Po każdym uruchomieniu uaktualnić hiperłącze do interaktywnego kursu fizjologii mięśni!!! FIZJOLOGIA MIĘŚNI LIANA PUCHALSKA, STANISŁAW KOWALEWSKI

poprzecznie prążkowane  RODZAJE MIĘSNI poprzecznie prążkowane gładkie Mięsień szkieletowy Mięsień sercowy

Mięśnie szkieletowe Leonardo da Vinci

 BUDOWA MIĘSNIA SZKIELETOWEGO

Siateczka śród-plazmatyczna  STRUKTURA WŁÓKNA MIĘSNIOWEGO jądro mitochondria błona graniczna Z prążek I prążek A miofibryle sarkoplazma sarkolema Siateczka śród-plazmatyczna

 MIĘSNIE SZKIELETOWE. Budowa sarkomeru IZOTROPOWY ANIZOTROPOWY H M aktyna F miozyna Z  Aktyna F jest polimerem aktyny G. Każdy monomer ma miejsce wiążące główki miozyny. W stanie spoczynku miejsca te są zasłonięte przez kompleks tropomiozynowo-troponinowy

 MIOZYNA G N C GŁÓWKA TRZON łańcuch lekki podstawowy Lp łańcuch ciężki H łańcuch lekki podstawowy Lp łańcuch lekki regulatorowy Lr TRZON GŁÓWKA

 TRAWIENIE MIOZYNY HMM S-1 aktywność ATP-azy HMM S-2 G C N TRYPSYNA meromiozyna ciężka (HMM) meromiozyna lekka (LMM) PAPAINA HMM S-1 aktywność ATP-azy HMM S-2

 AKTYNA - aktyna G - tropomiozyna - troponina - podjednostka T wiąże się z tropomiozyną - podjednostka I hamuje aktywność ATP-azową aktomiozyny - podjednostka C wiąże jony Ca2+ i znosi hamujące działanie podjednostki I

 BIAŁKA WSPOMAGAJACE KOMÓRKI MIĘŚNIOWEJ  Białka pozasarkomerowej części cytoszkieletu DESMINA – utrzymuje poprzeczne uporządkowanie w miofibrilach DYSTROFINA – łączy α-aktyninę błony granicznej Z z przezbłono-wym kompleksem glikoproteinowym, który z kolei tworzy połącze-nia z elementami sprężystymi macierzy pozakomórkowej  Białka podporowe sarkomeru α-AKTYNINA – wchodzi w skład błony granicznej Z i umozliwia zakotwiczenia do niej aktyny, konektyny (tininy) i nebuliny KONEKTYNA – koniec N zakotwiczony jest w błonie granicznej Z, a koniec C w prążku M. fragment w obrębie prążka I ma kształt sprężysty, a w obrębie prążka A ma powtarzające się domeny wiążące LMM NEBULINA – owinięta wokół nitek aktyny utrzymując ich stałą długość. Tego białka nie ma w mięśniu sercowym

 JEDNOSTKA MOTORYCZNA

 JEDNOSTKA MOTORYCZNA Jednostką motoryczna nazywamy motoneuron i wszystkie komórki mięśniowe przez niego unerwiane Wszystkie komórki mięśniowe wchodzące w skład tej samej jednostki motorycznej są tego samego typu metabolicznego

I II  PODZIAŁ JEDNOSTEK MOTORYCZNYCH małe motoneurony wysoka pobudliwość moto-neuronów szybkie przewodzenie we włóknach nerwowych mała liczba komórek mięś-niowych głównie komórki mięśniowe czerwone II duże motoneurony niska pobudliwość moto-neuronów bardzo szybkie przewodzenie we włóknach nerwowych dużą liczba komórek mięś-niowych głównie komórki mięśniowe białe

