Kas Liflerinin Kasılması ve Gevşemesi
Tek bir kas lifinin kasılmasıyla sonuçlanan olaylar dizisi, o lifi innerve eden motor sinir hücresinden gelen bir sinyal (nörotransmitter, ACh) ile başlar. Lifin yerel zarı, pozitif yüklü sodyum iyonları (Na+) girdikçe depolarize olur ve T-tübülleri de dahil olmak üzere depolarize olacak olan zarın geri kalanına yayılan bir aksiyon potansiyelini tetikler. Bu, sarkoplazmik retikulumdaki (SR) depodan kalsiyum iyonlarının (Ca++) salınmasını tetikler. Ca++ daha sonra ATP tarafından sürdürülen kasılmayı başlatır (aşağıdaki şekil). Ca++ iyonları troponine bağlanmak üzere sarkoplazmada kaldığı sürece, bu da aktin bağlanma bölgelerini "korumasız" tutar ve çapraz köprü döngüsünü ve aktin ipliklerinin miyozin tarafından çekilmesini sağlamak için ATP mevcut olduğu sürece, kas lifi anatomik bir sınıra kadar kısalmaya devam edecektir.
| İNTERAKTİF BAĞLANTI Kalsiyum iyonlarının salınımı kas kasılmalarını başlatır. Kalsiyumun rolü hakkında daha fazla bilgi edinmek için bu videoyu izleyin. (a) "T-tübülleri" nedir ve rolleri nedir? (b) Lütfen kasılma sırasında miyozin başları ile çapraz köprüleme için aktin bağlama bölgelerinin nasıl hazır hale getirildiğini açıklayın. |
Kas lifi kısalmasının moleküler olayları lifin sarkomerlerinde meydana gelir (aşağıdaki şekil). Çizgili bir kas lifinin kasılması, miyofibriller içinde doğrusal olarak düzenlenmiş sarkomerlerin miyozin başlarının aktin filamentlerini çekmesiyle kısalmasıyla gerçekleşir.
Kalın ve ince filamentlerin üst üste geldiği bölge, filamentler arasında çok az boşluk olduğu için yoğun bir görünüme sahiptir. İnce ve kalın filamentlerin üst üste geldiği bu bölge, filament hareketinin başladığı yer olduğu için kas kasılması için çok önemlidir. Z-diskleri tarafından uçlarından sabitlenen ince filamentler, sadece kalın filamentlerin bulunduğu merkezi bölgeye tamamen uzanmazlar. Kalın filamentler ise, tabanlarından M-çizgisi adı verilen bir noktada sabitlenirler. Bir miyofibril, uzunluğu boyunca uzanan birçok sarkomerden oluşur; bu nedenle, sarkomerler kasıldıkça miyofibriller ve kas hücreleri de kasılır.
Kayan Filament Kasılma Modeli
Bir motor sinir tarafından sinyal verildiğinde, bir iskelet kası lifi ince filamentlerin çekilmesi ve ardından lifin sarkomerleri içindeki kalın filamentleri geçmesiyle kasılır. Bu süreç kas kasılmasının kayan filament modeli olarak bilinir (aşağıdaki şekil). Kayma ancak aktin filamentleri üzerindeki miyozin bağlayıcı bölgeler sarkoplazmaya Ca++ girişi ile başlayan bir dizi adımla açığa çıktığında gerçekleşebilir.
Kas kasılmasını başlatmak için tropomiyozinin, aktin ve miyozin mikrofilamentleri arasında çapraz köprü oluşumuna izin vermek için bir aktin filamenti üzerindeki miyozin bağlama bölgesini açığa çıkarması gerekir. Kasılma sürecindeki ilk adım, Ca++ 'ın troponine bağlanması ve böylece tropomiyozinin aktin iplikçiklerindeki bağlanma bölgelerinden uzaklaşabilmesidir. Bu, miyozin başlarının bu açıkta kalan bağlanma bölgelerine bağlanmasını ve çapraz köprüler oluşturmasını sağlar. İnce filamentler daha sonra miyozin başları tarafından çekilerek kalın filamentlerin yanından sarkomerin merkezine doğru kaydırılır. Ancak her bir kafa, sınırına ulaşmadan önce yalnızca çok kısa bir mesafe çekebilir ve tekrar çekebilmesi için ATP gerektiren bir adım olan "yeniden yerleştirilmesi" gerekir.
