Fiziologia mușchilor striați scheletici

Mecanismul de glisare a filamentelor

Contracția fibrei musculare apare când filamentele subțiri sunt trase unul spre altul, crescând suprapunerea cu filamentele groase din fibra musculară.

Moleculele de miozină ale filamentelor groase sunt compuse din două lanțuri polipeptidice, fiecare având forma unei crose de golf, cu axele răsucite una în jurul celeilalte și cu capetele înclinate în lateral ca într-o balama. Fiecare filament de miozină este înconjurat de filamente subțiri de actină, astfel încât cele două capete ale miozinei și filamentele de actină să poată veni în contact între ele în timpul contracției.

În mecanismul de glisare a filamentelor, capetele miozinei au rol de punți între filamentele de actină și miozină. Aceste capete aplică un impuls puternic, asemănător cu cel al unei vâsle care împinge apa. Impulsul trage filamentele de actină înspre interior, către zona H, iar această alunecare scurtează sarcomerul. Când același proces se desfășoară simultan în milioane de sarcomere din mii de fibre musculare, mușchiul se scurtează și se contractă.

Figura nr. 8.2. Teoria mecanismului de glisare a filamentelor în timpul activității musculare, demonstrată pe două sarcomere.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Cea mai densă figură a capitolului, și cea din care iese miezul mecanismului: niciun filament nu se scurtează, se schimbă doar cât de mult se suprapun. Cele trei rânduri, (a) relaxat, (b) în timpul contracției, (c) contracție maximală, desenează același grup de două sarcomere, la aceeași scară, deci toate comparațiile se pot face direct pe desen, iar cifrele măsurate așa sunt strânse în tabelul de dedesubt: lungimile filamentelor rămân neschimbate, iar sarcomerul scade la circa 60% din lungimea de repaus.

• Filamentul gros are aceeași lungime în toate cele trei rânduri, iar cum banda A măsoară exact filamentul gros, rezultă că banda A nu își schimbă lungimea în timpul contracției.

• Filamentul subțire are și el aceeași lungime în toate cele trei rânduri. Niciun filament nu se scurtează, se schimbă doar gradul de suprapunere.

• Zona H scade continuu și dispare

• Banda I scade dar nu dispare complet nici la contracție maximală.

• Raportul se inversează: în relaxare banda A ocupă circa jumătate din sarcomer, la contracție maximală ocupă aproape 90% din el.

• În rândul (c), cele două seturi opuse de filamente subțiri nu doar se ating, ci se depășesc unul pe celălalt și se suprapun pe o porțiune apreciabilă; sunt trasate la niveluri ușor diferite, ca să poată aluneca unul pe lângă celălalt.

• Porțiunea centrală netedă a filamentului gros rămâne netedă în toate cele trei rânduri și rămâne la mijlocul sarcomerului: la contracție maximală, în dreptul ei ajunge suprapunerea dintre filamentele subțiri opuse.

• Rândul (a) e cel cu toate benzile încă etichetate, și tot el arată că acolada „Banda I” e centrată pe linia Z: bara Z cade exact la mijlocul acoladei, deci banda I e împărțită în două de linia Z și aparține la două sarcomere vecine, exact cum spune textul, dar aici se și vede.

• Benzile I și A acoperă miofibrila cap la cap, fără spații neetichetate între ele: acolada „Banda A” începe exact acolo unde se termină acolada „Banda I”, adică la capătul filamentului gros.

• Zona H e marcată cu acoladă doar în rândul (a), acolo unde există; în (b) și (c) acolada dispare odată cu zona.

• Eticheta „Filament subțire (actină)” indică linia simplă, iar „Filament gros (miozină)” linia cu perișori oblici, la fel ca în figura 8.1.

• Filamentele subțiri nu traversează bara Z în această figură: se opresc la ea, iar cele ale sarcomerului vecin se prind la un nivel ușor diferit, ceea ce desenează întrepătrunderea de la linia Z.

• Se mișcă doar actina: săgețile groase din rândul (b) sunt trasate numai pe filamentele subțiri, niciodată pe cele groase.

