AF1 Modul 3: Muskelfysiologi Flashcards
Kunne redegøre for opbygningen af sarkolemma, t-tubuli og sarkoplasmatisk retikulum
Sarkolemma: Skeletmuskelfiberens cellemembran. Hvilemembranpotentialet er mellem -70 mV og -90 mV.
T-tubuli: Invaginationer af sarkolemma. Aktionspotentialer løber over sarkolemma og ned i T-tubuli, så signalet om kontraktion også når myofibrillerne ”dybt inde” i muskelfiberen. T-tubuli er tæt associeret med SR.
Sarkoplasmatisk retikulum (SR): Et modificeret endoplasmatisk retikulum som oplagrer Ca2+ vha. en Ca2+-ATPase. SR forgrener sig uden om myofibrillerne og ligger i tæt relation til disse.
T-tubuli og SR ligger i triader. En triade består af T-tubuli med SR på begge sider.
Kunne redegøre for calciumkanalerne, deres placering og deres funktioner i forbindelse med muskelkontraktioner
Calciumkanalerne er essentielle ifm. excitations-kontraktionskoblingen (excitation pga. aktionspotentiale, kontraktion pga. calciumfrigivelse som medfører muskelkontraktion).
I den neuromuskulære junction frigives acetylcholin fra det præsynaptiske neuron. Acetylcholin binder til nicotinerge receptorer i sarkolemma, hvilket åbner uspecifikke monovalente kationkanaler. Na+ løber ind i cellen (og lidt K+ løber ud) og sarkolemma depolariseres – det kaldes et ”end plate potential”. Dette ”end plate potential” overstiger som regel altid tærskelværdien og initierer et aktionspotential som spreder sig langs sarkolemma i begge retninger. Aktionspotentialet løber ned i T-tubuli.
I T-tubulus sidder en DHP-receptor (dihydropyridin – kaldes også en L-type calciumkanal). DHP-receptoren er mekanisk forbundet til en RyR-receptor (ryanodin) i SR som åbner calciumkanaler. Når aktionspotentialet løber ned i T-tubulus ændrer DHP-receptoren konformation (den er spændingsfølsom), hvilket åbner RyR-calciumkanalerne. Ca2+ løber med sin elektrokemiske gradient fra SR til myoplasma.
Ca2+ binder til troponin som ændrer konformation og fjerner tropomyosin som normalt blokerer for myosin-binding site på aktinfilamenterne. Nu kan myosinhovederne og aktinfilamenterne interagere; myosinhovederne laver deres power stroke og der sker en kontraktion.
Kontraktionen ender ved at Ca2+ genoptages i SR vha. en calciumpumpe (Ca2+-ATPase aka SERCA), og Ca2+ binder ikke længere til troponin, hvilket medfører at tropomyosin flytter sig tilbage og blokerer for interaktionen mellem myosin og aktin.
Kunne redegøre for motoriske enheder (motor units)
En motorisk enhed/”motor unit” består af ét somatisk motorneuron samt alle de muskelfibre neuronet innerverer. OBS: Én muskelfiber innerveres kun af ét motorneuron. Når neuronet sender et aktionspotential, vil alle muskelfibrene i denne motor unit kontrahere.
Der kan være et forskelligt antal muskelfibre i forskellige motorunits. For muskler involveret i finmotorik (fx øjenbevægelse, håndbevægelse) er der meget få muskelfibre i en motor unit (måske 3-5 stk.). For muskler involveret i grovmotorik er der mange muskelfibre i en motor unit (måske 2000 stk.).
Alle muskelfibre i en motor unit er af samme type (hurtige eller langsomme), men en muskel har begge typer. En muskel kan graduere sin kontraktion i form af kraft og varighed, ved at variere hvilke typer motor units (hurtige/langsomme) der er aktive, og ved at variere antallet af rekrutterede motor units.
- Langsomme motor units – ”fatigue resistant fibers”: Fx muskler der virker mod tyngdekraften til at holde os oprejst. De kan producere stor kraft, og kan gøre det i lang tid.
- Hurtige motor units: Kan producere kraft hurtigt, men kan ikke gøre det i lang tid ad gangen.
Kunne redegøre for opbygningen af de kontraktile proteiner aktin og myosin
De kontraktile proteiner er aktin og myosin-II (eller bare kaldet myosin).