 SIATECZKA SARKOPLAZMATYCZNA Część zbiornikowa SS Część cewkowa SS zawiera Ca2+ATP-azę Ca2+ Ca2+L Ca2+-kalsekwestrina Stopkę łączącą stanowią: kanał Ca2+ zbiornika końcowego SS (receptor rianodynowy) 4 kanały Ca2+ (receptor dihydropirydynowy) białko JFP ( białko wiążące stopki) Stopka łącząca JFP

aktyna-miozyna ADP-Pi  CYKL MOSTKA 3.19 ATP-miozyna H2O aktyna aktyna-miozyna ATP ADP-Pi - miozyna aktyna ATP aktyna-miozyna ADP-Pi aktyna-miozyna ADP+Pi

 CYKL MOSTKA A Pobudzenie sarkolemy Wzrost stężenia Ca2+ w sarkoplazmie Obrót polimerów tropomiozynowych o 25° wokół filamentów aktynowych Częściowe odsłonięcie miejsc wiązania główek miozyny i częściowe słabe wiązanie miozyny z aktyną Wzrost powinowactwa podjednostki C do Ca2+ Dalszy obrót polimerów tropomiozynowych wokół filamentów aktynowych Całkowite odsłonięcie miejsc wiązania główek miozyny i silne wiązanie miozyny z aktyną Wraz z odłączeniem Pi dochodzi do zmiany kąta miedzy główką a resztą mostka i przesunięcia aktyny względem miozyny Wymiana ADP na ATP kończy cykl mostka

Podczas skurczu mięśnia zachodzi wiele cykli mostków  CYKL MOSTKA Podczas skurczu mięśnia zachodzi wiele cykli mostków Im większe jest obciążenie mięśnia, tym bardziej zsynchronizowane muszą być cykle mostków w obrębie jednego sarkomeru, jak i w sarko-merach sąsiadujących

 SPRĘŻENIE ELEKTRO-MECHANICZNE Przekazywanie pobudzenia wywołującego powstanie potencjału czynnościowego w komórce mięśniowej i prowadzącego do skracania się sarkomerów nazywane jest sprężeniem elektromechanicznym Potencjał spoczynkowy mięśnia szkiele-towego wynosi od -85 do -90 mV. Za tak niski potencjał odpowiedzialny jest niespecyficzny kanał kationowy, który jest 100 razy bardziej przepuszczalny dla jonów K+ niż dla jonów Na+

 SPRĘŻENIE ELEKTRO-MECHANICZNE Uwolnienie acetylocholiny (ACh) w płytce motorycznej Otwarcie kanałów ACh zależnych i przesunięcie wartości potencjału sarkolemy do -65 mV Otwarcie kanałów Na+-potencjałozaleznych Wzrost potencjału błonowego do -40 mV pod wpływem prądu sodowego Otwarcie kanałów Ca2+ typu L w błonie kanalików poprzecznych (kanał receptor dihydropirydynowy) Wzrost stężenia Ca2+ w sarkoplazmie Zmiana konfiguracji białka JFP Uwolnienie Ca2+ z siateczki sarkoplazmatycznej przez kanał-receptor rianodynowy Znaczny wzrost stężenia Ca2+ w sarkoplazmie Cykl mostka

Rozkurcz mięśnia następuje po za-kończeniu cyklu mostków Warunkiem rozkurczu jest zmniej-szenie stężenia Ca2+ w sarkoplazmie poniżej 10-7 mol/L. Dochodzi do tego na skutek uruchamiania (zniesienia hamowania) pompy wapniowej Ca2+-ATPazy oraz usuwanie Ca2+ przez wymiennik 3Na+/Ca2+