• Sensul e spre mijloc: în fiecare sarcomer, cele două săgeți sunt îndreptate una spre cealaltă, iar cele două seturi de actină converg spre zona H.

• Săgețile sunt plasate în banda I, adică în porțiunea în care filamentul subțire încă nu s-a suprapus peste cel gros.

• Scurtarea e simetrică față de mijloc: linia Z din mijlocul figurii rămâne pe același loc în toate cele trei rânduri, iar cele două linii Z exterioare se apropie de ea, deci fiecare sarcomer se scurtează la fel de mult de o parte și de alta.

• Acolada „Sarcomere” din rândul (c) cuprinde amândouă sarcomerele, între cele două linii Z exterioare: eticheta e la plural, nu marchează un singur sarcomer.

Pe măsură ce alunecarea avansează, sarcomerele ajung la dimensiunea lor minimă: zona H dispare, iar banda I își reduce foarte mult dimensiunile. La contracție maximală, filamentele de actină opuse ajung suprapuse.

CAPCANĂ DE GRILĂ: „Filamentele se scurtează la contracție” e fals și e cel mai frecvent distractor de la acest subcapitol. Lungimile rămân aceleași, se schimbă doar suprapunerea. De aici cele trei consecințe măsurabile: banda A nu își schimbă lungimea, banda I se micșorează mult dar nu dispare, iar zona H dispare complet.

Ciclul punților de miozină

Punțile de miozină produc contracțiile fibrelor deoarece ele se comportă ca niște enzime. Enzimele desfac molecula de adenozin trifosfat (ATP) în adenozin difosfat (ADP) și un grup fosfat anorganic.

1. ATP-ul se leagă de receptorul enzimatic aflat pe capul miozinei.

2. Molecula de ATP este descompusă, iar ADP-ul și fosfatul rămân legate de capătul miozinei.

3. Energia eliberată prin descompunerea ATP-ului activează capul miozinic în poziție armată.

4. În această poziție, între capul miozinei și filamentul de actină se creează o legătură slabă, care determină eliberarea ADP-ului și a fosfatului.

5. Odată cu îndepărtarea acestor compuși, capul miozinei se leagă puternic de filamentul de actină.

6. Capul miozinei înaintează și asigură impulsul, care determină alunecarea filamentelor de actină de-a lungul celor de miozină.

7. Când o nouă moleculă de ATP se leagă de receptorul miozinic, actina este eliberată, iar ciclul se repetă dacă stimulul neuronal persistă.

Fără stimulare nervoasă, sarcomerele din fibra musculară se relaxează. Ciclul de glisare a filamentelor se produce rapid, la nivelul a milioane de capete de miozină, la fiecare capăt al sarcomerului, atâta timp cât ATP-ul este disponibil și poate furniza energie pentru contracție.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Atenție la ordinea din ciclu. ATP-ul se leagă înainte de armarea capului, iar noua moleculă de ATP e cea care desprinde capul de actină, nu cea care îl leagă. Legătura puternică apare după eliberarea ADP-ului și a fosfatului, nu înainte de ea.

Mușchiul roșu și mușchiul alb

În așa-numitele fibre musculare roșii există un număr foarte mare de molecule de mioglobină, de culoare roșiatică, unde se stochează oxigenul. În starea de relaxare sau de contracție lentă a mușchiului, ATP-ul este utilizat lent, iar celulele sunt capabile să genereze rapid ATP din oxigenul stocat în mioglobină, pentru respirație celulară. Aceste proprietăți permit mușchilor roșii să se contracte repetat și să reziste oboselii musculare. Mușchiul roșu este adesea numit mușchi lent sau mușchi oxidativ, datorită rezervei de oxigen stocată în mioglobină.

Un alt tip de mușchi este mușchiul alb. Acesta este numit uneori mușchi rapid sau mușchi glicolitic, datorită abundenței de glicogen. Mușchiul alb are puțină mioglobină sau chiar deloc și, de aceea, depozitul de oxigen este foarte redus. ATP-ul este utilizat rapid, dar nu poate fi înlocuit la fel de rapid, deoarece cantitatea de oxigen disponibilă pentru respirația celulară este foarte mică. Astfel, mușchiul alb prezintă rapid oboseală musculară, cu acumulare de acid lactic.

