İskelet Kaslarının Yapısı ve Kasılmanın Fiziksel Özellikleri Prof. Dr. Mustafa Emre Ç.Ü. Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı

İSKELET KASININ YAPISI VE İŞLEVLERİ Hayvanların en belirgin karakteristiklerinden biri,bazı bölgelerini aktif bir şekilde kasıp gevşeterek yer değiştirebilmeleri,dışarıya karşı kuvvet uygulayabilmeleri ve iş yapabilmeleridir. Kas dokusu kimyasal enerjiyi elektrik, ısı, ve mekanik enerjiye dönüştürür. Bütün kasılma mekanizmalarındaki enerji gereksinimi ATP nın ADP ye hidrolizinden sağlanır. Kas kasılması; aktin ve miyozin proteinleri arasındaki konformasyonel değişimlerine bağlı etkileşimlerden doğar. İşlevleri: 1– Hareket 2– Postürün Korunması

İSKELET KASININ YAPISI VE İŞLEVLERİ Kas Dokusunun Yüzdesi Ve Kimyasal Bileşenleri Kasılma ve gevşeme yeteneğine sahip olan kaslar, vücudun en büyük dokusu olup yeni doğanlarda vücut ağırlığının % 25’ini, erişkinlerde % 40-45’ini, yaşlı dönemde ise % 30’unu oluştururlar. Kasın % 75 su, % 20 protein, % 3 lipid % 1 glikojen, ve geriye kalan % 1 laktik asit, sodyum, kalsiyum potasyum, klor, magnezyum fosfor gibi iyon ve pigmentlerden oluşur. En önemli kas proteinleri; miyozin, aktin ve tropomiyozindir. Bu proteinler kasın toplam protein içeriğinin sırasıyla % 52, % 23 ve % 15’ini oluşturur.

KAS ÇEŞİTLERİ Organizmada üç tür kas tipi vardır; 1. Çizgili kaslar (iskelet kasları): Birden fazla çekirdekleri vardır. Çekirdekleri hücrenin zarına yakın yerlerde bulunur. İstemli çalışan çizgili kaslar, düz kaslara göre daha hızlı kasılırlar ancak daha çabuk yorulurlar. 2. Kalp kası: Ritmik kasılan kalp kası hücreleri tek çekirdeklidir. İskelet kaslarından daha yavaş kasılırlar ve yorulmazlar. İstemsiz hareket ederler. 3. Düz kaslar:İsteğimiz dışında (istemsiz) çalışırlar. Bu nedenle çalışmaları yavaş, düzenli ve uzun sürelidir. Sindirim, boşaltım, dolaşım, solunum ve üreme organlarının yapısında bulunurlar. Düz kaslar ve kalp kası vücut ağırlığının ancak % 5-10’unu oluşturur ve istemsiz hareket ederler.

Çizgili, düz ve kardiyak kaslar İskelet kasları 10-100 μm kalınlıklı kas liflerinin yan yana gelmesiyle oluşur.

İskelet Kas Lifinin Temel Bileşenleri 1. Sarkolemma - kas hücresi (kas lifi) membranı 2. Sarkolemmanın hemen altında bulunan 100 veya daha fazla çekirdek içerir, 3. Sarkoplazma - sarkolemmanın içini dolduran kas hücresi sitoplazması 4. Sarkotübüler sistem •Transvers tüpler (T-tüpleri) •Sarkoplazmik retikulum , Ca++ alımı, düzenlemesi, salınımı ve depolanması işlevi • Miyoglobinler - oksijeni sarkolemma’dan alıp, mitokonri’ye taşırlar. • Glikojen deposu içerirler. • Kas liflerinin alt birimleri olan Miyofibrilleri içerirler.

HÜCRE MEMBRANI (SARKOLEMMA) Kas hücresi membranına sarkolemma denir. Sarkolemmanın Transvers tüpler (T tüpleri) denilen ve hücre içine uzanan periodik kanalları vardır. Sarkolemma ve T tüplerinin görevi sarkolemmada oluşan aksiyon potansiyelini hücre içine ileterek kasılmanın başlamasını sağlamaktır.

Transvers Tüpler (T-Tüpleri) Kas içine doğru bükülerek giren ve kasın bir tarafından diğer tarafına doğru enine keserek (transvers) ilerleyen tübüler bir sistemdir. Sinirsel uyaranların, glikozun, O2’nin ve iyonların hücre içine daha hızlı girmesini sağlar.