Wyróżniamy  SKURCZ MIĘŚNIA SZKIELETOWEGO Skurcz pojedynczy Skurcz tężcowy zupełny niezupełny Czas trwania potencjału czynnościowego w mięśniu szkieletowym wynosi od 5 ms do 10 ms Czas trwania skurczu w mięśniu szkie-letowym wynosi od 7,5 ms do 120 ms

potencjał czynnościowy  SKURCZ MIĘŚNIA SZKIELETOWEGO POJEDYNCZY potencjał czynnościowy Skurcz mięśnia 5 10 100% 50% 0% ms 15 20 [Ca2+] Depolaryzacja i refrakcja wygasają w czasie powstawania wstępującego ramienia skurczu pojedynczego

Pojedyncze skurcze mięśnia (5 Hz) Sumowanie w czasie (20 Hz) Skurcz tężcowy niepełny (80 Hz) Skurcz tężcowy (100 Hz)

Prawo „wszystko albo nic”  REGULACJA SIŁY SKURCZ MIĘŚNIA SZKIELETOWEGO Prawo „wszystko albo nic” Dotyczy pojedynczych włókien szybkich białych mięśni szkieletowych. Skurcz poje-dynczych włókien mięśniowych następuje tylko po zadziałaniu bodźca nadprogowego Siła skurczu białego mięśnia szkieletowego zależy od intensywności bodźca. Odpowiedź „wszystko albo nic” występuje tylko w miejscach położonych blisko miejsca działania bodźca. Wzrost intensywności bodźca prowadzi do równomiernego pobudzenia wszystkich włókien mięśnia

 REGULACJA SIŁY SKURCZ MIĘŚNIA SZKIELETOWEGO Prawo „wszystko albo nic” nie oznacza, że odpowiedź pobudzanego włókna mięśniowego będzie zawsze jednakowa. Siła skurczu mięśnia w skurczu tężco-wym niezupełnym będzie większa, niż w skurczu pojedynczym, natomiast w skurczu tężcowym zupełnym siła skurczu mięśnia jest jeszcze większa. Siła skurczu zależy od częstotliwości pobudzenia Jeśli mięsień znajduje się w rozkurczu tuż po skurczu tężcowym zupełnym, pojedyncze pobudzenie nadprogowe może wywołać skurcz silniejszy od poprzedniego. W warunkach niedotlenienia zmniejsza się nie tylko siła skurczu, wydłużeniu ulega tez czas trwania rozkurczu. Gdy zasoby ATP są wyczerpane mięsień wcale nie może się rozkurczyć

SKURCZ MIĘŚNIA SZKIELETOWEGO Podział skurczów względem zmiany długości mięśnia i generowania siły Skurcz izotoniczny Występuje wtedy, gdy mięsień może się skraca ale nie generuje napięcia, bo nie są rozciągane elementy sprężyste Skurcz izometryczny Występuje wtedy, gdy mięsień nie może się skracać. Generuje napięcie, ponieważ sarkomery skra-cają się kosztem rozcią-gania elementów sprężys-tych ułożonych szeregowo. Czysty skurcz izotoniczny nie występuje nigdy, a czysty skurcz izometryczny rzadko Najczęściej występują skurcze dwufazowe - auksotoniczne

 SKURCZ MIĘŚNIA SZKIELETOWEGO spoczynek skurcz izotoniczny Skurcz izotoniczny spoczynek skurcz izometryczny Skurcz izometryczny

Napięcie izometryczne (% maksimum)  REGULACJA SIŁY SKURCZ MIĘŚNIA SZKIELETOWEGO 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 100% 40% 0% długość sarkomeru (μm) 80% 20% 60% Napięcie izometryczne (% maksimum) Zakres maksymalnego napięcia 1.65 1.90 2.05 2.20 3.65