Inițierea contracției musculare

Filamentele subțiri de actină se prezintă sub forma a două lanțuri răsucite într-un helix. În șanțul acestui helix se găsesc moleculele unei proteine denumite tropomiozină. Când un mușchi este relaxat, tropomiozina împiedică legarea capetelor miozinei de actină, mascând locul în care legătura ar trebui să apară în mod normal.

O altă proteină, denumită troponină, se găsește la intervale regulate de-a lungul filamentelor de actină. Troponina se leagă atât de moleculele de tropomiozină, cât și de cele de actină, precum și de ionii de calciu.

Fibrele musculare se contractă atunci când primesc un impuls nervos. Neurotransmițătorul, respectiv acetilcolina, este eliberat la nivelul joncțiunii neuromusculare când impulsul nervos ajunge la aceasta. Joncțiunea neuromusculară este compusă dintr-o singură fibră musculară și terminația unei singure celule nervoase. Deși membranele celulei musculare și ale celei nervoase sunt foarte apropiate, ele nu se ating, rămânând separate printr-un spațiu plin cu lichid, numit fantă sinaptică. Neurotransmițătorii sunt eliberați în acest spațiu.

Impulsul este inițiat în celula musculară și apoi se propagă pe întreaga suprafață celulară, declanșând seria de evenimente din interiorul celulei musculare care va culmina cu contracția acesteia.

În toate celulele aflate în repaus, concentrația ionilor de sodiu este menținută scăzută prin transport activ. Când acetilcolina se leagă de receptorii de pe membrana celulară, numită și sarcolemă, ionul de sodiu pătrunde în interiorul celulei.

COMPLETARE: Manualul spune aici doar „transport activ”, fără să numească mecanismul. Transportul activ care ține sodiul scăzut în celulă este pompa de sodiu-potasiu.

Concentrația ionilor de calciu din citoplasma celulelor aflate în repaus este de asemenea foarte scăzută, deoarece calciul este în permanență pompat în afara celulei sau înspre interior, în reticulul endoplasmic neted specializat al celulei, numit și reticul sarcoplasmic. În interiorul fibrelor musculare există și un alt tip de rezervor de calciu, format dintr-un sistem de invaginări ale sarcolemei, denumit sistemul tubilor transversali sau tubii T. Tubii T sunt situați în dreptul joncțiunilor A-I și permit calciului să pătrundă din spațiul extracelular.

COMPLETARE: Cisternele terminale sunt părți ale reticulului sarcoplasmic, saci dilatați ai acestuia, lipiți de tubii T.

Influxul de ioni de sodiu produce o activitate electrică de-a lungul fibrei musculare, permițând tubilor T și reticulului sarcoplasmic să elibereze rapid ionii de calciu în interiorul sarcoplasmei. Ionii difuzează din depozite în sarcoplasmă, scăldând filamentele. Aici ionii de calciu se leagă de situsurile de la nivelul moleculelor de troponină, iar complexul își schimbă forma. Deoarece troponina este legată de tropomiozină, tropomiozina își schimbă poziția și eliberează locurile de cuplare ale actinei cu capetele miozinei. Astfel se declanșează un impuls puternic. Dacă se eliberează cantități mari de ioni de calciu, se pot forma mai multe legături cu troponina, ceea ce permite realizarea de contracții mai numeroase și mai puternice.

Figura nr. 8.3. Detalii ale contracției sarcomerului în fibra musculară.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Primul lucru de citit e momentul, nu structura: desenul nu prinde repausul. Elipsele de legare de pe actină sunt descoperite, capetele miozinei le ating, iar semnele de sarcină arată polaritate inversată față de repaus, deci figura surprinde starea activată, de după fixarea calciului, în plină depolarizare. Peste asta, ea are două etaje suprapuse: sus, etajul molecular al filamentelor, jos, etajul membranar al sistemului tubular, care arată de unde vine calciul mai precis decât o face proza.

• Depozitul de calciu e cisterna terminală: punctele de calciu apar numai în interiorul cisternelor terminale, nu și în tubul care le unește și nu în lumenul tubului transversal.

