تحریک عضله اسکلتی

5 مفهوم در این درس

آزمونک سریع

با چند پرسش تصادفی، آمادگی‌ات را بسنج

در حال آماده‌سازی آزمونک…

انتقال پیام در پیوستگاه عصب-عضله

مقدمه و وقایع پیش‌سیناپسی

پیوستگاه عصب-عضله (neuromuscular junction) محل ارتباط و انتقال پیام‌های عصبی از پایانه آکسون نورون حرکتی به فیبر یا تار عضله اسکلتی است. فرآیند انتقال پیام با رسیدن یک پتانسیل عمل یا ایمپالس عصبی به پایانه آکسون پیش‌سیناپسی کلید می‌خورد. دپلاریزاسیون این پایانه منجر به باز شدن سریع کانال‌های کلسیمی وابسته به ولتاژ در غشای پایانه می‌شود. متعاقب این رویداد، یون‌های کلسیم (Ca۲+) از شکاف سیناپسی به درون پایانه عصبی سرازیر می‌شوند. باید توجه داشت که کلسیم به داخل پایانه پمپ نمی‌شود، بلکه ورود آن کاملاً غیرفعال و در جهت شیب الکتروشیمیایی است. ورود یون‌های کلسیم به درون پایانه عصبی به عنوان یک محرک اصلی عمل کرده و باعث پیوستن وزیکول‌های حاوی ناقل عصبی استیل‌کولین (Ach) به غشای پیش‌سیناپسی و رهاسازی آن‌ها به فضای سیناپسی می‌گردد.

وقایع پس‌سیناپسی و ایجاد پتانسیل صفحه انتهایی

پس از آزاد شدن استیل‌کولین به فضای سیناپسی، این انتقال‌دهنده عصبی در شکاف سیناپسی منتشر شده و به گیرنده‌های اختصاصی خود در غشای سلول عضلانی متصل می‌شود. نکته بسیار مهم این است که استیل‌کولین خود هرگز وارد سارکوپلاسم تار عضلانی نمی‌شود، بلکه صرفاً با اتصال به گیرنده‌های غشایی، کانال‌های یونی غشا را باز می‌کند. این کانال‌های دریچه‌دار وابسته به استیل‌کولین (وابسته به لیگاند) بیشترین نفوذپذیری و اثر را در ورود یون سدیم (Na+) نسبت به سایر کاتیون‌ها دارند، هرچند که یون‌های پتاسیم (K+) و کلسیم (Ca۲+) نیز می‌توانند از آن عبور کنند. در مقابل، یون‌های منفی نظیر کلر (Cl-) به هیچ وجه از این کانال‌ها عبور نمی‌کنند.

پتانسیل صفحه انتهایی (EPP) یک پتانسیل مثبت موضعی است که مستقیماً در اثر باز شدن کانال‌های سدیمی وابسته به لیگاند (استیل‌کولین) ایجاد می‌شود و نباید آن را با پتانسیل عمل ناشی از کانال‌های وابسته به ولتاژ اشتباه گرفت.

ورود ناگهانی و سریع یون‌های سدیم به داخل تار عضلانی پتانسیل درون غشا را در ناحیه صفحه انتهایی به میزان ۵۰ تا ۷۵ میلی‌ولت افزایش داده و یک پتانسیل مثبت موضعی به نام پتانسیل صفحه انتهایی (EPP) ایجاد می‌کند. این پتانسیل موضعی (EPP) مستقیماً ناشی از باز شدن کانال‌های وابسته به لیگاند است؛ متعاقب ایجاد EPP، کانال‌های سدیمی وابسته به ولتاژ در نواحی مجاور غشا تحریک شده و پتانسیل عمل اصلی تار عضلانی را به راه می‌اندازند. در پایان، به منظور جلوگیری از تحریک مستمر، بخش عمده استیل‌کولین آزادشده توسط آنزیم استیل‌کولین استراز تجزیه می‌شود و تنها بخش کوچکی به طور غیرفعال با انتشار از فضای سیناپسی خارج می‌گردد.

یوننوع بارعبور از کانال Ach
Na+کاتیون✓ (حداکثر)
K+کاتیون✓
Ca۲+کاتیون✓
Cl-آنیون✗

واژگان کلیدی

پیوستگاه عصب-عضله
محل ارتباط پایانه آکسون یک نورون حرکتی با غشای تار عضله اسکلتی جهت انتقال پیام انقباض.
پتانسیل صفحه انتهایی (EPP)
پتانسیل مثبت موضعی ایجادشده در غشای صفحه انتهایی عضله اسکلتی به دنبال باز شدن کانال‌های وابسته به لیگاند.
استیل‌کولین استراز
آنزیمی در فضای سیناپسی که استیل‌کولین را به سرعت تجزیه کرده و مانع از تحریک مداوم گیرنده‌ها می‌شود.

