İskelet (Çizgili) Kası Fizyolojisi

İskelet kası fizyolojisi, kas hücrelerinin uyarılma, kasılma ve gevşeme süreçlerini içeren karmaşık bir mekanizmayı kapsar. Sinir-kas iletimi, aksiyon potansiyelinin motor nöronlardan kas hücrelerine iletilmesini sağlar. Kas hücresi içindeki sarkomer adı verilen yapılar, aktin ve miyozin filamentlerinin etkileşimi sonucu kasılma ve gevşeme sağlar. Kasılma, aktin ve miyozin proteinlerinin kayarak birbirine yaklaşmasıyla gerçekleşirken, gevşeme için kas içindeki kalsiyum seviyesinin düşmesi ve protein etkileşimlerinin normale dönmesi gerekmektedir. Kasılma tipi ve gücü, kas liflerine etki eden sinir uyarılarının frekansı ve yoğunluğuna bağlı olarak farklılık gösterebilir. İskelet kası fizyolojisi, kasın hareket üretme yeteneği, enerji metabolizması ve kasın adaptasyon süreçleri gibi konuları kapsayarak, vücut hareketleri ve fiziksel performansın anlayışını desteklemektedir.

İskelet Kasları

Kas hücrelerinin (kas lifi), fasiküllerin (kas demetleri) ve tüm kasın etrafı bağ dokusu kılıflarıyla sarılmıştır. İçeriden dışarıya;

Endomisyum tek bir kas lifini çevreleyen retikülin liflerinden zengin kılıf,
Perimisyum kas demetlerini çevreler,
Epimisyum ise tüm kası çevreler.

Kas lifleri myofibril adı verilen daha küçük lifler içerir.
Kas hücresi zarına sarkolemma denir.

Sarkolemmanın hücre içine doğru yaptığı transvers şekilli invaginasyonlara transvers tübül (T tübül) denir.
T tübülün görevi, aksiyon potansiyelinin hücrenin derinliklerine kadar yayılmasını kolaylaştırmaktır.
T tübülün her iki yanında; sarkoplazmik retikulumun genişlemiş kısmı olan terminal sisternalar bulunur.
Terminal sisternalar, hücre içinde Ca++ depolar ve T tübülden aktarılan uyarı sonucu kasılma için gerekli bu iyonları stoplazmaya serbestler.
Bir T tübül ve iki terminal sisternadan oluşan üçlü yapıya triad adı verilir.

İskelet kasının işlevsel birimi motor ünite, bir motor nöron ve bu nöronun inerve ettiği kas liflerinden oluşur.
El ve ekstraoküler kaslarda 1 nöron => 5-6 kas lifini, bacak kaslarında 1 nöron => 600-1000 kas lifini inerve eder.
Her bir motor nöron sadece belli bir tip kas lifini uyarır. (yavaş veya hızlı lifler)

Kas hücresinde, iki Z çizgisi arasındaki en küçük kasılabilen fonksiyonel birime sarkomer adı verilir.
Işık mikroskobunda iskelet kasında enine çizgilenmeler gösteren koyu ve açık bantlar izlenir.

1.Koyu bantların yapısında: A bandı (anizotropik), H diski, M çizgisi, aktinler ve miyozinler bulunur.

2.Açık bantların yapısında: I bandı (izotropik), Z çizgisi ve sadece aktinler bulunur.

Her bir I bandı; Z çizgisi adı verilen bir hatla ikiye bölünmüştür.
A bandının ortasında açık boyanan H diski ve H diskinin ortasında M çizgisi bulunur.
H diskinin ortasındaki M çizgisinde kalın filamentler (miyozinler) bağlantı kurar.

Kas Yapısını Oluşturan Proteinler

Kas yapısını oluşturan proteinler kasılmaya katılan miyoflamentler ve yapısal proteinler olmak üzere iki grupta incelenebilir.
Kasılmaya kasılan miyoflamentler; ince filamentler ve miyozinden (kalın filament) meydana gelir.

