10.3 Samdráttur og slökun vöðvaþráðar

Atburðarásin sem leiðir til samdráttar í einstökum vöðvaþræði hefst með boði frá hreyfitaugafrumunni sem ítaugar þráðinn. Boðið er taugaboðefnið ACh. Staðbundinn hluti himnu vöðvaþráðarins afskautast þegar jákvætt hlaðnar natríumjónir (Na +) streyma inn. Við það myndast boðspenna sem breiðist um himnuna, þar á meðal T-píplurnar, og afskautar hana. Þetta hrindir af stað losun kalsíumjóna (Ca ++) úr birgðum vöðvafrymisnetsins (SR). Ca ++ hrindir síðan samdrættinum af stað og ATP viðheldur honum (mynd 10.8). Vöðvaþráðurinn ^heldur áfram að styttast að líffærafræðilegum mörkum sínum svo lengi sem Ca ++-jónir eru í vöðvafryminu og bindast trópóníni, sem heldur aktínbindisetunum óhuldum, og ATP er tiltækt til að knýja krossbrúarhringrásina og tog mýósíns í aktínþræðina.

Vöðvasamdráttur stöðvast yfirleitt þegar boð frá hreyfitaugafrumunni hætta. Þá endurskautast vöðvafrumuhimnan og T-píplurnar og spennustýrðu kalsíumgöngin í vöðvafrymisnetinu lokast. Ca ++-jónum er síðan ^dælt aftur inn í vöðvafrymisnetið og við það hylur trópómýósín bindisetin á aktínþráðunum á ný. Vöðvi getur einnig hætt að dragast saman þegar ATP þrýtur og hann þreytist (mynd 10.9).

Sameindaatburðirnir sem stytta vöðvaþráð eiga sér stað í vöðvaliðum hans (sjá mynd 10.10). Rákóttur vöðvaþráður dregst saman þegar vöðvaliðirnir, sem liggja í röð innan vöðvaþræðlinganna, styttast við það að mýósínhausar toga í aktínþræðina.

Þegar hreyfitaugafruma sendir boð dregst beinagrindarvöðvaþráður saman við það að grönnu þræðirnir eru togaðir og renna síðan fram hjá sveru þráðunum í vöðvaliðum þráðarins. Þetta ferli nefnist rennikenning vöðvasamdráttar (mynd 10.10). Þræðirnir geta aðeins runnið til þegar mýósínbindisetin á aktínþráðunum hafa verið afhjúpuð í atburðarás sem hefst þegar Ca ++ ^berst inn í vöðvafrymið.

Trópómýósín er prótein sem vefst um keðjur aktínþráðarins og hylur mýósínbindisetin svo aktín bindist ekki mýósíni. Trópómýósín binst trópóníni og myndar trópónín–trópómýósínflóka. Flókinn kemur í veg fyrir að mýósínhausarnir bindist virku setunum á aktínörþráðunum. Trópónín hefur einnig bindiset fyrir Ca ++-jónir.

Til að vöðvasamdráttur hefjist þarf trópómýósín að afhjúpa mýósínbindiset á aktínþræði svo krossbrú geti myndast milli aktín- og mýósínörþráðanna. Fyrsta skref samdráttarferlisins er að Ca ++ bindist trópóníni og geri trópómýósíni kleift að renna frá bindisetunum á aktínþráðunum. Þá geta mýósínhausarnir bundist afhjúpuðu bindisetunum og myndað krossbrýr. Mýósínhausarnir toga síðan grönnu þræðina fram hjá sveru þráðunum og í átt að miðju vöðvaliðsins. Hver haus getur þó aðeins togað örstutta vegalengd áður en hann nær hreyfimörkum sínum og þarf að færast aftur í spennistöðu til að geta togað á ný. Til þess þarf ATP.

