kątem 90° w odniesieniu do jej ogona (ryc. 10.10A). W chwili, kiedy głowa miozyny łączy się z miejscem aktywnym aktyny, dochodzi do zmian sił wewnątrzczą- steczkowych pomiędzy głową i ramieniem łańcucha ciężkiego miozyny. W dalszej kolejności doprowadza to do uwolnienia Pi (defosforylacji głowy miozyny), zgięcia głowy miozynowej i prze- sunięcia aktyny względem miozyny. W wyniku tego procesu 272 ALEpjQA= AL  ozdzia. izjologia ięś i o rze z ie rą owa y sz ieletowy zmianie ulega kąt pomiędzy głową miozyny i jej ramieniem lek- kim z 90° do 50° (ryc. 10.10B–C). Ze względu na silne połącznie pomiędzy głowami miozyny a cząsteczkami aktyny w filamen- cie cienkim, opisana zmiana kąta nachylenia głów miozynowych prowadzi do wsuwania się filamantów cienkich pomiędzy fila- menty grube. Ryc. 10.10. Schemat mechanizmu skurczu w mięśniu poprzecznie prążkowanym Kolejny etap związany jest z oddysocjowaniem ADP szkieletowym (szczegóły w tekście). od głowy łańcucha ciężkiego miozyny, co powoduje jej po- chylenie o kolejne 5° i doprowadza do maksymalnego zgięcia względem ramienia. W efekcie, skurcz sarkomeru osiąga mak- symalną siłę (ryc. 10.10C). Ostatni etap tego procesu polega na przyłączeniu nowej cząsteczki ATP w miejsce odłączonego ADP 273 ALEpjQA= AL  Część I. Podstawy fizjologii zwierząt w głowie łańcucha ciężkiego miozyny. Przyłączenie ATP powoduje oddysocjowanie głowy miozynowej od miejsca ak- tywnego na łańcuchu aktyny. ATP podlega następnie czę- ściowej hydrolizie do ADP i Pi, a uzyskana dzięki temu pro- cesowi energia pozwala na wyprostowanie głowy miozynowej i ponowne jej ustawienie w stosunku do lekkiego łańcucha mio- zyny pod kątem 90° (ryc. 10.10D). Opisane zjawisko powtarza się tak długo, jak długo w sarkoplazmie utrzymuje się wysokie stężenie jonów wapniowych. Wtedy, miejsca aktywne na aktynie pozostają odsłonięte, a głowy łańcuchów ciężkich miozyny mogą tworzyć z nimi połączenia poprzeczne. Kiedy zanika impulsacja z motoneuronów α zatrzymany zo- staje proces generowania potencjałów czynnościowych w błonie włókna mięśniowego. Wtedy, obecna w błonie kanalików siatecz- ki sarkoplazmatycznej pompa wapniowa, powoduje obniżenie stężenia jonów Ca2+ w sarkoplazmie miocytu, a to z kolei prowa- dzi do ich odłączenia od podjednostki C troponiny. Jony wapnio- we, po ich wprowadzeniu do kanalików siateczki sarkoplazma- tycznej, przemieszczają się do jej zbiorników końcowych i dzięki obecności kalcysekwestryny, białka które wiąże jony Ca2+, magazynowane są wbrew gradientowi chemicznemu, a układ fi- lamentów miozyny i aktyny powraca do stanu spoczynkowego (ryc. 10.10A). MATERIAŁY ENERGETYCZNE MIĘŚNI Mięśnie szkieletowe, podobnie jak pozostałe komórki i tkanki or- ganizmu, wymagają stałego dopływu energii niezbędnej do ich działania. W przypadku mięśni szkieletowych główne zasoby energii chemicznej, które są zgromadzone w miocytach, wykorzystywane są w czasie pracy mechanicznej mięśnia. Nale- ży pamiętać, że zasoby ATP, stanowiące główne źródło energii niezbędne dla prawidłowej pracy mięśni szkieletowych, są nie- wielkie i pozwalają na wykonanie jedynie krótkotrwałej pracy mechanicznej. Dlatego niezbędna jest stała odbudowa zasobów ATP ze związków stanowiących pośrednie materiały ener- getyczne mięśni. W mięśniach szkieletowych wyróżniamy