T - Tubul sistemi Transvers Tübüller • Kas hücre zarının hücre içine uzantısıdır. • Transvers tübüller kas hücresine gelen uyarıları (aksiyon potansiyelleri) hücre içindeki bütün myofibrillere hızlı bir şekilde iletilmesini sağlar.

Sarkoplazmik Retikulum (SR) Terminal sisterna – Sarkoplazmik retikulumun Z diskine yakın olan parçasıdır. Triad = T tubule + terminal sisterna

Sarkoplazmik Retikulum (SR) • T tubul sistemi kas hücresi içinde yaygın bir kanal ağı oluşturur. SR da kasılmayı başlatacak olan kalsiyum iyonunun (Ca+2) depoları vardır. •Kas hücresinde oluşan uyaran sarkolemmada her iki yöne doğru yayılır ve T –tüpleri ile hücre içine geçer. Buradan SR ağı boyunca hücre içine yayılarak, SR uçlarından Ca+2’un sarkoplazmaya salınmasına neden olur. Ca+2 kasılmayı başlatır. T-tüplerindeki voltaj sensörleri (DHR) aksiyon potansiyeli sarkolemmada yayılırken oluşan elektriksel akımı algılar.

RYANODİN RESEPTÖRÜ VE KALSİYUM İYON KANALLARI •SR membranında Ryanodin Reseptörleri (RyRs), dihidropyridin reseptörlerinden (DHR) gelen sinyalleri alarak kalsiyum kanallarının açılmasına neden olur. Kalsiyum SR’den sarkoplazmaya salınır ve kasılma başlar. Ryanodin reseptörü (RyRs), kalmodulin molekülü ve intrasellüler bir protein olan dihidropyridin reseptörü ile etkileşim halindedir. İskelet kası (RYR1),kalp kası (RYR2) ve beyinde (RYR3) izoformları vardır. 

KALSİYUM POMPASI SR membranında kasılma sonrasında kalsiyumu sarkoplazmadan tekrar SR’ye konsantrasyon gradyanın tersine doğru geri alan ve bu sebeple ATP tüketen Kalsiyum Pompası yer alır.

KASLARIN ORTAK ÖZELLİKLERİ 1.Uyarılabilme: Kaslar, her canlı doku gibi, kendilerine yapılan bir uyarana cevap verme özelliğine sahiptir.. 2.İletebilme: Sinir yoluyla gelen elektriksel uyarıları sinaps yoluyla iletebilme özelliğine sahiptir. 3.Kasılabilme: Kasın kendisine yapılan her çeşit uyarana karşı yanıtı kasılma şeklindedir. 4.Esnek (elastik) olabilme:Kasılma sonrası gevşeme durumunda olan kas eski formuna dönebilme özelliğine sahiptir. 5.Vizkosite özelliği: Kas kasılırken şeklini değiştirmek isteyen iç ve dış kuvvetlere karşı iç sürtünmeyle direnç gösterir. Kasılma sırasında bir frenleme meydana gelirken, buda kası tehlikelerden (yırtılma, kopma) korur.

Kas lifleri Myofibriller, iskelet kasının kasılma mekanizmasında görev alan fonksiyonel birimlerdir. Bir kas hücresi lifi 1000-2000 dolayında miyofibrilden oluşur. Myofibriller uzunlamasına incelendiklerinde, sarkomer adı verilen çok sayıda bölmelere ayrıldıkları görülür. Sarkolemma adı verilen bir zarla çevrili olan kas lifleri genellikle bir yerinden bir sinir lifi ile bağlantılıdır.

Sarkomer Sarkomer kasılmanın en küçük temel birimidir. Sarkomer, iki Z diski (çizgisi) arasında kalan kısımdır. Her miyofibrilde 10 ile 100,000 uçuca dizilmiş sarkomer bulunur. Sarkomerler Z diskleriyle hem birbirlerine bağlanırlar hem de ayrılırlar. Sarkomer kontraktil proteinlerden oluşur ● Aktin ( İnce filamanlar) ● Miyozin (Kalın filamanlardır) ●Troponin-tropomiyozin bileşiği (Aktin molekülü üzerinde yer alır) Sarkomerin ayırt edici bir görünüme sahip olup iskelet kasına çizgili bir görüntü verir. Sarkomerin boyu istirahat koşullarında 2 μm kadardır.