 REGULACJA SIŁY SKURCZU MIĘŚNIA SZKIELETOWEGO 80 90 100 100% 40% 0% względna długość mięśnia (100% = długość przy sile maksymalnej) 80% 20% 60% Siła mięśnia (% od maksimum w skurczu izometrycznym) napięcie całkowite napięcie bierne 1.8 2.0 2.2 długość sarkomeru (μm) napięcie czynne Wypadkowa napięcia całkowitego jest sumą napięcia biernego i czynnego Sprężystość mięśnia zale-ży od elementów sprężys-tych położonych szeregowo (elementy tkanki łącznej, odcinki szyjkowe miozyny) i równolegle (błona włókna mięśniowego, tkanka łącz-na) oraz elementów kurczli-wych. Rozciąganie tych ele-mentów jest przyczyną na-pięcia biernego Napięcie czynne jest określone przez ilość most-ków aktynowo-miozyno-wych i dlatego zmienia się wraz z długością mięśnia

 REGULACJA SZYBKOŚCI SKRACANIA MIĘŚNIA SZKIELETOWEGO Maksymalna (bez obciążenia) szybkość skracania sarkomeru jest równa maksymalnej prędkości ślizgania aktyny i miozyny względem siebie. Tym szybciej odbywa się to przesuwanie im większa jest aktywność ATP-azowa miozyny Ponieważ sarkomery w miofibrylach położone są szeregowo, skracania ich są sumowane, więc przy takiej samej szybkości skracania sarkomeru długi mięsień będzie skracał się szybciej, niż mięsień krótki Szybkość skracania obciążonego mięśnia w skurczu izotonicznym będzie zależała od stopnia obciążenia

długie włókna mięśniowe krótkie włókna mięśniowe  REGULACJA SZYBKOŚCI SKRACANIA MIĘŚNIA SZKIELETOWEGO Szybkość skracania mięśnia zmniejsza się wraz ze zwiększeniem obciążenia. Gdy obciążenie jest równe połowie siły maksymalnej osiąganej w warunkach izometrycznych, szybkość skracania osiąga ok. 1/5 wartości maksymalnie możliwej (obserwowanej bez obciążenia) Szybko skracający się mięsień rozwija mniejszą siłę niż mięsień skracający się wolniej lub poprzednio rozciągnięty. Duży ciężar jeśli w ogóle może być podniesiony, to tylko wolno. Szybkie ruchy natomiast możliwe tylko wtedy, gdy nie wymagają dużej siły 0 25 50 75 100 Szybkość skracania (%Vmax) Siła mięśniowa (mN) 100 75 50 25 długie włókna mięśniowe krótkie włókna mięśniowe

 METABOLIZM ENERGETYCZNY MIĘŚNI SZKIELETOWYCH Zapas ATP (5 μmol/g mięśnia) w komórce mięśniowej jest wystarczający na 1 do 2 sekund skurczu ∆G ≈ 50 kJ (12 kcal)/mol ATP Substratami energetycznymi, wykorzystywanymi przez mięśnie do resyntezy ATP, są: fosfokreatyna glikogen mięśniowy glukoza wychwytywana z krwi WKT ketokwasy aminokwasy

kreatyna + ADP  kreatyna + ATP  METABOLIZM ENERGETYCZNY MIĘŚNI SZKIELETOWYCH • Fosfokreatyna - zapas CrP ok. 25 μmol/g mięśnia wystarcza na 50 skurczów. Energia CrP umożliwia krótkotrwały (10 do 20s) intensywny wysiłek) kreatyna + ADP  kreatyna + ATP • Synteza ATP z 2 częsteczek ADP ADP + ADP  ATP + AMP Pi kinaza adenylanowa

 METABOLIZM ENERGETYCZNY MIĘŚNI SZKIELETOWYCH

Glikogen ATP + kwas mlekowy  METABOLIZM ENERGETYCZNY MIĘŚNI SZKIELETOWYCH • Glikoliza beztlenowa - zapas glukozy ok. 100 μmol/g mięśnia. Glikoliza beztlenowa jest opóźniona w stosunku do rozpadu CrP o ok. 30 s. Z 1 mola reszt glukozowych uzyskuje się netto 2 mole ATP Glikogen ATP + kwas mlekowy • Glikoliza tlenowa – jest znacznie bardziej energetycznie wydajna. Z 1 mola glukozy na tej drodze powstaje netto 38 moli ATP (czasem 36 moli ATP) Długotrwały wysiłek mięśniowy jest możliwy tylko dzięki pozyskiwaniu energii z glukozy i tłuszczów glukozo-6-fosforan

