uyarIlabİlİr DOKULAR

İSKELET KASLARINDA KASILMA MEKANİZMASI

Fizyoloji

Öğr. Gör. Seher EROL ÇELİK

İSKELET KASLARI

• İskelet kasları, somatik motor nöronlarınuyarılması ile kasılan farklı kas liflerindenoluşur.

• Her bir nöron dalı, çok sayıda kas lifleriniinnerve eder.

• Farklı sayıda motor nöronun aktivasyonu tümkaslarda farklı derecelerde kasılma kuvveti ilesonuçlanır.

2

• İskelet kasları genellikle sıkı bağ dokusundanoluşan tendonla kemiklerin ucuna tutunurlar.

• Bir kas kasıldığında tendonlarda gerimmeydana gelir.

• Kas gerimi, genellikle eklemi oluşturankemiklerden birinde diğerinden daha fazlaharekete neden olur.

3

• İskelet hareketleri, eklem tipine ve kas bağlantılarına bağlı olarak çeşitli şekillerde olabilir.

• İskelet kas lifleri, vücutta bulunan diğerhücrelerden farklı olarak çok çekirdeklidir.

• Bundan dolayı herbir kas lifi sinsityal yapıoluşturur. Yani, her kas lifi birkaç emriyonikmiyoblast hücresinin bir arayagelmesinden oluşur.

• Bununla birlikte, iskelet kas liflerinin enönemli özelliği mikroskop altında çizgilikarakter göstermesidir.

• Çizgiler, liflerin enine uzanan açık ve koyubantları tarafından oluşturulur.

4

• Koyu bantlar A bantları olarak, açık bantlar iseI bantları olarak adlandırılır.

• Elektron mikroskobunda incelendiğinde, Ibantlarının ortasında ince koyu çizgilergörülür. Bunlara Z çizgileri denir.

5

Motor Üniteler:

• Vücutta herbir kas lifi, somatik motor nöronun tekbir akson ucu tarafından innerve edilir.

• Motor nöron, kasılma oluşturmak için sinir-kaskavşağında asetilkolin serbestlenmesi ile kas lifiniuyarır.

• Sinir-kas kavşağında, kas liflerinin sarkolemmasındaözel bir bölge motor son plak olarak adlandırılır.

6

• Herbir somatik motor nöron ve innerve ettiğitüm kas lifleri bir motor ünite olaraktanımlanır.

• Bir motor nöron aktive olduğunda, innerveettiği tüm kas liflerini kasılma oluşturmak içinuyarır.

• İn vivo ortamda (canlı içinde), tüm kaslarınaktive olan motor ünite sayılarına bağlı olarakaşamalı kontraksiyonları meydana gelir.

• Bu aşamalı kontraksiyonların düzgün vedevamlı olması için, farklı motor ünitelerinhızlı ve eşzamanlı olmayan uyarılmalarıgereklidir.

7

İSKELET KASLARINDA KASILMA MEKANİZMASISinir-kas (Nöromüsküler) Kavşağı:• Her bir iskelet kas lifi fonksiyonel olarak

beyin veya medulla spinalis (MS) ‘ten gelenbir motor nöron aksonu ile bağlantı kurar.Bu fonksiyonel bağlantıya sinaps denir.

8

• Sinaps bilgiyi aktarmaya yarayan bir alandır.

• Nöronların hücrelerle olan iletişimleri sinapslardan serbestlenennörotransmitter denilen kimyasallar tarafından kontrol edilir.

• Normal durumlarda bir iskelet kas lifinin kasılmasıancak bir motor nöron tarafından uyarılmasınabağlıdır. Bir akson ve bir kas lifinin buluştuğu bubölgeye sinir-kas (nöromüsküler) kavşağı denir.

9

• Burada kas lifinin zarı, motor son plak olaraközelleşmeye uğrar; burada çekirdek vemitokondri yoğunluğu ile sarkolemmakatlantıları artar.

10

• Kas lifi zarı ile nöron zarı arasındaki küçükboşluğa sinaptik yarık denir.

• Sinir lifinin distal ucu mitokondri venörotransmitterleri depolayan sinaptik veziküldenilen küçük veziküller bakımından zengindir.

• Bir kas lifi daima tek bir motor son plağasahiptir.