İnce filamentler

Aktin
Troponin T-C-I ve
Tropomyozinden meydana gelir.

Aktin:

Globüler aktin (G-aktin) monomerlerinden oluşmuştur.
G-aktin monomerleri, nebulin ile birbirlerine bağlanarak F-aktin fibrilini oluşturur.
İki F-aktin fibrili birleşerek aktin filamentinin heliks şeklindeki bir çift sarmal yapısını oluşturur.
F-aktinin üzerinde myozin bağlanma bölgesi bulunur.
F-aktindeki bu bölgeler, miyozin başını fosforiller ve ATP’az aktivitesini arttırır.

Tropomyozin:

Polipeptid zincirinden oluşur.
Tropomyozin, aktin filamenti üzerinde baştan sona uzanarak kas gevşek iken miyozinin bağlanacağı noktaları kapatır.
Böylece miyozin, aktine bağlanamaz ve uyarı olmadığı zamanlarda kas gevşek kalır.

Troponin:

Tropomyozine tutunmuş olarak bulunur.
Troponin üç alt üniteden oluşmuş bir proteindir.

1.Troponin-I: Aktin-myozin etkileşmesini inhibe eder.

2.Troponin-C: Kasılmanın başlangıcında, kalsiyum bağlandığı bölümdür.

3.Troponin-T: Tropomyozine tutunmayı sağlayan bölümdür.

Kalın filament

İskelet kaslarının miyozin filamenti, miyozin ll moleküllerinin bir demet oluşturması ile meydana gelir. Her miyozin filamenti iki zincirin sarmalı şeklindedir.

Miyozin II:

Molekül ağırlığı oldukça fazla olduğu ve ışık mikroskobunda koyu görüldüğü için kalın filament adını alır.
Ağır zincirler; tripsin ile parçalandığında hafif meromiyozin (LMM) ve ağır meromiyozin (HMM) isimli miyozin parçalarına ayrılır.

Hafif zincirler; ağır zincirlerin oluşturduğu baş kısmının üzerine yerleşmiştir.
Bir miyozin molekülü çift başlı golf sopasına benzer.

Her filamentte 200 kadar miyozin molekülü vardır.
Miyozin baş bölgesi F-aktin üzerindeki aktif bölgelere tutunur.
Miyozin başında ATP’nin bağlanacağı yer bulunur.
Ayrıca, miyozin başının bu bağlanan ATP’yi parçalayabilen enzim (miyozin ATP’az) özelliği vardır.

Yapısal Proteinler

Titin: İskelet kasında aktin ve miyozin filamentlerini bir arada tutan esnek bir proteindir. Bu özelliği ile hem Z çizgilerini M çizgilerine bağlar hem de sarkomer için iskelet vazifesi görür. Ayrıca sarkomerin aşırı gerilmesini de önler.
Alfa-aktinin: Aktini, Z çizgisine bağlar.
Nebulin: G-aktin monomerlerini birbirine bağlayarak, F-aktin fibrillerini oluşturur.

Desmin: Z çizgisini iskelet ve kalp kası hücre zarına bağlar.
Plektin: Desminleri birbirine bağlar.
Alfa-beta kristalin: Komşu desmin proteinleri birbirine bağlar.
Miyoglobin: Kasta oksijen depolayan proteindir.
Tropomodulin: Aktinin ucuna bağlanarak boyunu ayarlar.
Distrofin: Aktini kas membranına bağlar ve intraselüler stabiliteyi oluşturur. Duchenne muskuler distrofisinde, distrofin proteini olmadığı için kas membran stabilizasyonu sağlanamaz ve dejenerasyon olur.