Myosin er en dimer som er organiseret med 2 hoveder og en hale (og en hængselsregion). Myosin er et motorprotein (hovederne er motorregion), og kan ved brug af ATP til konformationsændring ”kravle” langs aktin. I skeletmuskler samler ca. 250 myosinmolekyler sig til et tykt filament, hvor hovederne peger udad og halerne ligger inde centralt.
Aktin udgør de tynde filamenter. Aktinfilamenter er opbygget af globulære aktinmonomerer (også kaldet G-aktin – globular actin) der sætter sig sammen i en dobbelthelixformet struktur (også kaldet F-aktin – filamentous actin).
Hver aktinmonomer har ét myosin binding site, og hvert myosinhoved har ét aktin binding site. Når myosin binder til aktin, kaldes det tværbrodannelse.
Myosin binding site på aktin er i hvile dækket af tropomyosin.
Kunne redegøre for muskelcellernes sammensætning (inkl. sarcomer)
En muskelcelle kaldes også en muskelfiber. Cellekernerne (der er flere) ligger ude perifært. Muskelfibrene fremstår tværstribede i mikroskop pga. måden hvorpå aktin og myosin er arrangeret. Der er mange mitokondrier.
Cellemembranen kaldes for sarkolemma og den har invaginationer kaldet T-tubuli. Cytoplasma kaldes for sarkoplasma. Muskelfibre har et modificeret endoplasmatisk retikulum kaldet det sarkoplasmatiske retikulum.
Det meste af muskelfiberens volumen optages af myofibriller. Myofibrillerne består af de kontraktile proteiner aktin og myosin, de regulatoriske proteiner troponin og tropomyosin samt de accessoriske proteiner titin og nebulin. Hver myofibril består af sarkomerer.
Sarkomer:
Sarkomerene ligger ”på række” i myofibrillerne og medfører den tværstribning man ser i mikroskop.
- Z-disk: En sarkomer løber fra Z-disk til Z-disk. Det er zigzag-formede proteinstrukturer hvortil aktinfilamenterne hæfter.
- I-bånd: Lyse bånd hvor der kun er aktinfilamenter (tynde). Der er en Z-disk i midten af hvert I-bånd, dvs. hver halvdel af et I-bånd tilhører forskellige sarkomerer.
- A-bånd: Mørke bånd hvor der er myosinfilamenter (tykke) – OBS: dækker også det område hvor aktin og myosin overlapper.
- H-zone: En lidt lysere midterdel af det mørke A-bånd. Det er den del af A-båndet hvor der kun er myosin (inter overlap med aktin).
- M-linje: Lige i midten af sarkomeren. Proteinstruktur hvorfra myosinfilamenterne udgår.
Ved kontraktion forkortes I-bånd og H-zone. A-båndet har samme størrelse.
Titin og nebulins rolle:
Titin er et kæmpe protein som er elastisk. Titin strækker sig fra Z-disk til M-linje. Titin sørger for at stabilisere placeringen af de kontraktile filamenter, og proteinets elasticitet sørger for at en strukket muskel finder tilbage til sin oprindelige længde.
Nebulin hjælper med at ”align” aktinfilamenterne i sarkomeren.
Kunne redegøre for nervesystemets regulering af kraft og effektudvikling
Nervesystemet regulerer kraften som en muskel skal producere, ved summation. Musklen kontraheres jævn ved at øge antallet af aktive motorneuroner. Først aktiveres langsomme oxidative muskelfibre, dernæst hurtige oxidative-glykolytiske muskelfibre og til sidst hurtige glykolytiske muskelfibre.
Spatial summation: Nervesystemet rekrutterer et passende antal motor units. Jo flere motor units, der aktiveres, jo mere kraft kan musklen producere. Nervesystemet prøver at undgå muskeltræthed ved asynkron rekruttering af motor units, dvs. forskellige motor units ”takes turn” i at være aktive og kunne slappe af (asynkron rekruttering kan dog kun lade sig gøre hvis der ikke kræves maksimal kontraktion).
Temporal summation: Nervesystemet kan øge frekvensen af stimulation af en motor unit, og dermed øge den kraft musklen producerer. Refraktærperioden i muskelfibre er minimal, og derfor kan aktionspotentialer fyres meget tæt efter hinanden. Muskelfiberen kan stimuleres med så høj frekvens (maksimal frekvens), at den ikke når relaxtion mellem hvert twitch – her får muskelfiberen en maksimal og vedholdende kontraktion, og man kalder det komplet tetanus. Hvis frekvensen af hver stimuli er mindre end den maksimale vil der være ukomplet tetanus hvor muskelfiberen når at afslappes en lille smule (men ikke fuldstændigt) mellem hver kontraktion. Ukomplet tetanus medfører en rystende bevægelse, og det ses ofte ifm. muskeltræthed.