• Buna karşın, motor nöron aksonları yoğundallara ayrılır ve bir akson birçok kas lifi ilebağlantı kurabilir.

11

Kasılmanın Kayan Filament TeorisiMiyofilamentler:• Her bir kas lifinde, A bantları kalın

filamentleri ve I bantları ince flamentleriiçerir.

• Çapraz köprüler kalın filamentten inceflamente doğru uzanır, filamentlerinbirbiri üzerinde kayması ile kas kasılır vegerilir.

12

• Her bir miyofibril miyofilamentler denen küçükyapılar içerir.

• Bir miyofibril yüksek büyütme ile uzunlamasınakesitlerle incelenecek olursa, koyu A bantlarınınkalın filamentler içerdiği görülür. Bunlar yaklaşık110 angstrom (Å) kalınlığındadır.

• Açık I bandı, aksine ince filamentler içerir (50-60 Å).

13

• Kalın filamentler, primer olarak miyozinproteininden ve ince filamentler ise aktinproteininden oluşur.

• Açık alanları ifade eden I bantları, kalınfilament kümelerinin bir ucundan diğer kalınfilament ucuna uzanan miyofibrillerinoluşturduğu alandır. Bu alan sadece incefilamentlerden oluştuğundan daha açıkgörünür.

14

• İnce filamentler I bantlarının ucundasonlanmazlar. Bunun yerine, her bir ince filamentA bandının bir bölümüne kadar uzanır. Bu yüzdenkalın ve ince filamentler her bir A bandınınkenarlarında üst üste binerler ve merkezbölgeden daha koyu görünürler.

• A bandının bu açık görünen merkez bölgesi Hbandı (Almanca “Helle”=parlak demek) olarakadlandırılır.

15

• Merkez H bandı bu nedenle sadece kalın filamentleriçerir ve ince filamentlerle üst üste binmez.

• I bandının merkezindeki ince çizgiye Z çizgisi denirve iki Z çizgisi arasındaki ince ve kalın filamentlerdenoluşan düzenleme, sürekli tekrarlayan bir kalıptır veçizgili kas kasılmasının temel alt üniteleri olarak işlevgörür.

• Bir Z çizgisinden diğer Z çizgisine uzanan bu altünitelere “sarkomer” denir.

16

• Sarkomerde, kalın filamentlerin (A bandı) ortasındabulunan M çizgisi bazı protein filamentlerden oluşur.

• Bu proteinler kalın filamentlere tutunur ve bir kasılmasırasında kalın filamentin sabit kalmasını sağlar.

• Aynı zamanda elastik bir protein olan titin filamentikalın filamentlerden M çizgisinden başlayıp Z diskindesonlanır.

17

Kayan FilamentTeorisi:

• Bir kas kasıldığında liflerin kısalmasına bağlı olarakkas boyu azalır.

• Kas liflerinin kısalması; sırasıyla önce iki Z çizgisiarasındaki mesafenin kısalması, sonra miyofibrillerinkısalması sonucunda meydana gelir.

• Bununla birlikte, sarkomer boyunun kısalmasısırasında A bantları kısalmaz, ancak birbirlerinikapatırlar.

18

• Sarkomerin kısalması filamentlerin kısalmasındanziyade ince filamentlerin kalın filament üzerindekaymasından oluşur. Kasılma sürecinde, incefilamentler A bandında gittikçe daha derine kayar vemerkeze doğru yaklaşır.

• I bantları (sadece ince filamentlerden oluşur) ve Hbantları (sadece kalın filament içerir) kasılma sırasındakısalırlar.

19

Çapraz Köprüler:• Filamentlerin kayması, miyozinden aktine

doğru hareket eden çok sayıda çaprazköprünün aktivitesi ile oluşturulur.

• Bu çapraz köprüler, kalın filamentekseninden kaynaklanıp globülerproteinlerden oluşan baş kısmıyla devameder.

• Bir miyozin proteini, çapraz köprüye hizmeteden iki globüler başa sahiptir.

20

21

Kayan Filament Teorisi Mekanizması

KASILMANIN DÜZENLENMESİ:• Çapraz köprüler aktine bağlandığında güç

vurumuna uğrar ve kas kasılması gerçekleşir.

• Kas gevşemesi için bu yüzden, miyozin çaprazköprüsünün aktinden ayrılması gerekir.