اشتباه‌های رایج

  • اشتباه است که فرض شود استیل‌کولین وارد سارکوپلاسم می‌شود؛ این ناقل عصبی فقط به گیرنده‌های غشایی متصل شده و خود وارد سلول عضلانی نمی‌شود.
  • پتانسیل صفحه انتهایی (EPP) مستقیماً ناشی از کانال‌های سدیمی وابسته به ولتاژ نیست، بلکه ناشی از باز شدن کانال‌های سدیمی وابسته به لیگاند (استیل‌کولین) است.
  • کانال‌های وابسته به استیل‌کولین به یون‌های منفی نظیر کلر اجازه عبور نمی‌دهند و فقط کاتیون‌ها از آن‌ها عبور می‌کنند.
  • کلسیم در پایانه عصبی به بیرون پمپ نمی‌شود، بلکه با رسیدن پتانسیل عمل و از طریق کانال‌های ولتاژی به داخل پایانه سرازیر می‌شود.

جمع‌بندی این مفهوم

  • رسیدن پتانسیل عمل به پایانه آکسون با باز کردن کانال‌های کلسیمی وابسته به ولتاژ، موجب ورود کلسیم به داخل پایانه می‌شود.
  • ورود کلسیم محرک اگزوسیتوز وزیکول‌های حاوی استیل‌کولین به شکاف سیناپسی است.
  • استیل‌کولین با اتصال به گیرنده‌های غشایی (بدون ورود به سلول)، کانال‌های کاتیونی وابسته به لیگاند را باز می‌کند که منجر به ورود سدیم می‌شود.
  • ورود سدیم باعث ایجاد پتانسیل صفحه انتهایی (EPP) به میزان ۵۰ تا ۷۵ میلی‌ولت و تحریک پتانسیل عمل می‌گردد.
  • آنزیم استیل‌کولین استراز بخش عمده استیل‌کولین را در فضای سیناپسی تجزیه می‌کند تا تحریک خاتمه یابد.

نکتهٔ تکمیلی

جالب است بدانید که سرعت عملکرد آنزیم استیل‌کولین استراز یکی از سریع‌ترین واکنش‌های آنزیمی شناخته‌شده در زیست‌شناسی است. این آنزیم قادر است در کسری از میلی‌ثانیه هزاران مولکول استیل‌کولین را تجزیه کند. این سرعت فوق‌العاده بالا به عضله اجازه می‌دهد تا پس از هر تحریک به سرعت بازیابی شده و آماده دریافت پیام بعدی باشد، امری که برای هماهنگی حرکات سریع و دقیق عضلانی حیاتی است.

فارماکولوژی و سموم پیوستگاه عصب-عضله

داروهای مقلد و مسدودکننده گیرنده‌ها

انتقال پیام در پیوستگاه عصب-عضله هدف بسیاری از داروها، سموم طبیعی و بیماری‌های سیستمیک است که می‌توانند عملکرد عضلانی را به شدت مختل یا تقویت کنند. این عوامل به طور کلی به سه گروه تقسیم می‌شوند: مقلدها (آگونیست‌ها)، مسدودکننده‌ها (آنتاگونیست‌ها) و تعدیل‌کننده‌های آنزیمی. داروهایی نظیر متاکولین، کارباکول و نیکوتین با اتصال به گیرنده‌ها، اثر استیل‌کولین را تقلید می‌کنند. تفاوت اصلی آن‌ها با استیل‌کولین در این است که این داروها توسط آنزیم استیل‌کولین استراز تخریب نمی‌شوند. در نتیجه، حضور طولانی‌مدت آن‌ها در سیناپس منجر به تحریک و انقباض مداوم (اسپاسم عضلانی) می‌شود. این داروها بر خلاف تصور، آنزیم استیل‌کولین استراز را مهار نمی‌کنند بلکه مستقیماً بر روی گیرنده اثر می‌گذارند. در مقابل، داروهای خانواده کورار مانند کورارین به عنوان مسدودکننده‌های عصبی-عضلانی (neuromuscular blockers) عمل می‌کنند. آن‌ها با مهار رقابتی گیرنده‌های نیکوتینی استیل‌کولین در صفحه انتهایی، مانع از اتصال استیل‌کولین شده و از انتقال پیام جلوگیری می‌کنند که در نهایت به شل شدن و فلج عضلات می‌انجامد.