• Traseul desenat al calciului e cisternă terminală -> troponină, fără etapă intermediară: săgeata mare, goală, etichetată Ca⁺⁺ pornește dintr-o cisternă terminală și urcă direct la o moleculă de troponină de pe filamentul de actină.

• Calciul se leagă de troponină, nu de actină și nu de tropomiozină: troponina e un complex bilobat, atașat pe panglica de tropomiozină și proeminent în afara filamentului, la intervale regulate, iar ionul de calciu e o sferă închisă la culoare andocată pe ea.

• Cisternele stau între tuburile transversale, nu invers: sunt două tuburi transversale, câte unul la fiecare capăt al panoului, iar reticulul dintre ele are formă de halteră, două cisterne terminale unite printr-un tub subțire, fiecare cisternă lipită de câte un tub T, deci fiecare tub T e flancat de o cisternă terminală.

• Tubul transversal e o invaginare: se deschide la suprafața exterioară a fibrei și are capătul orb îndreptat spre interior, spre miofilamente.

• Semnele de sarcină sunt sistematice, nu alternante: „+” în sarcoplasmă, „-” în afara celulei și „-” și în lumenul tubului transversal. Lumenul tubului T poartă același semn ca exteriorul celulei, deci e continuu cu spațiul extracelular, ceea ce explică de ce tubii T pot aduce calciu din afara fibrei.

• Tot din semne se citește starea fibrei: pozitiv înăuntru și negativ în afară înseamnă polaritate inversată față de repaus, adică momentul depolarizării.

• Cele două situsuri sunt pe molecule diferite: „Locul de cuplare a ATP-ului” e indicat pe capul miozinei, iar „Locul de formare a punților de legătură” pe o mică elipsă palidă de pe o bilă de actină, deci unul pe miozină și celălalt pe actină.

• Filamentul gros e un mănunchi de mai multe linii longitudinale paralele, adică e format din multe molecule de miozină alăturate, nu dintr-una singură.

• O moleculă de miozină are coada culcată în interiorul filamentului, apoi un gât care iese aproape în unghi drept și se termină cu un cap globular; capetele ies toate pe aceeași parte a filamentului, spre actină.

• Tropomiozina nu e o bilă printre bile, ci o panglică continuă de-a lungul filamentului: actina e trasată ca două șiruri de bile răsucite unul în jurul celuilalt, iar panglica urmează aceeași răsucire, în șanțul dintre ele.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Calciul se leagă de troponină, nu de actină și nu de tropomiozină. Tropomiozina se deplasează doar pentru că e legată de troponină. Distractorul clasic pune calciul direct pe locul de cuplare al actinei sau îl leagă de tropomiozină.

Relaxarea

Un mușchi se relaxează când nu mai există impulsuri nervoase care să-l stimuleze în vederea contracției. Când impulsurile încetează, sarcolema și tubii T revin la starea de repaus. Eliberarea ionilor de calciu din reticulul sarcoplasmic se încheie, iar enzimele pompează calciul înapoi în cisternele terminale.

Odată cu retragerea calciului, troponina revine la configurația de repaus, iar tropomiozina acoperă din nou locurile de cuplare ale miozinei de pe filamentele de actină. Filamentele de actină glisează spre exterior, pentru ca sarcomerul să revină la lungimea inițială de repaus.

Tabelul nr. 8.2. Evenimentele din timpul contracției și relaxării fibrei musculare.

ATP-ul este consumat atât în timpul contracției, cât și în timpul relaxării. În timpul relaxării, ATP-ul asigură energia pentru a pompa ionii de calciu în tubii T și în reticulul sarcoplasmic. Mușchii care nu se pot aproviziona cu ATP vor rămâne contractați. De exemplu, după moarte, celulele musculare rămân contractate, stare denumită rigor mortis: actina și miozina sunt blocate împreună în poziție de contracție. După câteva ore, mușchii se relaxează, pe măsură ce alte procese degenerative încep să domine.