• Çapraz köprünün aktine bağlanmasınındüzenlenmesi ince filamentlerden olan veaktinle ilişkili iki proteinin fonksiyonudur.

22

• Tropomiyozinin aktine bağlanması, direktolmaktan ziyade troponin olarak adlandırılanproteinlerin üç tipi ile olur.

• Troponin gerçekte üç protein kompleksindenoluşur.

• Bunlardan biri troponin I (çapraz köprününaktine bağlanmasını önler), diğerleri troponinT (tropomiyozine bağlanır) ve troponin C’dir(Ca⁺ bağlar).

23

• Troponin ve tropomiyozin çapraz köprününaktine bağlanmasını birlikte düzenler ve kaskasılması ile gevşemesine hizmet eder.

• Bir gevşemiş kasta, ince filamentlerdentropomiyozinin esas rolü fiziksel olarak çaprazköprülerin aktinin özgün bölgesine bağlanmasınıbloke etmektir.

• Böylece, miyozin çapraz köprüsünün aktinebağlanması için tropomiyozin hareketli olmalıdır.

• Bunun için, troponin ile Ca²⁺’ un karşılıklı ilişkisinegereksinim duyulur.

24

KAS GEVŞEMESİ:• Aksiyon potansiyelleri devam ettiği sürece -

kasın nöronlarla uyarılmasının sürdürülmesidurumunda- kalsiyumun serbestlenmesi içinsarkoplazmik retikulumdaki kanallar açıkkalmaya devam edecek, Ca²⁺ sarkoplazmikretikulumdan pasif olarak difüze olacak vesarkoplazmik retikulumda Ca²⁺konsantrasyonu yüksek kalacaktır.

25

• Böylece, Ca²⁺ troponine bağlı kalmaya devamedecek ve kasılmayı devam ettirmek içinçapraz köprü oluşumu sürdürülecektir.

• Bu aktiviteyi durdurmak içini aksiyonpotansiyeli oluşumu kesilmeli ve kalsiyumuserbestleyen kanallar kapanmalıdır.

• Bu oluştuğunda, sarkoplazmik retikulumdakitaşıyıcıların etkileri baskın hale gelir.

26

İSKELET KASINDA KASILMA ŞEKİLLERİKas Sarsısı:

• Kas kasılması, kasın kısalmasını sağlar vegerim oluşur; böylece bir işgerçekleştirilebilir.

• İskelet kaslarının kontraksiyon kuvveti,kasın kısaltılabilmesi için kasa yüklenenkuvveti geçebilecek kadar yüksekolmalıdır.

27

• İzole kasların elektriksel uyarılara verdiğiyanıtlar, vücutta oluşturdukları kasılmadavranışlarını taklit ederler.

• Kas lifi, yeterli voltajda tek bir elektrikseluyarı ile stimüle edildiğinde hızlıca kasılır vegevşer.

• Bu elde edilen cevaba bir «kas sarsısı» adıverilir.

28

Sumasyon ve Tetanus:

• Uyarıların voltajının artırılması kas sarsısınınşiddetini artırır ve sonuçta maksimum birdeğere ulaşır.

• Bir kas kontraksiyonunun şiddeti bu nedenledereceli olabilir veya çeşitli olabilir. İskelethareketlerinin kontrolünde bu gereklidir.

29

• Birinciden hemen sonra ikinci bir elektrikuyarısı verilecek olursa, kısmen birincininüstüne binen ikinci bir kas sarsısı oluşacaktır.Bu yanıt sumasyon olarak adlandırılır.

30

• Bir kas lifinin in vitro olarak bir elektirikstimülatörü ile veya in vivo motor akson ucuile uyarılması sıklıkla liflerin tam birkontraksiyonu ile sonuçlanır.

• Daha güçlü kasılmalar, daha büyük sayıdakikas liflerinin uyarılması ile oluşturulur.

• İskelet kasları böylece dereceli kontraksiyonlaroluşturabilirler.

31

• Oluşan kuvvet, tek bir kas lifinin kasılmakuvvetinden ziyade uyarılan kas liflerininsayısına bağlıdır.

• Stimülatörde elektriksel şoklar otomatik olarakartan frekansta ayarlanacak olursa, sarsılarınarasında gevşeme zamanı gittikçe kısalır vekasılma kuvveti amplitidünün sürekli artmasıbaşarılabilir.