Sinir-Kas Kavşağı ile İlgili Hastalıklar

Alfa-motor nörondan çıkan sinyallerin, kasa geçiş yaptığı bölge olan sinir-kas kavşağını etkileyen çeşitli hastalıklar ve kimyasal maddeler bulunmaktadır. Bunlar;

Myasthenia Gravis:

Kasta bulunan nikotinik Ach reseptörüne antikor gelişir. Kasa gelen sinir tekrar-tekrar uyarıldığında, EMG cevabı zayıflar.

Lambert-Eaton Miyastenik Sendrom (LEMS):

Bu sendromda, presinaptik voltaj kapılı kalsiyum kanallarına karşı antikor gelişir.
Asetilkolin ekzositozu önlenir.
Kasa gelen sinir tekrar-tekrar uyarıldığında, EMG cevabı güçlenir.

Aminoglikozit:

Antibiyotikler LEMS’deki gibi kalsiyum kanalını etkileyerek benzer duruma neden olabilirler.

Botilinum Toksini:

Presinaptik terminalden asetilkolin ekzositozunu inhibe eder.

Organik Fosfor Zehirlenmesi:

Asetilkolin esterazı inhibe ederek şiddetli kasılmalara neden olur.

İskelet Kasında Uyarılma-Kasılma Bağıntısı

Motor nöronlardan çıkan uyarılar, akson terminaline geldiğinde burada voltaja bağlı Ca++ kanalları açılır, hücre içine Ca++ iyonlar girer.
Ca++ iyonu, asetilkolin veziküllerinin ekzositozuna neden olur. Asetilkolin sinaptik aralığa boşalınca, kas membranındaki nikotinik Ach reseptörüne tutunur.
Nikotinik Ach reseptörü aynı zamandabir katyon kanalı olup, kanaldan sodyum ve bir miktar kalsiyum içeri alarak motor son plak potansiyelini oluşturur.
Motor son plak potansiyeli, eşik değere ulaşırsa voltaj bağımlı sodyum kanallarını açarak içeri doğru Na+ iyonlarının girişini sağlar. Böylece, hücre membranında depolarizasyon ve aksiyon potansiyeli oluşur.

Oluşan aksiyon potansiyeli, T tübülleri aracılığı ile hücrenin derinlerine kadar yayılır.

T tübüllerine gelen aksiyon potansiyeli burada bulunan dihidropiridin (DHP) reseptörlerini aktifler.
DHP reseptörleri; terminal sisternadaki ryodin kanallarını açarak Ca++ iyonlarının stoplazmaya geçmesini sağlar ve intraselüler Ca++ artmış olur. Terminal sisternada kalsiyum iyonları kalsekestrine bağlanarak depolanir.
Kalsiyum, troponin C’ye bağlanır ve troponin molekülünde dönme hareketi oluşur. Troponin I ve troponin T yerinden kayar.
Böylece, troponin T’ye bağlı olan tropomiyozin de aktin üzerindeki yerinden ayrılır ve miyozin başının bağlanacağı F-aktin bölgeleri açığı çıkmış olur.
Miyozin başı, F-aktin bölgelerine bağlanır. F-aktin bağlanma bölgeleri miyozin başını fosforiller. Böylece miyozin başının ATPaz etkinliği artırılmış olur. Ayrıca, myozin başının ATPaz etkisinin ortaya çıkması için ortamda Mg++ varlığına ihtiyaç vardır.

Kayan Filamentler Teorisi

Aktine bağlanmadan önce Myozin başı, ATP’yi, ADP ve inorganik fosfata (Pi) ayırır. Miyozin bağlanınca, aktin-miyozin-ADP-Pi kompleksi oluşur.
Miyozin başları ilk bağlanmada 90 derecelik açı yapmaktadır.
İnorganik fosfat miyozin başından ayrıldığında miyozin başının boyunla yaptığı açı 90 dereceden 50 dereceye düşer. Böylece, aktin ve miyozin filamentleri birbirleri üzerinden kayar (power stroke veya güç vurumu)
Daha sonra miyozin başından ADP ayrılınca da açı 45 dereceye düşer ve kayma işlemi sonlanır.