dwa główne źródła materiałów energetycznych: 274 ALEpjQA= AL  ozdzia. izjologia ięś i o rze z ie rą owa y sz ieletowy bezpośrednie, do których należą ATP oraz fosfokreatyna (wykorzystywana do resyntezy ATP w czasie trwania skur- czu), pośrednie, którymi są węglowodany (glukoza, glikogen), trójglicerydy, wolne kwasy tłuszczowe oraz białka. ATP w komórkach mięśni szkieletowych powstaje głównie w czasie tlenowych i beztlenowych przemian glukozy i glikogenu wewnątrzkomórkowego oraz tle- nowych przemian wolnych kwasów tłuszczowych. W przypadku glikolizy tlenowej z jednego mola glukozy powsta- je 38 moli ATP. Przemiana glukozy w warunkach beztleno- wych prowadzi do powstania kwasu mlekowego i jedynie 2 moli ATP. ZMĘCZENIE I WYPOCZYNEK MIĘŚNI Zmęczenie mięśni jest zjawiskiem złożonym i efektem nakładania się wielu czynników. Wspomniany wcześniej kwas mlekowy, który podczas intensywnego wysiłku fizycznego, powstaje w pro- cesie glikolizy beztlenowej jest źródłem protonów i pomimo, że stosunkowo szybko usuwany jest z mięśni, prowadzi do obni- żenia pH wewnątrz komórek mięśniowych. Obniżone pH wpływa na zmniejszenie uwalniania jonów wapnia ze zbiorników końco- wych siateczki sarkoplazmatycznej, a także na zdolność wiąza- nia tego jonu z podjednostką C kompleksu troponiny. Zwiększo- ne stężenie reszt fosforanowych, pochodzących z dysocjacji ATP, będące efektem zwiększonego zapotrzebowania miocytu na ener- gię, doprowadza do obniżenia napięcia mięśniowego w mięśniach szkieletowych. Zjawisko to jest prawdopodobnie wynikiem wpły- wu reszt fosforanowych na mechanizm uwalniania jonów Ca2+ z siateczki sarkoplazmatycznej oraz spadku liczby połączeń po- przecznych między głowami miozyny i filamentami aktyny. Zjawisko zmęczenia mięśni może być także następstwem za- burzenia procesów resyntezy ATP na skutek wyczerpywania się wewnątrzkomórkowych zasobów fosfokreatyny. Dodatkowo, podczas intensywnego i długotrwałego wysiłku, wyczerpują się również zasoby wewnątrzkomórkowego glikogenu. Wysiłek fi- zyczny prowadzi do nasilenia procesów glikogenolizy w wątro- bie. Skutkiem tego jest stopniowe wyczerpywanie się glikogenu 275 ALEpjQA= AL  Część I. Podstawy fizjologii zwierząt w wątrobie, co prowadzi do obniżenia się stężenia glukozy we krwi (hipoglikemia). Występowanie tego zjawiska stanowi ko- lejny czynnik prowadzący do zmęczenia mięśni szkieletowych. Należy jednak zwrócić uwagę, że hipoglikemia jest zja- wiskiem, które skutkuje zmęczeniem nie tylko mięśni szkieletowych, ale wpływa także na ośrodkowy układ nerwowy prowadząc do obniżenia tempa przemian me- tabolicznych komórek nerwowych. Kolejnym czynnikiem, który może wzmagać zmęczenie po- wstające podczas długotrwałego wysiłku fizycznego jest postępu- jące odwodnienie organizmu. Obniżenie ilości wody w orga- nizmie, hipowolemia, znacząco zmniejsza przepływ krwi przez mięśnie. W następstwie obserwujemy nie tylko obniżenie ilości związków wysokoenergetycznych, które wraz z krwią dostarcza- ne są do mięśni, ale również pogorszeniu ulega tempo usuwania produktów metabolicznych z komórek mięśniowych. Intensywnemu wysiłkowi fizycznemu, obok zmęczenia mię- śni, często towarzyszą stopniowo rozwijająca się sztywność mięśniowa oraz bóle mięśni. Ich maksymalne natężenie ob- serwujemy zwykle po upływie około 