مهارکننده‌های استیل‌کولین استراز، سم بوتولینوم و بیماری میاستنی گراویس

دسته دیگری از داروها نظیر نئوستیگمین و فیزوستیگمین با مهار آنزیم استیل‌کولین استراز، مانع از تخریب استیل‌کولین می‌شوند. این امر غلظت استیل‌کولین را در فضای سیناپسی افزایش می‌دهد و تحریک گیرنده‌های نیکوتینی باقی‌مانده را تقویت می‌کند. نئوستیگمین اثر آگونیستی مستقیم ندارد و صرفاً مهارکننده آنزیم است. همچنین سموم شیمیایی مانند گاز جنگی دی‌ایزوپروپیل فلوئوروفسفات با مکانیسم مشابه یعنی مهار استیل‌کولین استراز عمل کرده و موجب تجمع شدید استیل‌کولین و اسپاسم عضلانی می‌شود؛ در این حالت حتی با وجود ایمپالس‌های اندک، عضله منقبض می‌ماند. از سوی دیگر، سم کلستریدیوم بوتولینوم (بوتولینوم) با مهار آزادسازی استیل‌کولین از وزیکول‌های پایانه پیش‌سیناپسی، انتقال پیام را مسدود می‌کند. این سم اثر مستقیم روی گیرنده‌های پس‌سیناپسی ندارد.

بیماری میاستنی گراویس یک بیماری خودایمنی ناشی از تولید آنتی‌بادی علیه گیرنده‌های نیکوتینی استیل‌کولین (و نه موسکارینی) در عضله اسکلتی است که یک واکنش ازدیاد حساسیت تیپ ۲ محسوب می‌شود.

بیماری میاستنی گراویس یک اختلال خودایمنی است که در آن آنتی‌بادی‌هایی علیه گیرنده‌های نیکوتینی استیل‌کولین در عضلات اسکلتی تولید می‌شود. با کاهش گیرنده‌های فعال، قدرت انقباض کم می‌شود و برای درمان آن از مهارکننده‌های استیل‌کولین استراز مانند نئوستیگمین استفاده می‌گردد تا غلظت Ach بالا رود و فرصت بیشتری برای تحریک گیرنده‌های باقی‌مانده ایجاد شود.

ماده/بیماریمحل اثرمکانیسم
کورارینگیرنده پس‌سیناپسیمهار رقابتی گیرنده
سم بوتولینومپایانه پیش‌سیناپسیمهار رهایش Ach
نئوستیگمینآنزیم سیناپسیمهار تخریب Ach
میاستنی گراویسگیرنده پس‌سیناپسیتخریب ایمنی گیرنده

واژگان کلیدی

مسدودکننده عصبی-عضلانی
دارویی مانند کورارین که با مهار رقابتی گیرنده‌های استیل‌کولین مانع انتقال پیام و انقباض عضله می‌شود.
سم بوتولینوم
سمی که با جلوگیری از رهاسازی استیل‌کولین از پایانه پیش‌سیناپسی، موجب شل شدن عضلات می‌گردد.
میاستنی گراویس
بیماری خودایمنی ناشی از آنتی‌بادی علیه گیرنده‌های نیکوتینی استیل‌کولین که انقباض را مختل می‌کند.

اشتباه‌های رایج

  • اشتباه رایج این است که فرض شود داروهای متاکولین، کارباکول و نیکوتین مهارکننده آنزیم استیل‌کولین استراز هستند؛ در حالی که آن‌ها آگونیست مستقیم گیرنده‌ها بوده ولی در برابر تخریب توسط این آنزیم مقاومند.
  • دی‌ایزوپروپیل فلوئوروفسفات گیرنده‌های استیل‌کولین را مهار نمی‌کند، بلکه با مهار آنزیم استیل‌کولین استراز و تجمع Ach موجب اسپاسم عضلانی می‌شود.
  • سم بوتولینوم گیرنده‌های پس‌سیناپسی استیل‌کولین را مسدود نمی‌کند، بلکه مانع آزاد شدن استیل‌کولین از پایانه پیش‌سیناپسی می‌شود.
  • آنتی‌بادی‌های تولید شده در میاستنی گراویس علیه گیرنده‌های موسکارینی نیستند، بلکه علیه گیرنده‌های نیکوتینی عضلات اسکلتی هدایت می‌شوند.
  • نئوستیگمین اثر آگونیستی مستقیم بر روی گیرنده‌های نیکوتینی ندارد, بلکه با مهار آنزیم استیل‌کولین استراز عمل می‌کند.