Kunne redegøre for den enkelte muskelfibers kraftudvikling
Begreber som bruges ifm. musklers kraftudvikling:
- Muskelspænding (”tension”) = kraften som en muskelkontraktion producerer.
- ”Load” = vægt eller kraft som modsvarer en muskelkontraktion.
- En kontraktion producerer spænding og en relaxation frigiver spændingen igen.
I den neuromuskulære junction binder acetylcholin til de nicotinerge receptorer i sarkolemma, uspecifik monovalent kationkanal åbner og membranen depolariseres. Der sendes et aktionspotential ud over membranen og ned i T-tubuli, hvor DHP-receptorer aktiveres og interagerer med ryanodinreceptorer, så calciumkanaler åbnes i det sarkoplasmatiske retikulum. Calcium løber ud i sarkoplasma og binder til troponin som fjerner tropomyosin, så aktin og myosin kan interagere. Det kaldes en excitations-kontraktionskobling (aktionspotentiale calciumsignal frigives).
Calcium initierer en kontraktions-relaxationscyklus. Én kontraktions-relaxationscyklus kaldes et twitch, og det kan forklares med ”sliding filament”-teorien.
”Sliding filament”-teorien:
Når musklen kontraherer, kommer Z-disks tættere på hinanden. A-båndet har samme størrelse men I-båndet og H-zonen forsvinder næsten. Man skal forestille sig at myosin (A-bånd) ”kravler” hen over aktin (I-bånd), så I-båndet er dækket af A-bånd – og derfor er kun A-båndet synligt.
Man kan forestille sig myosin som en række roere – myosin binder til aktin, tager et ”rotag” og hiver aktin ind mod midten af sarkomeren. Myosin slipper aktin og taget et nyt ”rotag” et nyt sted på aktionfilamentet. Et sådant ”rotag” kaldes et power stroke. Under en kontraktion forekommer mange power strokes. OBS: alle myosinhovederne slipper ikke på samme tid, da det hele så bare ville glide tilbage til startpositionen.
De omtalte powerstrokes genereres af myosin ATPase (myosins motordomæne) på følgende måde:
1. ”Rigor state”: Myosin er bundet til aktin. Myosin har hverken bundet ATP eller ADP.
2. ATP binder: ATP binder til myosin, hvilket medfører en konformationsændring så det slipper aktin.
3. ATP-hydrolyse: ATP hydrolyseres til ADP og Pi (som forbliver bundet til myosin), hvilket frigiver energi til konformationsændring; myosinhovedet drejer og griber fast i en aktinmonomer 1-3 pladser væk (OBS: Kan kun ske hvis calcium er frigivet, så tropomyosin er fjernet).
4. Pi frigives: Myosin frigiver Pi, så hovedet svinger tilbage mod M-linjen og trækker aktin med. (=powerstroke).
5. ADP frigives: Myosin er igen bundet til aktin og er tilbage til rigor state, men er rykket et par pladser frem ift. binding af aktin.
Når calcium fjernes fra sarkoplasma og kontraktionen skal stoppe, finder tropomyosin tilbage og blokerer binding sites. Myosinhovederne slipper og titin trækker det hele tilbage til hvilepositionen.
Kunne redegøre for musklens arbejdsformer, isometrisk, koncentrisk og excentrisk
Musklen kan arbejde statisk eller dynamisk.
Statisk arbejde:
- Isometrisk kontraktion: Muskellængden er konstant imens musklen producerer kraft. Det er altså ingen bevægelse af led. Kan fx være når man holder en tung indkøbspose. Det er muligt at kraftudvikle ved konstant muskellængde pga. elastiske elementer i musklen (elastiske fibre i bindevæv, sener, titin i sarcomererne) – sarcomererne kontraherer og de elastiske fibre strækkes, så muskellængden holdes nogenlunde konstant.
Dynamisk arbejde:
- Isotonisk kontraktion: Muskellængden ændrer sig imens musklen producerer kraft. Der er altså en bevægelse af led. Isotoniske kontraktioner inddeles i:
o Koncentrisk kontraktion: Kraftudvikling hvor musklen forkortes.
o Excentrisk kontraktion: Kraftudvikling hvor musklen forlænges. Bruges når man skal decelerere (fx gå ned ad en trappe eller bremse en bevægelse. OBS: Det er typisk ved denne type arbejde, der opstår skader.
