فیزیولوژی انقباض عضله اسکلتی

مکانیسم انقباض عضله اسکلتی: در حالت طبیعی، فیبرهای عضله اسکلتی از طریق فیبرهای عصبی میلین دار قطور (آلفا- موتونورون ها) تحریک می‌شوند. این فیبرهای عصبی در محلی موسوم به صفحه محرکه یا محل تماس عصبی- عضلانی (Neuromuscular Junction) با فیبرهای عضله اسکلتی تماس برقرار می‌کنند (تصویر زیر).

به استثنای دو درصد فیبرهای عضلانی، فقط یک صفحه محرکه برای هر فیبر عضلانی وجود دارد که در نزدیکی مرکز فیبر قرار گرفته است. بنابراین، پتانسیل عمل از وسط فیبر به سوی دو انتهای آن انتشار می‌یابد. این نوع گسترش پتانسیل عمل از این نظر اهمیت دارد که موجب انقباض تقریبا همزمان تمام سارکومرهای عضله می‌شود به طوری که این سارکومرها می‌توانند به جای انقباض انفرادی، به طور دسته جمعی و با هم منقبض شوند.

فیزیولوژی ناحیه تماس عصبی-عضلانی (Neuromuscular Junction)

فیبر عصبی در انتهای خود منشعب شده و مجموعه‌ای از ترمینال‌های عصبی موسوم به صفحه انتهایی (end plate) تشکیل می‌دهد، که در یک فرورفتگی از سطح فیبر عضلانی قرار می‌گیرد اما به طور کامل در خارج غشاء پلاسمایی فیبر عضلانی قرار دارد (تصویر فوق)

فرورفتگی غشاء فیبر عضلانی موسوم به ناودان سیناپسی (synaptic gutter) و فضای بین ترمینال عصبی و غشاء فیبر عضلانی موسوم به شکاف سیناپسی (synaptic cleft) است. در عمق ناودان سیناپسی، چین خوردگی‌های متعددی در فیبر عضلانی موسوم به شکاف‌های زیرعصبی (subneural clefts) وجود دارد. در ترمینال آکسون تعداد زیادی میتوکندری وجود دارد که انرژی لازم برای سنتز میانجی تحریکی استیل کولین را تأمین می‌کنند.

استیل کولین در سیتوپلاسم ترمینال آکسونی ساخته می‌شود اما به سرعت جذب تعداد زیادی وزیکول‌های سیناپسی کوچک می‌گردد. تقریبا ۳۰۰۰۰۰ وزیکول سیناپسی به طور طبیعی در تمام ترمینال‌های یک صفحه انتهایی وجود دارند. بر روی سطح چین خوردگی‌های ناودان سیناپسی دستجاتی از آنزیم کولین استراز قرار دارد که قادر به تجزیه استیل کولین است.

در تصویر ذیل نماهای متفاوت صفحه حرکتی انتهایی را می‌بینید:

هنگامی که یک ایمپالس عصبی به محل تماس عصبی- عضلانی می‌رسد حدود ۳۰۰ وزیکول استیل کولین به وسیله ترمینال‌ها به داخل شکاف‌های سیناپسی بین ترمینال‌ها و غشاء فیبر عضلانی آزاد می‌شوند.

این امر ناشی از حرکت یون‌های کلسیم از مایع خارج سلولی به داخل غشاء ترمینال‌ها در هنگامی است که پتانسیل عمل غشاء ترمینال‌ها را دپولاریزه می‌کند. یون‌های کلسیم موجب پاره شدن وزیکول‌های استیل کولین به داخل شکاف سیناپسی می‌شوند (شکل زیر). در غیاب یون کلسیم یا در حضور مازاد منیزیوم، آزاد شدن استیل کولین شدیدا تضعیف می‌شود.

با وجود اینکه استیل کولین آزاد شده به داخل شکاف بین صفحه انتهایی و غشاء عضلانی فقط برای جزء بسیار کوچکی از یک ثانیه در آنجا باقی می‌ماند، در همین زمان کوتاه نفوذپذیری غشاء عضله به یون‌های مثبت چندین هزار برابر افزایش می‌یابد که علت این امر باز شدن کانالهای یونی دریچه دار وابسته به استیل کولین است چون استیل کولین به نوبه خود موجب یک تغییر شکل فضایی در مولکول کانال دار می‌شود که دریچه آن را برای حدود یک میلی سکند باز می‌کند.

کانال استیل کولین قطری حدود شصت و پنج صدم نانومتر دارد یعنی آنقدر بزرگ است که به تمام یون‌های مثبت مهم نظیر سدیم، پتاسیم و کلسیم اجازه می‌دهد تا به آسانی از کانال عبور کنند. یون‌های منفی از قبیل یون‌های کلر از این کانال عبور نمی‌کنند و علت این امر وجود بارهای منفی قوی در جدار کانال است.