جمع‌بندی این مفهوم

  • داروهای کارباکول، نیکوتین و متاکولین به عنوان آگونیست گیرنده عمل کرده و به دلیل مقاومت به آنزیم استیل‌کولین استراز، اسپاسم عضلانی ایجاد می‌کنند.
  • کورارین یک مسدودکننده عصبی-عضلانی رقابتی است که با مهار گیرنده‌های استیل‌کولین مانع انقباض عضله می‌شود.
  • سم بوتولینوم با مهار پیش‌سیناپسی رهایش استیل‌کولین، انتقال پیام عصبی-عضلانی را مسدود می‌سازد.
  • مهارکننده‌های استیل‌کولین استراز مانند نئوستیگمین و فیزوستیگمین با تجمع استیل‌کولین در سیناپس، انقباض را در میاستنی گراویس بهبود می‌بخشند.
  • بیماری میاستنی گراویس ناشی از واکنش ازدیاد حساسیت تیپ ۲ علیه گیرنده‌های نیکوتینی صفحه انتهایی است.

نکتهٔ تکمیلی

جالب است بدانید که سم بوتولینوم، قوی‌ترین سم زیستی شناخته‌شده برای انسان، در دوزهای بسیار اندک و کنترل‌شده با نام تجاری بوتاکس (Botox) کاربردهای گسترده درمانی و زیبایی دارد. پزشکان از این سم برای شل کردن انتخابی عضلات منقبض در مواردی مثل لوچی چشم (استرابیسم)، اسپاسم پلک، چین‌وچروک‌های صورت و حتی کاهش دردهای میگرن مزمن استفاده می‌کنند که نشان می‌دهد چگونه یک سم مهلک پیش‌سیناپسی می‌تواند به یک ابزار درمانی ارزشمند تبدیل شود.

تحریک‌پذیری غشا و کانال‌های یونی

کانال‌های سدیمی وابسته به ولتاژ و مسدودکننده‌های آن‌ها

تحریک‌پذیری غشای سلول‌های عصبی و عضلانی، اساس انتقال پیام‌های الکتریکی و انقباض است. این تحریک‌پذیری به طور مستقیم توسط کانال‌های یونی دریچه‌دار وابسته به ولتاژ، به ویژه کانال‌های سدیم (Na+) و پتاسیم (K+)، هدایت می‌شود. کانال‌های سدیمی وابسته به ولتاژ نقش کلیدی در شروع و گسترش فاز دپلاریزاسیون پتانسیل عمل دارند. داروهای بی‌حسی موضعی مانند لیدوکائین و پروکائین با اتصال به کانال‌های سدیمی و اثر بر روی دریچه فعال‌سازی آن‌ها، از ورود جریان سدیم به داخل سلول جلوگیری می‌کنند. این مهار منجر به کاهش تحریک‌پذیری غشای عصبی شده و مانع از تشکیل و انتقال پتانسیل عمل می‌گردد، که مکانیسم اصلی تسکین درد است. سموم طبیعی نیز می‌توانند این مسیر را هدف قرار دهند؛ برای مثال، سم تترودوتوکسین (TTX) که از برخی جانوران مانند بادکنک‌ماهی به دست می‌آید، یک مسدودکننده بسیار اختصاصی برای کانال‌های سدیمی وابسته به ولتاژ است و با مسدود کردن آن‌ها، به طور کامل از ایجاد پتانسیل عمل جلوگیری می‌کند. این سم هیچ اثری روی کانال‌های پتاسیمی ندارد.

کانال‌های پتاسیمی و نقش کلسیم خارج سلولی

در مقابل، کانال‌های پتاسیمی وابسته به ولتاژ مسئول بازگرداندن پتانسیل غشا به حالت استراحت یا همان فاز ریپلاریزاسیون هستند. ترکیب آزمایشگاهی تترا اتیل آمونیوم (TEA) به طور اختصاصی کانال‌های پتاسیمی وابسته به ولتاژ را مسدود می‌کند. از آنجا که پتاسیم در فاز ریپلاریزاسیون خارج می‌شود، بلاک کردن این کانال‌ها روند بازقطبی شدن غشا را مختل می‌سازد، اما بر روند دپلاریزاسیون (که ناشی از کانال‌های سدیمی است) اثری ندارد. علاوه بر مسدودکننده‌های شیمیایی، غلظت یون‌های مایع خارج سلولی نیز بر تحریک‌پذیری غشا تأثیرگذار است. یون کلسیم خارج سلولی نقش تعدیل‌کننده‌ای بر کانال‌های سدیمی دارد.