Filamentlerin birbiri üzerinde kayması sonucu;

İki Z çizgisi birbirine yaklaşır ve sarkomerin boyu kısalır.
H ve I bandlarının boyu kısalırken, A bandının boyu değişmez.
Aktin-miyozin kompleksi yeni bir ATP molekülü miyozin başına bağlanıncaya kadar 45 derecelik açı ile değişmeden kalır. ATP bağlanması ile miyozin başı, aktinden yavaşça ayrılır. Buna ATP’nin yumuşatıcı yada gevşetici etkisi denir.

Kasın gevşeyebilmesi için Ca++ iyonlarının sarkoplazmik retikuluma geri alınması gerekir. Bu geri alımı sağlayan primer aktif pompa sarkoplazmik retikulum Ca-ATPaz (SERCA)’dır.
Ca++ iyonlarının geri alınması için 1 ATP gereklidir. Eğer gevşeme için gereken ATP olmazsa rigor mortis (ölüm katılığı) oluşur.
Aynı zamanda çok ani ve hızlı aktiviteden dolayı kasın gevşeyememesi de (kramp) ATP eksikliğinden dolayı olur.

İskelet Kasının Mekanik Özellikleri

Denervasyon hipersensivitesi:

Alt motor nöron hasarında kasa giden uyarı azalacağından dolayı salınan asetilkolin miktarı da azalır.
Ancak, bu durumda iskelet kasında bulunan nikotinik reseptör sayısı up-regüle olur yani artar.
Kas hücresi, Ach’e karşı hassaslaşır.
Artan reseptörler ortamdaki küçük miktarda bulunan asetilkolinleri bile bağlayabilir.
Buna denervasyon hipersensivitesi denir.
Bu durumdaki kasta fibrilasyon denen ve gözle fark edilemeyen titremeler olur.

Kas Sarsısı

İskelet kasına tek bir uyarı verildiğinde, iskelet kası, kasılıp gevşer.
Bu kasılıp gevşemeye sarsı adı verilir.
Kasılıp gevşeme için gereken süreye sarsı süresi denir.
Sarsı süresi kastan kasa değişmekle birlikte 30-50 ms kadardır.

Spasyal Sumasyon (Uzaysal Sumasyon)

İskelet kasına verilen uyarının frekansı değişmeden uyaran şiddeti artırılırsa kasılmaya katılan motor ünite sayısı artar.
Bu olaya spasyal sumasyon denir.

Temporal Sumasyon (frekans sumasyonu)

İskelet kasında aksiyon potansiyeli 2-5 msn’dir.
İskelet kasında aksiyon potansiyeli sonlanınca tekrar uyarılabilir.
Sık tekrar eden uyarıyla kasılmalar üst üste biner ve zaman içinde birikirler.
Bu olaya temporal sumasyon adı verilir.

Tetanus

Eğer iskelet kasına verilen uyaran frekans artırılır ve iki uyarı arasındaki süre, sarsı süresinin 1/3’ünden daha kısa veya buna eşit olursa kasılmalar birleşir ve kasın maksimum kasılması sağlanmış olur.
Hiç gevşemenin olmadığı bu duruma tam tetanus denir.

Merdiven Olayı

İki uyarı arasındaki süre, sarsı süresinin 1/3’ünden daha uzun olursa, yani kası tam tetanize etmeyecek frekansta uyarı verilirse, her bir kas sarsısında oluşturulan gerim giderek artar.
Bir çok kasılmadan sonra uyarılar tek düze bir gerim oluşturur.
Buna merdiven (treppe) olayı denir.

Merdiven olayından sorumlu mekanizma, her gevşeme sırasında kalsiyum iyonlarının tamamının sarkoplazmik retikuluma geri döndürülememesidir.
Bir miktar kalsiyum sitoplazmada kalır.
Sonuç olarak troponin C’ye bağlı kalsiyum artar.
Bu durum, kasılmaya katılan aktin miyozin sayısını artırır ve kasın gerimi de artar.