 METABOLIZM ENERGETYCZNY MIĘŚNI SZKIELETOWYCH Vo2 WYSIŁEK • Deficyt tlenowy Dług tlenowy Zanim nastąpi aktywacja przemian tlenowych w mitochondriach a czynność układu krążenia i oddechowego osiągnie poziom odpowiadający zapotrzebowaniu tlenowemu, skurcz mięsni odbywa się dzięki energii pochodzącej z rozpadu CrP i beztlenowej przemiany glukozy. Jest to okres DEFICYTU TLENOWEGO, trwający zwykle kilka minut (3-6 min). Zaciągnięty DŁUG TLENOWY musi być oddany w okresie spoczynku po wysiłku. A zatem zużycie tlenu, mimo spoczynku organizmu, pozostaje jeszcze przez jakiś czas podwyższone

Typ II - białe Typ I - czerwone  PODZIAŁ METABOLICZNY MIĘSNI SZKIELETOWYCH Typ II - białe II a przewaga metabolizmu bez-tlenowego mała zawartość mioglobiny mała liczba mitochondriów szybkie narastanie siły skur-czu szybkie występowanie zmę-czenia II b mają charakter pośredni pomiędzy typem I i IIa Typ I - czerwone przewaga metabolizmu tle-nowego duża zawartość mioglobiny gęsta sieć naczyń włosowa-tych bardzo dużo mitochondriów powolne narastanie siły skurczu powolne występowanie zmę-czenia 4.24

Mięśnie gładkie Leonardo da Vinci

Skurcz mięśnia gładkiego nie podlega świadomej kontroli  MIĘŚNIE GŁADKIE Skurcz mięśnia gładkiego nie podlega świadomej kontroli Mięśnie gładkie nie mają sarkomerów Miozyna w mięśniu gładkim jest usytuowana na całej długości aktyny Skurcz mięśnia gładkiego jest wydajny energetycznie ale powolny Pomiędzy miocytami mięsni gładkich znajdują się złącza szczelinowe Wśród komórek mięsni gładkich są komórki rozrusznikowe, cechujące się powstaniem w nich samoistnej powolnej depolaryzacji (w ścianie naczyń krwionośnych znajdują się komórki mięśni gładkich o charakterze rozrusznikowym, natomiast w ścianach żołądka i jelit znajdują się komórki nerwowe Cajala)

BUDOWA 1 wrzecionowate (maks 0.4 nm) walcowate, długie (maks 15 cm)  PORÓWNANIE MIĘŚNI GŁADKICH I MIĘSNI SZKIELETOWYCH BUDOWA CECHY MIĘSIEŃ GŁADKI MIĘSIEŃ SZKIELETOWY Włókna wrzecionowate (maks 0.4 nm) walcowate, długie (maks 15 cm) Mitochondria nieliczne zależy od typu mięśnia Jądro komórkowe 1 liczne Sarkomery brak tak, maks. długość 3.65 μm Syncytium tak (złącza) Siateczka sarko-plazmatyczna słabo rozwinięta dobrze rozwinięta

FUNKCJA brak tak większy  PORÓWNANIE MIĘŚNI GŁADKICH I MIĘSNI SZKIELETOWYCH FUNKCJA CECHY MIĘSIEŃ GŁADKI MIĘSIEŃ SZKIELETOWY Charakter transmisji brak synapsy obecność synapsy Troponina brak tak Regulacja cyklu mostku miozyna aktyna Stopień zależności od zewnątrz komórkowego Ca2+ większy mniejszy Kompleks Ca2+kalmodulina Komórki rozrusznikowe tak (czynność spontaniczna powolna) brak (konieczny jest bodziec nerwowy) Skurcz tężcowy Zakres pracy zmienna krzywa siła/długość w maksimum krzywej siły/długość