ATP ve Kas Kasılması
Kas kasılması sırasında ince filamentlerin kalın filamentlerin yanından kaymaya devam etmesi için miyozin başlarının bağlanma bölgelerindeki aktini çekmesi, ayrılması, yeniden kenetlenmesi, daha fazla bağlanma bölgesine bağlanması, çekmesi, ayrılması, yeniden kenetlenmesi vb. gerekir. Bu tekrarlanan hareket çapraz köprü döngüsü olarak bilinir. Miyozin başlarının bu hareketi, bir kişinin kayıkla kürek çekerken kullandığı küreklere benzer: Küreklerin kürekleri (miyozin başları) çekilir, sudan kaldırılır (ayrılır), yeniden konumlandırılır (yeniden takılır) ve sonra çekmek için tekrar daldırılır (aşağıdaki şekil). Her döngü enerji gerektirir ve sarkomerlerdeki miyozin başlarının ince filamentleri tekrar tekrar çekmesi de ATP tarafından sağlanan enerji gerektirir.
Miyozin başının bir kısmı aktin üzerindeki bağlanma bölgesine bağlanır, ancak başın ATP için başka bir bağlanma bölgesi vardır. ATP bağlanması miyozin başının aktinden ayrılmasına neden olur (yukarıdaki şeklin "d" görseli). Bu gerçekleştikten sonra ATP, miyozinin içsel ATPaz aktivitesi tarafından ADP ve Pi'ye dönüştürülür. ATP hidrolizi sırasında açığa çıkan enerji miyozin başının açısını eğik bir konuma getirir (yukarıdaki şeklin "e" görseli). Miyozin başı artık daha fazla hareket için uygun konumdadır.
Miyozin kafası eğildiğinde, miyozin yüksek enerjili bir konfigürasyondadır. Bu enerji, miyozin başı güç darbesi boyunca hareket ettikçe harcanır ve güç darbesinin sonunda miyozin başı düşük enerjili bir konumdadır. Güç darbesinden sonra ADP serbest bırakılır; ancak oluşan çapraz köprü hala yerindedir ve aktin ile miyozin birbirine bağlıdır. ATP mevcut olduğu sürece miyozine kolayca bağlanır, çapraz köprü döngüsü tekrarlanabilir ve kas kasılması devam edebilir.
Kabaca 300 miyozin molekülünden oluşan her bir kalın filamentin birden fazla miyozin kafasına sahip olduğunu ve kas kasılması sırasında birçok çapraz köprünün sürekli olarak oluştuğunu ve kırıldığını unutmayın. Bunu bir miyofibrildeki tüm sarkomerlerle, bir kas lifindeki tüm miyofibrillerle ve bir iskelet kasındaki tüm kas lifleriyle çarptığınızda, iskelet kaslarını çalıştırmak için neden bu kadar çok enerjiye (ATP) ihtiyaç duyulduğunu anlayabilirsiniz. Aslında, biri öldükten kısa bir süre sonra gözlenen ölüm katılığına neden olan şey ATP kaybıdır. Daha fazla ATP üretimi mümkün olmadığından, miyozin başlarının aktin bağlama bölgelerinden ayrılması için ATP mevcut değildir, bu nedenle çapraz köprüler yerinde kalır ve iskelet kaslarında sertliğe neden olur.
ATP Kaynakları
ATP kas kasılmasının gerçekleşmesi için gereken enerjiyi sağlar. ATP, çapraz köprü döngüsündeki doğrudan rolüne ek olarak, SR'deki aktif taşıma Ca++ pompaları için de enerji sağlar. Yeterli miktarda ATP olmadan kas kasılması gerçekleşmez. Kasta depolanan ATP miktarı çok düşüktür, sadece birkaç saniyelik kasılmaya yetecek kadardır. Bu nedenle ATP parçalandıkça yenilenmeli ve sürekli kasılmaya izin vermek için hızla değiştirilmelidir. Kas hücrelerinde ATP'nin yeniden üretilebildiği üç mekanizma vardır: kreatin fosfat metabolizması, anaerobik glikoliz ve aerobik solunum.