Til að grannir þræðir haldi áfram að renna fram hjá sverum þráðum meðan á vöðvasamdrætti stendur þurfa mýósínhausarnir að toga í aktínið við bindisetin, losna, færast aftur í spennistöðu, bindast öðrum bindisetum, toga, losna og færast aftur í spennistöðu. Þessi endurtekna hreyfing nefnist krossbrúarhringrás. Hreyfing mýósínhausanna líkist hreyfingu ára þegar báti er róið: árarblöðin, sem samsvara mýósínhausunum, toga, eru lyft úr vatninu (losna), færð í nýja stöðu og stungið aftur í vatnið til að toga (mynd 10.11). Hver hringrás krefst orku. Endurtekið tog mýósínhausanna í grönnu þræðina í vöðvaliðunum krefst einnig orku sem ATP veitir.

Krossbrú myndast þegar mýósínhausinn binst aktíni á meðan adenósíndífosfat (ADP) og ólífrænt fosfat (P i) eru enn bundin mýósíni (mynd 10.11 a,b). P i losnar _síðan og við það binst mýósín aktíninu sterkar. Því næst hreyfist mýósínhausinn í átt að M-línunni og togar aktínið með sér. Við togið færast þræðirnir um það bil 10 nm í átt að M-línunni. Þessi hreyfing nefnist aflslag, því í þessu skrefi hreyfist granni þráðurinn (mynd 10.11 c). Ef ATP er ekki til staðar losnar mýósínhausinn ekki frá aktíninu.

Einn hluti mýósínhaussins binst bindisetinu á aktíninu en á hausnum er einnig annað bindiset fyrir ATP. Þegar ATP binst losnar mýósínhausinn frá aktíninu (mynd 10.11 d). Síðan breytir innbyggð ATPasavirkni mýósíns ATP í ADP og P i. Orkan sem losnar við vatnsrof ATP breytir horni mýósínhaussins og færir hann í spennistöðu (mynd 10.11 e). Mýósínhausinn er þá í stöðu til frekari hreyfingar.

ATP veitir orkuna sem þarf til vöðvasamdráttar. Auk beins hlutverks síns í krossbrúarhringrásinni veitir ATP einnig orku fyrir Ca ++-dælurnar í vöðvafrymisnetinu sem sinna virkum flutningi. Vöðvasamdráttur verður ekki án nægilegs ATP. Mjög lítið ATP er geymt í vöðva, aðeins nóg til að knýja samdrætti í nokkrar sekúndur. Þegar ATP er brotið niður þarf því að endurmynda það og bæta birgðirnar hratt upp svo samdráttur geti haldið áfram. Þrjú ferli geta endurmyndað ATP í vöðvafrumum: efnaskipti fosfórkreatíns, loftfirrt sykurrof og loftháð öndun.

Fosfórkreatín er sameind sem getur geymt orku í fosfattengjum sínum. Í vöðva í hvíld flytur umfram-ATP orku sína til kreatíns og myndar ADP og fosfórkreatín. Þetta myndar orkuforða sem hægt er að nota til að mynda meira ATP með skjótum hætti. Þegar vöðvinn byrjar að dragast saman og þarf orku flytur fosfórkreatín fosfathóp sinn aftur til ADP og myndar ATP og kreatín. Ensímið kreatínkínasi hvatar þetta mjög hraða efnahvarf. ATP sem myndast úr fosfórkreatíni knýr því fyrstu sekúndur vöðvasamdráttar. Fosfórkreatín getur þó aðeins veitt orku í um það bil 15 sekúndur og eftir það þarf að nota aðra orkugjafa (mynd 10.12).

Þegar ATP-birgðirnar sem fosfórkreatín myndar ganga til þurrðar snúa vöðvar sér að sykurrofi sem ATP-uppsprettu. Sykurrof er loftfirrt ferli, sem er óháð súrefni, og brýtur niður glúkósa (sykur) til að mynda ATP. Sykurrof getur þó ekki myndað ATP jafnhratt og fosfórkreatín. Umskiptin yfir í sykurrof valda því að ATP verður tiltækt vöðvanum á hægari hraða. Sykurinn í sykurrofinu getur komið úr glúkósa í blóði eða við niðurbrot glýkógens sem geymt er í vöðvanum. Niðurbrot einnar glúkósasameindar myndar tvær ATP-sameindir og tvær sameindir pýróþrúgusýru sem hægt er að nota í loftháðri öndun eða umbreyta í mjólkursýru þegar súrefnisstyrkur er lágur (mynd 10.12 b).