Kalın Flamentler-Myozin Miyofibriller, miyoflament (miyozin, aktin) adı verilen iki tür elemanların paketi şeklindedir. Kalın görünümlü miyozin flamentler 14 nm çapında ve 1,7 μm uzunluğundadır. Miyozin flamentlerinin sayısı 1500,ince görünümlü aktin flamentlerinin sayısı ise 3000 doyındadır. Miyozin, aktin bağlayan kompleks bir proteindir. Tripsin enzimi etkisinde LMM ve HMM iki parçaya HMM de papain enzimi etkisinde S-1 ve S-2 alt parçalara ayrılır. Miyozin baş ve kuyruk kısımlarından oluşur, kuyruk uzundur ve tektir, baş ise iki tanedir. Baş aktin ile bağlanan kısım ve ATP yi hidrolize eden katalitik kısımdan oluşur. Myozin başı aktin ile çapraz köprücükler kuracak şekilde konumlanmıştır. Miyozin sarkomerin ortasında her iki yöne doğru simetrik bir şekilde dizilirler.

Kalın Flamentler-Myozin

İnce Flamentler- AKTİN Atin flamentlerınin boyu 1,5 μm çapı 5 nm dır. Aktin miyofilamanı Z diskine bağlıdır. Z diskinden diğer sarkomere uzanırlar. Her aktin miyofilamanı→ iki Fibröz-aktin (F-Aktin) proteinin oluşturduğu bir çift sarmaldır. Bu F-Aktin sarmalında globüler aktin (G-Aktin) monomeri denilen yaklaşık 200 küçük birim bulunur. Her G-Aktin monomerinin kasılma sırasında miyozin bağlayan, aktif bir bölgesi vardır. Troponin-Tropomiyozin kompleksi → G-aktinin aktif bölgeleri ile miyozin başı arasındaki etkileşimi düzenler. Her bir aktin flamentı 300-400 tane F-aktin molekülü ile 40-60 tane tropomyozin molekülü içerir.

İnce Flamentın Yapısı İnce flament→Aktin,troponin ve tropomiyozin denilen üç farklı bileşenden oluşur. Troponin protein kompleksi→ Tropomiyozine bağlıdır ve üç alt birimi vardır; Troponin T → troponini tropomyozine bağlar, Troponin I → myozin ile aktinin etkileşimini inhibe eder. İstirahatte Aktin ile miyozin arasında köprü kurulmasını önler. Troponin C → kasılmayı başlatan Ca+2 iyonunu bağlar. İskelet kası ve kalp kasında kasılma-gevşemenin düzenlenmesi→ aktine dayalı dır. Düz kasta kasılma-gevşemenin düzenlenmesi ise →miyozine dayalı olur. Ca2+, tüm sistemlerde kas kasılma-gevşemesinin düzenlenmesinde anahtar rolü oynar.

İnce Flamentler (aktin, tropomyozin,troponin) İnce flament→ uzun ve çift sarmal oluşturan iki globüler aktin zincirinden oluşur. Tropomyozin →molekülleri aktin molekülünün iki zincirinin arasında bulunan uzun flamentlerdir. Troponin molekülleri ise→ tropomyozin molekülleri arasında bulunan ve belli aralıklarla yerleşmiş olan küçük globüler yapılardır.

SARKOMERİN I ,A ve H bantları İki Z çizgisi arasında kalan bölüme sarkomer denir. Sarkomer kastaki en küçük kasılma birimidir. Sarkomerin I bandı: açık renkli olup ince flamentlerden oluşmuştur. I bandı Z diski ile ikiye bölünür. A bandı: daha koyu görünür ve kalın görünümlü myozin flamentlerden oluşmuştur. H bandı: A bandının ortasındadır. Kasılma sırasında I bantları daralır sarkomer boyu kısalır, A bantlarının genişlikleri ise değişmez.

AKTİN MİYOZİN ETKİLEŞİMİ VE KAYAN FİLAMENTLER MODELİ Kasılma, miyozin molekülünün aktin üzerinde kaymasından oluşur. Kalsiyum olmazsa kasılma olmaz.

Kasın kasılma-gevşemesi

Uyarılma - Kasılma Özeti ● Motor nöron uyarılması ● Latent periot ● Kasılma periyodu ● Gevşeme periyodu

İskelet kasının elektriksel özellikleri • İskelet kasının dinlenim membran potansiyeli – 90 mV tur. • Kas aksiyon potansiyeli 2- 4 ms sürer ve kas lifi boyunca 5 m/s hızla yayılır. • İyonların dağılımı sinir hücresindekine benzerdir. • Aksiyon potansiyelinin depolarizasyon evresi hücre içine Na+ girişi, repolarizasyon ise hücre içinden K+ çıkışı ile karakterizedir.