افزایش غلظت یون کلسیم در مایع خارج سلولی، با افزایش ولتاژ آستانه و به تأخیر انداختن فعال‌سازی کانال‌های سدیمی، تحریک‌پذیری غشا را به شدت کاهش می‌دهد.

افزایش غلظت یون کلسیم در مایع خارج سلولی، با تثبیت غشا، ولتاژ آستانه تحریک را بالا برده و فعال شدن کانال‌های سدیمی وابسته به ولتاژ را به تأخیر می‌اندازد. این فرآیند تحریک‌پذیری سلول را کاهش می‌دهد، در حالی که کاهش کلسیم اثر معکوس داشته و غشا را بیش از حد تحریک‌پذیر می‌کند.

مادهکانال هدفاثر اصلی
لیدوکائینNa+ ولتاژیکاهش تحریک‌پذیری
تترودوتوکسینNa+ ولتاژیبلاک دپلاریزاسیون
تترا اتیل آمونیومK+ ولتاژیبلاک ریپلاریزاسیون

واژگان کلیدی

تترودوتوکسین
سمی قوی که با مسدود کردن اختصاصی کانال‌های سدیمی وابسته به ولتاژ، از تولید پتانسیل عمل جلوگیری می‌کند.
تترا اتیل آمونیوم (TEA)
ترکیبی شیمیایی که با مسدود کردن کانال‌های پتاسیمی وابسته به ولتاژ، فاز ریپلاریزاسیون پتانسیل عمل را مختل می‌کند.
ولتاژ آستانه
حداقل ولتاژ مورد نیاز غشا برای باز کردن ناگهانی کانال‌های ولتاژی و شروع پتانسیل عمل خودبه‌خودی.

اشتباه‌های رایج

  • اشتباه است که فرض شود تترودوتوکسین کانال‌های پتاسیمی را مسدود می‌کند؛ این سم منحصراً کانال‌های سدیمی وابسته به ولتاژ را بلاک می‌سازد.
  • تترا اتیل آمونیوم (TEA) کانال‌های سدیمی را مسدود نمی‌کند و بر روند دپلاریزاسیون اثر مستقیمی ندارد، بلکه کانال‌های پتاسیمی ولتاژی را مسدود می‌کند.
  • افزایش کلسیم خارج سلولی تحریک‌پذیری را افزایش نمی‌دهد، بلکه با بالا بردن آستانه تحریک، تحریک‌پذیری غشا را کاهش می‌دهد.

جمع‌بندی این مفهوم

  • تحریک‌پذیری غشای عصبی و عضلانی به عملکرد دقیق کانال‌های سدیمی و پتاسیمی وابسته به ولتاژ بستگی دارد.
  • لیدوکائین و پروکائین با مسدود کردن فعال‌سازی کانال‌های سدیمی، تحریک‌پذیری غشای عصبی را کاهش داده و بی‌حسی ایجاد می‌کنند.
  • سم تترودوتوکسین با مسدود کردن انتخابی کانال‌های سدیمی وابسته به ولتاژ، از دپلاریزاسیون و ایجاد پتانسیل عمل ممانعت می‌کند.
  • تترا اتیل آمونیوم (TEA) به طور اختصاصی کانال‌های پتاسیمی ولتاژی را مسدود کرده و روند ریپلاریزاسیون را مختل می‌نماید.
  • افزایش غلظت کلسیم خارج سلولی با به تأخیر انداختن باز شدن کانال‌های سدیمی، ولتاژ آستانه را افزایش و تحریک‌پذیری را کاهش می‌دهد.

نکتهٔ تکمیلی

جالب است بدانید که ویژگی کاهش تحریک‌پذیری ناشی از هایپرکلسمی (افزایش کلسیم خارج سلولی) در بالین بسیار مهم است. در بیماران مبتلا به هایپرکلسمی شدید، ضعف عضلانی، خستگی و کاهش واکنش‌های رفلکسی شایع است؛ زیرا یون‌های کلسیم اضافی غشای سلول‌های عصبی و عضلانی را بیش از حد پایدار کرده و مانع از تحریک آسان آن‌ها می‌شوند. در مقابل، کمبود کلسیم (هایپوکلسمی) آستانه تحریک را پایین آورده و منجر به انقباضات خودبه‌خودی دردناک عضلات می‌شود که به آن کزاز عضلانی یا تتانی می‌گویند.