Ef súrefni er tiltækt er pýróþrúgusýra notuð í loftháðri öndun. Ef súrefni er hins vegar ekki tiltækt umbreytist pýróþrúgusýra í mjólkursýru, sem getur átt þátt í vöðvaþreytu. Umbreytingin gerir kleift að endurmynda nikótínamíðadeníndínúkleótíð (NAD⁺) úr afoxuðu nikótínamíðadeníndínúkleótíði (NADH), en það þarf til að sykurrof geti haldið áfram. Þetta gerist við erfiða áreynslu þegar mikil orka er nauðsynleg en súrefnisflutningur til vöðva nægir ekki. Sykurrof getur sjálft ekki haldið áfram mjög lengi, eða aðeins í um 1 mínútu af vöðvavirkni, en nýtist vel til stuttra lotna af mikilli ákefð. Ástæðan er sú að sykurrof nýtir glúkósa ekki sérlega vel: hreinn ávinningur er tvær ATP-sameindir á hverja glúkósasameind og lokaafurðin er mjólkursýra sem getur átt þátt í vöðvaþreytu þegar hún safnast upp.

Loftháð öndun er niðurbrot glúkósa eða annarra næringarefna í nærveru súrefnis (O₂) sem myndar koltvíoxíð, vatn og ATP. Um 95 prósent af ATP-þörf vöðva í hvíld eða við miðlungsmikla virkni er mætt með loftháðri öndun sem fer fram í hvatberum. Hráefni loftháðrar öndunar eru meðal annars glúkósi í blóðrásinni, pýróþrúgusýra og fitusýrur. Loftháð öndun er mun skilvirkari en loftfirrt sykurrof og myndar um það bil 36 ATP-sameindir úr hverri glúkósasameind samanborið við fjórar við sykurrof. Loftháðri öndun verður þó ekki viðhaldið án stöðugs flæðis O₂ til beinagrindarvöðvans og hún er mun hægari (mynd 10.12c). Til mótvægis geyma vöðvar lítið umframmagn súrefnis í próteini sem nefnist vöðvarauði. Það stuðlar að skilvirkari vöðvasamdrætti og minni þreytu. Þjálfun á loftháðu þoli eykur einnig skilvirkni blóðrásarkerfisins þannig að hægt er að flytja O₂ til vöðvanna í lengri tíma.

Vöðvaþreyta verður þegar vöðvi getur ekki lengur dregist saman sem svar við boðum frá taugakerfinu. Nákvæmar orsakir vöðvaþreytu eru ekki að fullu þekktar en tilteknir þættir hafa verið tengdir við skertan vöðvasamdrátt sem fylgir þreytu. ATP er nauðsynlegt fyrir eðlilegan vöðvasamdrátt og vöðvastarfsemi getur skerst þegar ATP-birgðir minnka. Þetta kann að skipta meira máli við stutta og ákafa vöðvavinnu en langvarandi álag af minni ákefð. Uppsöfnun mjólkursýru getur lækkað sýrustig innan frumna og haft áhrif á virkni ensíma og próteina. Ójafnvægi í styrk Na + og K + vegna afskautunar himnunnar getur raskað flæði Ca ++ úr vöðvafrymisnetinu. Langvarandi áreynsla getur skemmt vöðvafrymisnetið og vöðvafrumuhimnuna og þannig raskað stjórnun Ca ++.

Slökun beinagrindarvöðvaþráða og að lokum alls beinagrindarvöðvans hefst þegar hreyfitaugafruman hættir að losa efnaboðið ACh í taugamótaglufuna á taugavöðvamótunum. Vöðvaþráðurinn endurskautast og við það lokast göngin í vöðvafrymisnetinu sem Ca ++ ^losnaði um. ATP-knúnar dælur flytja Ca ++ úr vöðvafryminu aftur inn í vöðvafrymisnetið. Við það hyljast aktínbindisetin á grönnu þráðunum á ný. Þar sem krossbrýr geta ekki myndast milli grönnu og sveru þráðanna missir vöðvaþráðurinn spennu og slaknar.