ریختن ناگهانی یون‌های سدیم به داخل فیبر عضلانی در هنگام باز بودن کانال‌های استیل کولینی موجب می‌شود که پتانسیل غشاء در ناحیه صفحه انتهایی در جهت مثبت به میزان ۵۰ تا ۷۰ میلی ولت افزایش یابد و یک پتانسیل موضعی موسوم به پتانسیل صفحه انتهایی تولید کند.

با توجه به این مسأله که یک افزایش ناگهانی در پتانسیل غشاء به میزانی بیش از ۱۵ تا ۳۰ میلی ولت برای شروع مکانیسم فیدبکی مثبت فعال شدن کانالهای سدیمی کافی است می‌توانیم درک کنیم که پتانسیل صفحه انتهایی ایجاد شده توسط تحریک استیل کولین بسیار بیشتر از حد کافی برای تولید پتانسیل عمل در فیبر عضلانی است.

در حالت استراحت، نیروهای جاذبه‌ای بین فیلامان‌های اکتین و میوزین مهار می‌شوند اما هنگامی که یک پتانسیل عمل در غشاء فیبر عضلانی سیر می‌کند موجب آزاد شدن مقدار زیادی یون کلسیم توسط رتیکولوم سارکوپلاسمیک به داخل سارکوپلاسم (سیتوپلاسم فیبر عضلانی) اطراف میوفیبریل‌ها می‌گردد. این یون‌های کلسیم، نیروهای جاذبه‌ای بین فیلامان‌های اکتین و میوزین را فعال می‌کنند و انقباض فیبر عضلانی شروع می‌شود  (تصویر زیر).

همانطور كه مى‌دانيم هر عضله اسکلتی از تعداد زیادی فيبر عضلانى که هریک از این فیبرها خود محتوى صدها تا هزارها ميوفيبريل است تشکیل می‌گردد و هر ميوفيبريل نيز به نوبه خود داراى حدود 1500 فيلامان ميوزين و دو برابر آن فيلامان هاى اكتين است كه در كنار يكديگر قرار گرفته اند(تصاویر ذیل و فوق).

درحقیقت هر میوفیبریل از یک سری واحدهای تکراری بنام سارکومر تشکیل یافته است که واحد عملکردی انقباض عضله می‌باشد که خود هر سارکومر دارای فیلامان‌های میوزین و اکتین می‌باشد که کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند به طوریکه اکتین در طرفین و میوزین در وسط واقع می‌شود. هرسارکومر بین دونوار Z واقع می‌شود که خط Z یک شبکه پروتئینی اتصالی است.

مولکول‌های میوزین از انت‌ها به هم متصل بوده و باند تیره وسیع A را ایجاد می‌کنند. باند I و زون H قسمت‌هایی هستند که در آن نواحی بین میوفیلامان‌های اکتین و میوزین هم پوشانی وجود ندارد. باند I فقط دارای مولکول‌های ظریف اکتین و زون H فقط دارای میوفیلامان‌های میوزین می‌باشد. در وسط زون H هم خط M قرار گرفته است که این خط توسط پروتئین‌هایی به وجود می‌آید که تمام فیلامان‌های ضخیم میوزین را به یکدیگر متصل می‌سازد.

اینها مولکول‌های پروتئینی پلیمریزه بزرگی هستند که مسئول انقباض عضله می‌باشند. فیلامانهای ضخیم از جنس میوزین و فیلامانهای نازک از جنس اکتین هستند. در ظرف تقریبا یک میلی سکند بعد از آنکه استیل کولین توسط ترمینال آکسونی آزاد شد قسمت زیادی از آن به خارج از شکاف سیناپسی انتشار یافته و دیگر بر روی غشاء فیبر عضلانی عمل نمی‌کند و قسمت باقیمانده توسط کولین استراز موجود در تیغه‌های پایه بین ترمینال عصبی و شکاف‌های زیرعصبی منهدم می‌شود.

پس از هیدرولیز، کولین با انتقال فعال به آکسوپلاسم باز می‌گردد. دوره زمانی بسیار کوتاهی که استیل کولین در تماس با غشاء فیبر عضلانی باقی می‌ماند – حدود یک میلی سکند – تقریبا همیشه برای تحریک فیبر عضلانی کافی است و به علاوه، حذف سریع استیل کولین، بعد از آنکه اثر پتانسیل عمل اول بر روی فیبر عضلانی از بین رفت، از تحریک مجدد فیبر عضلانی جلوگیری می‌کند.