Răspunsul gradual

Un aspect important al fibrei musculare individuale îl reprezintă răspunsul „tot sau nimic”. Aceasta înseamnă că o fibră se contractă numai după ce un impuls depășește o anumită intensitate prag și se răspândește apoi în întreaga celulă. Odată ce intensitatea prag a fost depășită, creșterea în continuare a intensității, a ratei și a duratei impulsului va produce o contracție doar cu puțin mai puternică. Cu alte cuvinte, fibra (celula) musculară se contractă fie complet, fie deloc.

Mușchiul, ca întreg, nu se supune legii „tot sau nimic”, ci răspunde în mod gradual la stimuli. Un răspuns gradual este un răspuns variabil, dependent de numărul de fibre musculare care se contractă într-un mușchi. În cazul în care un număr mare de neuroni conduc impulsuri la un mușchi, se vor contracta mai multe fibre musculare. Dacă sunt stimulate numai câteva fibre, contracția mușchiului va fi slabă.

Fiecare neuron se ramifică spre fibrele musculare ale mușchiului și, ca atare, un singur neuron poate stimula până la 100 de fibre musculare. Neuronul, împreună cu fibrele musculare pe care le stimulează, constituie o unitate motorie. Neuronii care conduc impulsuri către fibrele musculare se numesc neuroni motori, iar un neuron motor deservește un număr variabil de fibre musculare.

Figura nr. 8.4. Relația dintre sistemul nervos și sistemul muscular, cu două unități motorii.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Cele două unități motorii sunt puse pe același mușchi tocmai ca să se vadă că un mușchi conține mai multe. Corpurile celulare ale ambilor neuroni motori stau în interiorul substanței cenușii a măduvei spinării, pe fața ei secționată, iar din măduvă iese doar axonul.

• Un nerv transportă axonii mai multor unități motorii: axonii celor două merg împreună într-un singur nerv și se despart abia în apropierea mușchiului.

• Fiecare axon se împarte în mai multe ramuri terminale, iar fiecare ramură se termină pe altă fibră musculară; pe o fibră ajunge o singură terminație.

• Joncțiunile neuromusculare nu sunt aliniate: pe fibre diferite ele cad la niveluri diferite de-a lungul fibrei.

• Mușchiul apare în două trepte de mărire, una sub alta: organul întreg jos, cu secțiune transversală care arată o masă densă de fibre mici, iar deasupra un fragment mărit în care se văd fasciculele și fibrele individuale.

• Figura nu stabilește dacă fibrele unității motorii 1 sunt amestecate printre cele ale unității 2 sau grupate separat: la rezoluția desenului nu se poate citi, deci afirmația nu se folosește ca fapt.

CAPCANĂ DE GRILĂ: „Tot sau nimic” se aplică fibrei, nu mușchiului. Mușchiul întreg răspunde gradual, prin numărul de fibre recrutate. Distractorul clasic extinde legea la mușchiul întreg sau, invers, restrânge răspunsul gradual la fibra individuală.

Contracția unei singure fibre musculare este numită secusă. Creșterea numărului de secuse, apărută într-un mușchi datorită unei stimulări continue, este numită sumație. Sumația reprezintă starea în care impulsurile nervoase ajung la un mușchi înainte ca precedenta contracție să fi încetat și rezultă parțial din incapacitatea reticulului sarcoplasmic de a recupera ionii de calciu înainte de o nouă stimulare. Intensitatea unei contracții prin sumație este întotdeauna mai mare decât a secuselor individuale, deoarece secusele sunt răspunsuri la stimulări mai rare.

Sumația poate culmina prin tetanus, o stare de contracție musculară maximală, susținută. De exemplu, strângerea pumnului plasează mușchii într-o stare de tetanus.

O altă caracteristică a mușchilor este capacitatea de a ajunge la starea de tonus muscular, în care mușchiul este menținut parțial contractat pentru o perioadă lungă de timp. Ea se caracterizează prin producerea unei stimulări consecutive, de scurtă durată, a fibrelor musculare, astfel încât anumite părți ale mușchiului sunt întotdeauna contractate, pe când cea mai mare parte a mușchiului rămâne relaxată. Ortostatismul, în prezența gravitației, se realizează cu ajutorul tonusului muscular, iar exercițiul fizic crește tonusul mușchilor utilizați.