Kunne redegøre for sammenhængen mellem musklens forkortningshastighed og kraftudvikling
-Tegn velocity-force-kurve
Høj forkortnings/kontraktionshastighed kan kun udvikle lidt kraft.
Lav forkortnings/kontraktionshastighed kan udvikle større kraft.
Det betyder fx at hvis man skal løfte noget meget tungt tager det lidt tid, men til gengæld kan man løfte lette ting (fx en blyant) meget hurtigt.
Kunne redegøre for musklers passive spænding og forholdet mellem muskellængde og spænding
-Tegn længde-spændingskurven
Musklers passive spænding:
Aktiv spænding er når sarcomererne danner tværbroer. Passiv spænding opstår pga. elastiske elementer (titin) – når musklen strækkes fra dens hvilelængde, vil de elastiske elementer strækkes så der opstår spænding som forhindrer at musklen strækkes yderligere.
Forholdet mellem muskellængde og spænding:
Mængden af spænding en muskel kan generere pr. muskeltwitch, afhænger af sarcomerernes længde før kontraktionen starter.
Hvis sarcomererne er strukket dannes der kun få tværbroer mellem aktinfilamenterne og myosinfilamenterne. Der kan derfor kun genereres en lille kraft.
Hvis sarcomerene er forkortede dannes der mange tværbroer, men myosin kan ikke ”kravle” langt, før de når en Z-disk. Der kan derfor kun genereres en lille kraft.
Når sarcomererne har den rette længde kan der genereres maksimal kraft– der kan dannes tværbroer samtidig med at der er et frit stykke til kontraktion (=god afstand mellem myosin og Z-disks).
Ved musklernes hvilelængde er sarcomererne som regel den optimale længde.
Man taler om længde-spændingskurven, som illustrerer ovenstående sammenhæng.
Kunne redegøre for forskelle i muskelopbygning, udholdenhed og energiomsætning mellem forskellige fibertyper
Der findes overordnet to typer af muskelfibre: langsomme og hurtige. De hurtige muskelfibre inddeles yderligere i to undergrupper: oxidative-glykolytiske og glykolytiske.
De hurtige fibre producerer spænding/kraft 2-3 gange hurtigere end de langsomme, fordi myosinATPasen er hurtigere ved kontraktion og Ca2+ pumpes hurtigt ind i SR ved relaxation. De hurtige fibre twitch’er altså hurtigere end de langsomme fibre.
- Langsomme fibre (”slow-twitch fibers”) aka type I – OBS: er oxidative:
o Får ATP primært fra oxidativ fosforylering
o Udholdende
o Mange mitokondrier
o Mange kapillærer i omkringliggende bindevæv (der bringer O2)
o Lille diameter (ikke så lang vej for at få O2 ind)
o Har meget myoglobin (rødt oxygenbindende pigment – hjælper til hurtig transport af O2 ind i muskelfibrene)
o Mørkerød farve (pga. højt myoglobinindhold)
o Bruges især til kropsholdning - Hurtige oxidative-glykolytiske fibre (”fast-twitch oxidative-glycolytic fibers” aka type IIA):
o En mellemting mellem de to andre fibertyper
Får ATP fra glykolyse og oxidativ fosforylering
Udholdende
Medium diameter, medium antal mitokondrier, medium antal kapillærer, medium mængde myoglobin
Rød farve (pga. ret højt myoglobinindhold)
o Bruges især når man står og går - Hurtige glykolytiske fibre (”fast-twitch glycolytic fibers”) aka type IIB:
o Får ATP primært fra anaerob glykolyse (løber hurtigt tør for O2)
o Udtrættes hurtigt
o Få mitokondrier
o Få kapillærer i det omkringliggende bindevæv
o Stor diameter
o Ikke så meget myoglobin
o Hvid/bleg farve (pga. lavt myoglobinindhold)
o Bruges især til at hoppe og hurtige bevægelser
Muskler består af et mix af disse muskelfibertyper; sammensætningen varierer mellem muskler og mellem individer. Sammensætningen kan ændres ved træning – fx vil en maratonløber ikke have så mange hurtige glykolytiske fibre, fordi der vil være brug for udholdenhed.