Kreatin fosfat, fosfat bağlarında enerji depolayabilen bir moleküldür. Dinlenme halindeki bir kasta, fazla ATP enerjisini kreatine aktararak ADP ve kreatin fosfat üretir. Bu, hızlı bir şekilde daha fazla ATP oluşturmak için kullanılabilecek bir enerji rezervi görevi görür. Kas kasılmaya başladığında ve enerjiye ihtiyaç duyduğunda, kreatin fosfat fosfatını ATP ve kreatin oluşturmak için ADP'ye geri aktarır. Bu reaksiyon kreatin kinaz enzimi tarafından katalize edilir ve çok hızlı bir şekilde gerçekleşir; böylece kreatin fosfat türevi ATP kas kasılmasının ilk birkaç saniyesine güç verir. Ancak kreatin fosfat sadece yaklaşık 15 saniye enerji sağlayabilir ve bu noktada başka bir enerji kaynağının kullanılması gerekir (aşağıdaki şekil).
Oksijen mevcutsa pirüvik asit aerobik solunumda kullanılır. Ancak oksijen mevcut değilse pirüvik asit laktik aside dönüştürülür ve bu da kas yorgunluğuna katkıda bulunabilir. Bu dönüşüm, glikolizin devam etmesi için gerekli olan NADH'den NAD+ enziminin geri dönüşümünü sağlar. Bu, yüksek miktarda enerjiye ihtiyaç duyulduğu ancak oksijenin kaslara yeterince iletilemediği yorucu egzersiz sırasında meydana gelir. Glikoliz kendisi sürdürülebilir değildir (yaklaşık 1 dakikalık kas aktivitesi), ancak yüksek yoğunluklu kısa patlamalı çıkışları kolaylaştırmada faydalıdır. Bunun nedeni, glikolizin glikozu çok verimli bir şekilde kullanmaması, glikoz molekülü başına iki ATP'lik net kazanç ve biriktikçe kas yorgunluğuna katkıda bulunabilecek laktik asit son ürünü üretmesidir.
Aerobik solunum, karbondioksit, su ve ATP üretmek için oksijen (O2) varlığında glikoz veya diğer besin maddelerinin parçalanmasıdır. Dinlenen veya orta derecede aktif kaslar için gerekli olan ATP'nin yaklaşık yüzde 95'i mitokondride gerçekleşen aerobik solunumla sağlanır. Aerobik solunum için girdiler kan dolaşımında dolaşan glikoz, pirüvik asit ve yağ asitlerini içerir. Aerobik solunum anaerobik glikolizden çok daha verimlidir ve glikolizden elde edilen dört ATP'ye karşılık glikoz molekülü başına yaklaşık 36 ATP üretir. Bununla birlikte, aerobik solunum iskelet kasına düzenli bir O2 kaynağı olmadan sürdürülemez ve çok daha yavaştır (yukarıdaki şeklin "c" görseli). Bunu telafi etmek için kaslar miyoglobin adı verilen proteinlerde az miktarda fazla oksijen depolayarak daha verimli kas kasılmaları ve daha az yorgunluk sağlar. Aerobik antrenman aynı zamanda dolaşım sisteminin verimliliğini de artırır, böylece kaslara daha uzun süreler boyunca O2 sağlanabilir.
Kas yorgunluğu, bir kas sinir sisteminden gelen sinyallere yanıt olarak artık kasılamadığında ortaya çıkar. Kas yorgunluğunun kesin nedenleri tam olarak bilinmemekle birlikte, bazı faktörler yorgunluk sırasında meydana gelen kas kasılmasının azalmasıyla ilişkilendirilmiştir. Normal kas kasılması için ATP gereklidir ve ATP rezervleri azaldıkça kas fonksiyonu azalabilir. Bu durum, sürekli, düşük yoğunluklu çabalardan ziyade kısa süreli, yoğun kas çıkışında daha önemli bir faktör olabilir. Laktik asit birikimi hücre içi pH'ı düşürerek enzim ve protein aktivitesini etkileyebilir. Zar depolarizasyonunun bir sonucu olarak Na+ ve K+ seviyelerindeki dengesizlikler SR'den Ca++ akışını bozabilir. Uzun süreli egzersizler SR ve sarkolemmaya zarar vererek Ca++ regülasyonunun bozulmasına yol açabilir.