• Bu etki tam olmayan tetanus olarak bilinir.

32

• Sonuç olarak, stimülasyonun “kaynaşmafrekansında” sarsılar arasında gevşeme görülemez.

• Kasılma, in vivo olarak normal kasılmalar iken düz vedevamlı karakter kazanır.

• Bu düz ve devamlı kontraksiyon tam tetanus olarakadlandırılır.

33

• Böylece, eğer aksiyon potansiyelleri ardışıkolacak şekilde hızla oluşturulursa, Caᶧ²sitoplazmada artarak troponine bağlanmayave çapraz köprüler oluşmaya devam edecektir.

• Bu durumda, kas lifleri tam tetanustaki gibikasılmayı devam ettirebilecektir.

34

Merdiven Etkisi (Treppe)

• İzole bir kas lifinde, elektriksel uyarıların voltajısıfırdan dereceli olarak artırılırsa, kassarsılarının kuvveti uyumlu olarak artışgösterecektir ve kas liflerinin tümüuyarıldığında maksimal bir değere ulaşacaktır.

• Bu, kas kasılmasının kademeli niteliğinigösterir.

35

• Eğer maksimal voltajda bir seri elektrik şokları,her bir şok ayrı bir sarsı oluşturacak şekilde yenibir kas lifine verilecek olursa, sarsıların her biribirbirine eklenerek ardışık olarak daha dagüçlenecek ve bir maksimum değere ulaşacaktır.

• Buna merdiven etkisi (treppe) adı verilir.

36

İSKELET KASLARINDA ENERJİ İHTİYACI

• İskelet kasları, hücre solunumu yoluyla ATPüretir ve kreatin fosfat oluşturmak için fosfatgruplarını kullanır.

• İskelet kası lifleri, aerobik yeteneği, kasılmahızı, rengi ve temel enerji metabolizması çeşidigibi özelliklerine göre lif tiplerine ayrılır.

37

• Kas lifleri istirahat sırasında, enerjisininbüyük çoğunluğunu yağ asitlerinden aerobiksolunum ile elde eder.

• Egzersiz sırasında, kas glikojeni ve kan glikozuda aynı zamanda enerji kaynağı olarakkullanılır.

38

• Hücre solunumu ile elde edilen enerji ATPyapımında kullanılır.

• ATP ise hızlı enerji kaynağı olarak,

1) Kas kasılması için çapraz köprüoluşumunda,

2) Kasın gevşemesi için Caᶧ² ‘un sarkoplazmikretikuluma pompalanmasında kullanılır.

39

Kas Metabolizması:

• İskelet kasları orta-ağır derecedeki egzersizlerinilk 45 ile 90 saniyesinde enerjisini anaerobikyolla sağlar; çünkü kardiyopulmoner sistemegzersizdeki kaslar için yeterli miktarda oksijenegereksinim duyar.

• Eğer egzersiz orta derecede ise aerobik sistemegzersizin ilk iki dakikasını takiben iskeletkaslarının gereksindiği enerjinin büyük birbölümünü karşılar.

40

Oksijen Borcu:

• Bir kişi egzersizi tamamladığında, vücuttakioksijen oranı egzersiz öncesi düzeylerinehemen dönmez.

• İstirahat düzeylerine dönüş daha yavaş olarakgerçekleşir.

• Kişi bir süre daha hızlı ve derin solumayadevam eder.

41

• Bu ek O₂, egzersiz sırasında harcanan O₂ ’inyerine geri konmasında kullanılır.

• O₂ borcu, depo edilmiş O₂, kastaki miyoglobinve kandaki hemoglobine bağlı O₂ ‘i içerir.

• Ek O₂, egzersiz sırasında ısınan dokularınmetabolizması ve anaerobik metabolizmasırasında üretilen laktik asidin metobolizmasıiçin gereklidir.

42

Fosfokreatin:

• Sürekli kas aktiviteleri sırasında, ATP kullanımıhücrenin aerobik enerji üretiminden dahahızlıdır.

• Bu durumlarda, hızlı bir şekilde ATP ’ninyenilenmesi çok önemlidir.

• Bu, yüksek enerjili fosfat bileşiği içerenfosfokreatindeki fosfatın ADP ’ye aktarılmasıile sağlanır.