 PORÓWNANIE MIĘŚNI GŁADKICH I MIĘSNI SZKIELETOWYCH ODPOWIEDŹ NA BODZIEC 200 ms 400 600 20 -60 -20 -40 mV 10 30 50 -100 -50 mięsień gładki mięsień szkieletowy

(mięśnie macicy i dużych naczyń tętniczych)  PODZIAŁ CZYNNOŚCIOWY MIĘŚNI GŁADKICH Wielojednostkowe (mięśnie ściany nasieniowodów, rozwieracz źrenicy, mięśnie ścian zespoleń tętniczo-żylnych w obrębie skóry) obficie unerwione, mało wrażliwe na krążące we krwi katecholaminy, nie mają własnego automatyzmu (nie ma komórek rozrusznikowych) Jednostkowe (mięśnie macicy i dużych naczyń tętniczych) słabo unerwione, bardzo wrażliwe na krążące we krwi katecholaminy, część z nich posiada własny automatyzm (są wśród nich komórki rozrusznikowe) Typ pośredni (mięśnie oskrzeli i pęcherza moczowego) unerwione asymetrycznie, co wynika z różnej odległości pomiędzy żylakowatościami zakończenia współczulnego a poszczególnymi włóknami mięśnia

Bodziec nerwowy lub hormomalny  MECHANIZM SKURCZU MIĘŚNI GŁADKICH Bodziec nerwowy lub hormomalny Wzrost stężenia Ca2+ w sarkoplazmie Uwolnienie Ca2+ z siateczki sarkoplazmatycznej Jony Ca2+łączą się z kalmoduliną i aktywują zależną od kompleksu Ca2+-kalmodulina kinazę, która fosforyluje Lp główki miozyny Znoszony jest wpływ hamujący Lp na interakjcę aktyny i miozyny Cykl mostka (podobny do mięśnia szkieletowego)

 ATP-aza Ca2+ części cewkowej SS PKA Ca2+ A Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ fosfolamban P Ca2+ fosfolamban ATP-aza SERCA KALMODULINA Ca2+ Ca2+ KINAZA ZALEŻNA od C/Ca2+ A P P • Bierze udział w rozkurczu mięśni gładkich. • W mięśniu sercowym reguluje tempo i stopień rozkurczu Ca2+

Hamują aktywność wolne rodniki tlenowe  REGULACJA AKTYWNOŚCI ATP-azy Ca2+ Wzrost aktywności NO, ANP agonisci receptorów β cAMP cGMP Hamują aktywność wolne rodniki tlenowe PKA PKG Fosforylacja fosfolambanu Fosforylacja fosfolambanu

α1-receptory β-receptory  WPŁYW POBUDZENIA RECEPTORÓW ADRENERGICZNYCH NA MIĘSNIE GŁADKIE NACZYŃ α1-receptory Pobudzenie receptora przez noradrenalinę wydzialana z zakończenia nerwowego Wzrost stężenia DAG i IP3 w sarkoplazmie Wzrost szybkosci uwalniania Ca2+ z SS oraz wzrost przepuszczalnościn sarkolemy dla jonów Ca2+ Przyspieszenie fosforylacji Lp miozyny Skurcz mięsni gładkich naczyń β-receptory Pobudzenie receptora przez noradrenalinę wydzialana z zakończenia nerwowego Wzrost stężenia cAMP w sarkoplazmie Aktywacja proteokinazy A (PKA) Fosforylacja kinazy zależnej od kompleksu Ca2+-kalmodulina Zmniejszenie powinowactwa tej kinazy do kompleksu Ca2+-kalmodulina Zmniejszenie pobudliwości skurczowej miocytu przy danym stężeniu Ca2+