Yoğun kas aktivitesi, kas kasılması sırasında oksijen olmadan üretilen ATP'yi telafi etmek için gereken oksijen miktarı olan oksijen açığına neden olur. Oksijen, ATP ve kreatin fosfat seviyelerini eski haline getirmek, laktik asidi pirüvik aside dönüştürmek ve karaciğerde laktik asidi glikoz veya glikojene dönüştürmek için gereklidir. Egzersiz sırasında kullanılan diğer sistemler de oksijene ihtiyaç duyar ve tüm bu birleşik süreçler egzersizden sonra ortaya çıkan solunum hızının artmasına neden olur. Oksijen açığı karşılanana kadar, egzersiz durduktan sonra bile oksijen alımı artmaya devam eder.
Bir İskelet Kasının Gevşemesi
İskelet kası liflerinin ve nihayetinde iskelet kasının gevşemesi, kimyasal sinyali olan ACh'yi nöromüsküler bağlantıdaki sinapsa salmayı durduran motor nöron ile başlar. Kas lifi repolarize olur, bu da SR'de Ca++'ın salındığı kapıları kapatır. ATP güdümlü pompalar Ca++ 'ı sarkoplazmadan SR'ye geri taşıyacaktır. Bu, ince filamentler üzerindeki aktin bağlama bölgelerinin "yeniden kalkanlanması" ile sonuçlanır. İnce ve kalın lifler arasında çapraz köprüler oluşturma yeteneği olmadan, kas lifi gerginliğini kaybeder ve gevşer.
Kas Gücü
Belirli bir kastaki iskelet kası liflerinin sayısı genetik olarak belirlenir ve değişmez. Kas gücü, her bir lif içindeki miyofibril ve sarkomer miktarıyla doğrudan ilişkilidir. Kas üzerinde etkili olan hormonlar ve stres (ve yapay anabolik steroidler) gibi faktörler, kas lifleri içindeki sarkomerlerin ve miyofibrillerin üretimini artırabilir, bu da hipertrofi adı verilen ve bir iskelet kasında kütle ve hacim artışına neden olan bir değişikliktir. Benzer şekilde, bir iskelet kasının kullanımının azalması, sarkomerlerin ve miyofibrillerin sayısının kaybolduğu (ancak kas liflerinin sayısının azalmadığı) atrofiyle sonuçlanır. Alçıdaki bir uzvun alçı çıkarıldığında kaslarda körelme görülmesi yaygındır ve çocuk felci gibi bazı hastalıklarda kaslarda körelme görülür.
| …BOZUKLUKLARI Kas Sistemi Duchenne musküler distrofi (DMD) iskelet kaslarının ilerleyici bir şekilde zayıflamasıdır. Topluca “kas distrofisi” olarak adlandırılan çeşitli hastalıklardan biridir. DMD, miyofibrillerin ince filamentlerinin sarkolemmaya bağlanmasına yardımcı olan protein distrofin eksikliğinden kaynaklanır. Yeterli distrofin olmadan, kas kasılmaları sarkolemmanın yırtılmasına neden olarak Ca++ akışına yol açar, bu da hücresel hasara ve kas lifinin bozulmasına neden olur. Zamanla kas hasarı biriktikçe kas kütlesi kaybedilir ve daha büyük fonksiyonel bozukluklar gelişir. DMD, anormal bir X kromozomunun neden olduğu kalıtsal bir hastalıktır. Öncelikle erkekleri etkiler ve genellikle erken çocukluk döneminde teşhis edilir. DMD genellikle ilk olarak denge ve hareket güçlüğü olarak ortaya çıkar ve daha sonra yürüyememeye kadar ilerler. Vücutta alt ekstremitelerden üst gövdeye doğru ilerlemeye devam eder ve burada solunum ve dolaşımdan sorumlu kasları etkiler. Nihayetinde solunum yetmezliği nedeniyle ölüme neden olur ve bu hastalığa yakalanan kişiler genellikle 20’li yaşlardan sonra yaşamazlar. DMD, distrofini kodlayan gendeki bir mutasyondan kaynaklandığı için, hastalara sağlıklı miyoblastların verilmesinin etkili bir tedavi olabileceği düşünülmüştür. Miyoblastlar kas gelişiminden sorumlu embriyonik hücrelerdir ve ideal olarak normal kas kasılması için gereken distrofini üretebilecek sağlıklı genler taşırlar. Bu yaklaşım insanlarda büyük ölçüde başarısız olmuştur. Yeni bir yaklaşım, distrofinin rolünü üstlenebilecek ve hücresel hasarın meydana gelmesini önleyebilecek distrofine benzer bir protein olan utrofinin kas üretimini artırmaya çalışmayı içermektedir. |
Yorumlar
Yorum Gönder