43

• Fosfokreatinin konsantrasyonu, kas hücreleriiçinde ATP konsantrasyonundan üç kez dahafazladır ve direkt olarak ADP ’ye aktarılabilenyüksek enerjili fosfat bağlarını hazırbulundurur.

• ADP ’den ve fosfokreatinden ATP üretimi,egzersizde ATP yıkım oranı istirahattakidüzeyine oranla daha fazla olmasına rağmenoldukça etkilidir.

44

Yavaş ve Hızlı Kasılan Kas Lifleri

• iskelet kas lifleri, kasılma hızlarına (maksimumgerime ulaşılması için gerekli zaman) göreyavaş-kasılan (Tip I lifleri) ve hızlı-kasılan (Tip IIlifleri) olmak üzere iki alt gruba ayrılabilir.

• Bu farklılıklar farklı miyozin ATPaz izoenzimleriile ilişkilidir.

45

• Böylece, Tip I (yavaş-kasılan) lifleri sıklıkla yavaşoksidatif kaslar olarak ifade edilirler.

• Bu lifler, zengin kapillerler, çok sayıda mitokondrive aerobik solunum enzimleri ile yüksekkonsantrasyonda miyoglobulin içerir.

• Miyoglobulin kırmızı kan hücrelerindekihemoglobine benzer şekilde kırmızı pigment içerirve yavaş kas liflerine O₂ taşınmasında aracı olur.

• Yüksek miyoglobin içeriği nedeniyle yavaş kasliflerine aynı zamanda kırmızı lifler de denir.

• Kalın ve hızlı-kasılan (Tip II) lifler, yavaş liflereoranla daha az mitokondri, daha az kapillerdamar içerirler ve miyoglobin seviyeleri fazladeğildir.

46

• Bundan dolayı bu liflere beyaz lifler adı verilir.

• Hızlı kasılan lifler, anaerobik metabolizmayaadapte olmuşlardır ve büyük ölçüde glikojendepolarlar ve yüksek konsantrasyondaglikolitik enzimler içerirler.

47

KAS YORGUNLUĞU

• Kas yorgunluğu, geri dönüştürülebilir bir olayolarak tanımlanır ve egzersizle kasın kuvvetoluşturma yeteneğinde azalma önlenebilir.

• Yorgunluk, devamlı bir maksimal kasılmasırasında, tüm motor üniteler kullanıldığındave nöral deşarjlar maksimal hıza ulaştığında(örneğin oldukça ağır bir yükün kaldırılmasıdurumunda) hücre dışı Kᶧ birikimi nedeniyleortaya çıkan bir durumdur.

48

KAS HASARI VE ONARILMASI

• Çizgili kas liflerinin yıkılması önemli hasarlarbırakır; çünkü sağlıklı kas liflerinin bölünerekyeni lifleri oluşturması mümkün değildir.

• Aynı zamanda, iskelet kasları satellit hücreleradı verilen kök hücreler içerirler.

49

• Bunlar sarkolemma ve bazal lamina (bazallamina sarkolemmanın hemen dışındadır)arasında lokalizedir.

• Kas yaralanmaları sırasında, bu satellithücreler miyoblastlara dönüşürler vehasarlanmış kas lifleri ile birleşebilirler.

50

• Eğer yara çok büyükse, çok sayıda satellithücre miyoblastlara farklılaşır ve yeni kaslifleri üretirler.

• Yeni eklenen miyoblastlar nedeniyle yeni kasliflerinin eklenmesi sonucunda kas kalınlaşır.

51

• Kasta hipertrofi olduğunda ve genişlediğinde,sonuç olarak lif kalınlığı artar.

• Büyük hacme bağlı olarak hücreçekirdeklerinin sayısı da artma gösterir.

• Bu yeni çekirdekler satellit hücrelertarafından oluşturulur.

52

İSKELET KASLARININ SİNİRSEL KONTROLÜ

• İskelet kasları, bir kas lifi gerildiği zaman duysalnöronlarda sinyal oluşumuna neden olan kasiğcikleri adı verilen gerim reseptörleri içerirler.

• Bu duysal nöronlar, alfa motor nöronlarla sinaptikbağlantı kurarlar ve kas gerimine yanıt olarakkasılma oluşturmak için kası uyarırlar.