Kasın Kasılması İçin Üç Enerji Kaynağı

Kas lifinde mevcut olan yaklaşık 4 milimolarlık ATP konsantrasyonu, tam kasılmayı anca 1-2 saniye sürdürebilir.

ATP, ADP’ye ayrılarak kas lifinin kasılmasıyla ilgili birimlerine enerjiyi aktarır. Daha sonra kasın kasılması sürdürülmesi için, ADP saniyeden kısa bir sürede yeni ATP oluışturmak üzere yeniden fosforile edilir. Bu yeniden fosforilasyon için 3 enerji kaynağı vardır:

1.Fosfokreatin:

ATP’dekine benzer bir yüksek enerjili fosfat bağı taşır.
ATP’ninkinden biraz daha fazla miktarda serbest enerjiye sahiptir.
Fosfokreatinin yıkılması ile aşığa çıkan enerji, yeni ATP oluşturmak üzere bir fosfat iyonunun ADP’ye bağlanmasını sağlar.
Bununla birlikte, kas lifinde toplam fosfokreatin miktarı da az olup ATP’nin ancak beş katı kadardır.
Dolayısıyla, kasta depolanmış ATP ve fosfokreatinin toplam enerjisi, maksimum derecede kas kasılmasını 10 saniyeden az sürdürebilir.

2.Glikojen:

Glikolitik reaksiyonlar oksijen olmasa da meydana gelir, dolayısıyla oksijen sağlanamadığı zaman da kas kasılması birçok saniyeler ve bazen bir dakikadan daha uzun süre boyunca devam edebilir.
Glikolitik işlemle ATP oluşma hızı, hücresel besinlerin oksijenle reaksiyona girmesi sonucu oluşan ATP’nin yapım hızından yaklaşık 2,5 kat daha fazladır. Ancak, kas hücresinde çok fazla glikoliz ürünü birikmesi nedeniyle, glikoliz tek başına maksimum kas kasılmasını yaklaşık 1 dakika kadar sürdürebilir.

3.Oksidatif metabolizma:

Bu, oksijenin glikoliz son ürünleri ve çeşitli hücresel besin maddeleri ile reaksiyona girerrek ATP oluşturması demektir.
Kas tarafından uzun süreli kasılmada kullanılan enerjinin %95’inden fazlası bu kaynaktan elde edilir.
Kullanılan besin maddeleri karbonhidratlar, yağlar ve proteindir.
Çok uzun süreli maksimum derecede kas aktivitesinde enerjinin büyük kısmı yağlardan elde edilir. Ancak, 2-4 saat süren kas aktivitesi için enerjinin en az yarısı depolanmış karbonhidratlardan gelir.

Kasılma Tipleri

İzotonik kasılma:

Kas kasılınca, boyu kısalıp, tonus sabit kalıyorsa, bu izotonik bir kontraksiyondur.
Yerdeki hafif bir yükün kaldırılması bu tip kasılmayla gerçekleşir.

İzometrik kasılma:

Kas kasılınca boyu değişmiyor ancak tonusu artıyorsa bu izometrik kontraksiyondur.
Duvarın itilmesi bu tip kasılmayla oluşur.

Kaynaklar:

Fizyoloji – TusTime
John E. Hall – Guyton Tıbbi Fizyoloji
Kas Fizyolojisi – web.itu.edu.tr/gulmezt /BIO102/bio102chapt09-TR.pdf
Skeletal Muscle Physiology – http ://droualb.faculty.mjc.edu/Course%20Materials/Elementary%20Anatomy%20and%20Physiology%2050/Lecture%20outlines/skeletal_muscle_physiology.htm
Skeletal muscle structure and function – https://blogs.ncl.ac.uk/katarzynapirog/skeletal-muscle-structure-and-function /

İskelet (Çizgili) Kası Fizyolojisi

İçindekiler

İskelet Kasları