KASILMA EĞRİSİ Kas lifinde sinir uyarısı ile gelişen tek bir aksiyon potansiyeli sonucu belli sürelerle kasılma ve bunu izleyen gevşemenin tümüne kas sarsısı veya kasılma eğrisi olarak adlandırılır.

İskelet kasının elektriksel özellikleri

Kas aksiyon potansiyeli Uyarılan özellikteki kas hücreleri, hücre zar yüzeyleri boyunca aksiyon potansiyeli iletebilme ve bu elektriksel değişikliği takibende mekanik olarak kasılma veya boylarını kısaltma yanıtı oluştururlar.

KAS LİFİNİN BOYCA DEĞİŞİM

İskelet kaslarında izometrik kasılma süreleri

Kasta Tetanizasyon Her bir kas lifinin uyarılma eşiği farklı olduğundan, uyarının frekansı arttıkça uyarıya cevap veren kas lifi sayısı artar ve gittikçe yükselen kasılma eğrileri görülür. Tetanizasyon;frekansın giderek artması sonucu kasta arda arda gelen kasılmaların kaynaşarak ayırt edilememesidir. Tetanizasyona yol açan en düşük frekansa kritik frekans denir. Tam olmayan tetanusda kas gevşemeye fırsat bulamaz ve oluşan gerilim de normal kas gerilimini aşar. Kas uzun bir dinlenim sonrası maksimal şiddette uyaranlarla (5-6 sarsıda) uyarılırsa kasılma gücü artarak sabit bir değere ulaşır. Bu olaya merdiven olayı veya Almanca “Treppe” (treppe: merdiven basamağı) adı verilmektedir.

İskelet Kas lifleri Kırmızı kaslar (TiP I kas lifleri,tonik kaslar ) rengini miyoglobin alır. ATP’yi oksidatif fosforilasyon ile sağlarlar. Uzun dönemde sürekli kasılabilecek yapıdadırlar. Beyaz kaslar (TiP II kas lifleri,fazik kaslar) rengini glikojenden alırlar, Hızlı kasılırlar, Glikojende depolanmış enerjiyi O2’ye gerek olmadan ATP’ye dönüştürürler.Kısa süreli kasılma oluşturur. KIRMIZI-TİP I KAS LİFLERİ • OKSİJENLİ-DAHA YAVAŞ YORULUR • MİTOKONDRİ VE MİYOGLOBİN FAZLA • DURUŞ (POSTÜR) KASLARI BEYAZ-TİP II KAS LİFLERİ • OKSİJENSİZ-ÇABUK YORULUR • 2-3 KAT DAHA HIZLI • GÜÇLÜ KALDIRMA KISA SÜRELİ KOŞU

Beyaz ve Kırmızı Kasların Yapısal ve Fonksiyonel Özellikleri ÖZELİK BEYAZ KASLAR TİP-II (FAZİK) KIRMIZI KASLAR TİP-I (TONİK) Sarsı kasılma süresi ( ms) Hızlı, 50-80 Yavaş, 100-200 Maksimum tetanik frekansı 60/s 16/s Miyoglobin içeriği Düşük Yüksek Primer enerji kaynağı ATP Glikolisis Oksidatif fosforilasyon Glikojen miktarı Miyosin-ATPase aktivitesi Kapiller kan akımı Yorgunluk Kolay ve çabuk Zor ve geç oluşur (dirençlı) Sinir lif büyüklüğü Büyük çaplı Küçük çaplı Sinir lif aktivitesi Yüksek frekanslı Sürekli,düşük frekanslı Kas kuvvetleri Daha büyük Daha küçük SR gelişmişliği büyük küçük Enerji verimi düşük yüksek

Kas yorgunluğu Kas yorgunluğunda ,kasılma kuvveti düşer ve ağrı oluşur. Nedeni: Enerji kaynaklarının tükenmesi ve metabolik ürünlerin birikmesi kas yoruldukça kasılma eğrilerinin genliği düşer ve kasın gevşemesi de uzun sürer. Yorgunluk; kasın enerji ihtiyacıyla, enerji üretme kapasitesi arasındaki geçici dengesizlik olarak tarif edilebilir. Yorgunluk aslında kas liflerinin hasar görmemesi için bir koruma mekanizmasıdır. Kaslarımızda aşırı miktarda birikmiş lâktik asitten dolayı sertleşme ve ağrı meydana geldiğinde, bir müddet sonra bu lâktik asidin tekrar glikojene dönüştürülmesi gibi çok mükemmel bir metabolizma sürecide vücudumuzda bulunmaktadır. Böylece lâktik asit israf edilmeden tekrar enerji için kullanılmış olur.