24–48 godzin od wysił- ku fizycznego. Zjawisko to jest powodowane mikrouszkodze- niami komórek mięśni szkieletowych, szczególnie w obszarach przylegających do ich połączenia ze ścięgnami. W miejscach tych może rozwijać się lokalny stan zapalny oraz obrzęk. Stan zapalny i ból ustępują zwykle po upływie około tygodnia, jednak pełna regeneracja uszkodzonej tkanki trwa znacznie dłużej. Możliwa jest jeszcze jedna przyczyna, obserwowanego pod- czas długotrwałego i intensywnego wysiłku fizycznego, spadku wydajności mięśni szkieletowych. Może dochodzić do wyczer- pania zapasów acetylocholiny, zgromadzonej w zakończeniu aksonu ruchowego synapsy nerwowo-mięśniowej. Tempo proce- su resyntezy tego neurotransmitera nie wystarcza do skompen- sowania jego utylizacji podczas intensywnego i długotrwałego wysiłku fizycznego. Po zakończeniu intensywnego wysiłku fizycznego następuje stopniowa regeneracja materiałów energetycznych mięśnia. Pro- dukty przemian metabolicznych, głównie mleczany, pochodzące z procesów beztlenowych wraz z przepływającą krwią opuszczają mięśnie i kierowane są do wątroby. W procesie glikogenogenezy 276 ALEpjQA= AL  ozdzia. izjologia ięś i o rze z ie rą owa y sz ieletowy zostają przetworzone na glikogen i w ten sposób odbudowane są zapasy tego materiału energetycznego. Część kwasu mlekowe- go ulega przetworzeniu na glikogen już w komórce mięśniowej, tym samym odtworzony zostaje wewnątrzkomórkowy zapas tego związku. W obrębie komórki mięśniowej odbudowane zostają wewnątrzkomórkowe zasoby fosfokreatyny oraz ATP. Dochodzi także do odtworzenia zapasów acetylocholiny w części presy- naptycznej synapsy nerwowo-mięśniowej. Wszystkie, wyżej wy- mienione procesy, składają się na wypoczynek mięśni. DŁUG TLENOWY Podczas wysiłku fizycznego dochodzi do rozszerzenia naczyń krwionośnych, zwiększenia przepływu krwi i tym samym ilo- ści tlenu, który wraz z krwią dostarczany jest do mięśni. Zapo- trzebowanie energetyczne pracujących mięśni szkieletowych realizowane jest w pewnych granicach na drodze metabolicz- nych przemian tlenowych, a ilość tlenu docierająca wraz z krwią do komórek mięśniowych wystarcza do tego typu przemian. W przypadku gdy wysiłek fizyczny zwiększa się, me- taboliczne procesy tlenowe mięśnia nie wystarczają do resyntezy zużywanych materiałów energetycznych mięśni. Początkowo, do odtworzenia ATP zużywane są zasoby wewnątrzkomórkowej fosfokreatyny, natomiast część resyntezy ATP zachodzi na drodze przemian beztlenowych i prowadzi do powstawania kwasu mlekowego. Pomimo ciągłego odprowadza- nia mleczanów wraz z krwią przepływającą przez mięśnie, mle- czany które pozostają w miocytach prowadzą do obniżenia pH i zahamowania aktywności niektórych enzymów metabolizmu komórkowego. W niektórych sytuacjach, dodatkowa synteza ATP na drodze glikolizy beztlenowej może wydłużać czas trwania wy- siłku fizycznego. U sprinterów, którzy pokonują dystans 100 m w ciągu około 10 s, około 85% zużywanej energii pozyskiwane jest z glikolizy beztlenowej. W wyniku tak pozyskiwanej energii, po zakończeniu wysiłku organizm zużywa dodatkowe ilości tlenu, niezbędne do uzupeł- nienia zasobów wewnątrzkomórkowych związków wysokoener- getycznych oraz usunięcia nadmiaru mleczanów z komórek mię- śniowych, co określa się jako dług tlenowy. 277 ALEpjQA= AL