53

• Beyindeki ara nöronlar, inen motor yollarınuyanlarına katkıda bulunurlar.

• Alt motor nöronlar böylece son ortak yol olarakifade edilir ve duysal uyarılar ile üst merkezleriskelet hareketleri üzerinde önemli bir kontrolgerçekleştirirler.

54

• Hücre gövdesinden çıkan aksonlar, spinal sinirlerioluşturmak üzere ventral kökü terk ederler.

• Spinal sinirin dorsal kökü duysal sinirleri içerir vebunların hücre gövdeleri dorsal kökgangliyonlarında lokalize olmuşlardır.

55

• Hem duysal (aferent) hem de motor (eferent)lifler, ortak bir bağ dokusu kılıfı ile her birspinal kord segmentinde spinal sinirebağlanır.

• Lomber bölgede, her bir spinal sinirde yaklaşık12.000 duysal ve 6.000 motor lif vardır.

56

KAS İĞCİĞİ

• Sinir sistemi iskelet hareketlerinin düzgün birşekilde kontrolü için, iskelet aktivitesi ile ilgilidevamlı olarak duysal geribildirim bilgisi almakzorundadır.

57

• Bu duysal bilgi,

1) Kasın tendonlar üzerine gösterdiği gerimle Golgitendon organı tarafından sağlanır.

58

ve

2) Kas uzunluğu kas iğciği aygıtı tarafındanbelirlenir. Kas iğciği aygıtı denmesinin nedeni,geniş bir merkez ve uzun, sivri bir son ucunolmasındandır ve bu aygıt bir uzunluk ölçer gibifonksiyon görür.

59

• Her bir kas iğciği, intrafusal lifler olarakadlandırılan birçok ince kas hücreleri içerir ve birbağ dokusu kılıfı ile kaplanır.

• Daha kuvvetli ve daha fazla sayıda sıradan kaslifleri, iğciğin dışındaki (ekstrafusal lifler) kasliflerinin son ucunda tendonların içine girerler.

60

•Bu nedenle iğciklerin, ekstrafusal liflere paraleloldukları söylenebilir.

• Uzunluğu boyunca miyofibril içerenekstrafusal liflerden farklı olarak, intrafusalliflerin merkezi bölgesinde kasılmaya uygunaygıt bulunmaz.

• Kasılma özelliği olmayan intrafusal liflerin bumerkezi bölgesi çekirdek içerirler.

• İki tip intrafusal lif bulunur;

• Birinci tip, nükleer torba lifler, liflerin merkezibölgesinde gevşek düzenlenmiş çekirdekleresahiptir.

61

• Diğer tip intrafusal lifler, nükleer zincir liflerolarak adlandırılır ve çekirdekleri bir sıra halindedüzenlenmiştir.

• İki tip duysal nöron bu intrafusal liflere hizmeteder.

• Primer veya annulospiral duysal sonlanmalarnükleer torba ve zincir liflerin merkezi bölgesinisarar ve sekonder veya çiçek-püsküllüsonlanmalar ise, nükleer zincir liflerin kasılabilirkutuplarında lokalize olurlar.

62

• Kas iğcikleri ekstrafusal liflere pareleluzandıklarından dolayı, bir kas gerilmesi kasiğciğinin gerilmesine de neden olur.

• Bu uyarı hem primer hem de sekonder duysalsonlanmalarda gerçekleşir.

• Böylece kas iğciği uzunluk ölçer gibi fonksiyongörür; çünkü primer ve sekonder sonlanmalardaüretilen sinyaller kas uzunluğuna orantılıdır.

• Bununla birlikte primer sonlanmalar, gerimbaşlangıcında en fazla uyarılır; buna karşınsekonder sonlanmalar gerim devam ettiği sürecedaha tonik olarak yanıt verir.

63

• Bir kas aktivitesi ile kasın ani ve hızlı olarakgerilmesi her iki tip duysal sonlanmayı aktiveeder ve böylece kas iğciği için daha hızlıuyarılar, primer duysal sonlanmalar üzerindedaha yavaş olan aşamalı gerilmelerden dahaaz etki oluşturur.

• Böylece, refleks kasılmalarda hızlı gerilmelereverilen yanıtların gücü aşamalı gerilmelerdendaha büyüktür.

64