جفت شدن تحریک-انقباض و کلسیم

مراحل جفت شدن تحریک-انقباض و نقش لوله‌های عرضی

فرآیند جفت شدن تحریک-انقباض (excitation-contraction coupling) مکانیسمی است که طی آن پتانسیل عمل الکتریکی در سطح غشای فیبر عضلانی به انقباض مکانیکی فیلامنت‌ها تبدیل می‌شود. ترتیب زمانی صحیح این مراحل برای عملکرد انقباضی عضله حیاتی است: ابتدا با رسیدن پیام عصبی، آزاد شدن استیل‌کولین رخ می‌دهد؛ سپس اتصال آن به گیرنده‌ها موجب دپلاریزاسیون غشای فیبر عضلانی (سارکولم) و ایجاد پتانسیل عمل می‌شود؛ و در نهایت پتانسیل عمل سبب افزایش غلظت کلسیم درون‌سلولی می‌گردد که انقباض را آغاز می‌کند. هنگامی که پتانسیل عمل در طول غشای عضله انتشار می‌یابد، از طریق ساختارهای لوله‌ای شکلی به نام لوله‌های عرضی (T) به عمق فیبر عضلانی هدایت می‌شود. دپلاریزاسیون غشای لوله‌های عرضی موجب فعال شدن کانال‌ها یا گیرنده‌های حساس به ولتاژ به نام گیرنده‌های دی‌هیدروپیریدینی (DHPR) می‌شود که در غشای لوله‌های T قرار دارند.

آزادسازی و بازگردانی فعال کلسیم

فعال شدن DHPR با تغییر شکل فضایی خود، مستقیماً به غشای شبکه سارکوپلاسمی مجاور منتقل شده و موجب باز شدن گیرنده‌های رایانودینی (RyR) می‌شود. گیرنده‌های رایانودینی که روی غشای شبکه سارکوپلاسمی (و نه لوله‌های T) مستقر هستند، به عنوان کانال‌های آزادسازی کلسیم عمل می‌کنند. با باز شدن کانال‌های رایانودینی، یون‌های کلسیم (Ca۲+) که در حالت استراحت در شبکه سارکوپلاسمی ذخیره شده‌اند، به روش انتشار ساده (موافق شیب غلظت) به درون سیتوپلاسم جریان می‌یابند. لازم به ذکر است که آزادسازی کلسیم در عضله اسکلتی مستقل از پیام‌رسان ثانویه IP۳ است و کلسیم مورد نیاز مستقیماً از مایع درون لوله‌های عرضی تأمین نمی‌شود.

منبع اصلی تأمین کلسیم لازم برای انقباض در عضله اسکلتی، شبکه سارکوپلاسمی است و کلسیم از لوله‌های عرضی (T) وارد سیتوزول نمی‌شود.

در حالت استراحت، غلظت کلسیم خارج سلولی بسیار بالاتر و حدود ۱۰۰۰ برابر غلظت کلسیم در سیتوزول است. پس از اتمام تحریک، برای خاتمه انقباض و شل شدن عضله، یون‌های کلسیم باید بر خلاف شیب غلظت از سیتوپلاسم خارج شوند. این فرآیند توسط پمپ‌های کلسیمی غشای شبکه سارکوپلاسمی (Ca۲+-ATPase) و با استفاده از انرژی حاصل از هیدرولیز ATP (روش انتقال فعال اولیه) انجام می‌گیرد.

گیرندهمحل استقرارمکانیسم عملکرد
DHPRغشای لوله عرضی (T)حسگر ولتاژ دپلاریزاسیون
RyRغشای شبکه سارکوپلاسمیآزادسازی کلسیم (انتشار)

واژگان کلیدی

جفت شدن تحریک-انقباض
مجموعه مراحلی که دپلاریزاسیون غشای عضله را به آزادسازی کلسیم و انقباض مکانیکی متصل می‌کند.
گیرنده‌های دی‌هیدروپیریدینی (DHPR)
پروتئین‌های حساس به ولتاژ در غشای لوله‌های عرضی (T) که تغییرات پتانسیل را به گیرنده‌های رایانودینی منتقل می‌کنند.
گیرنده‌های رایانودینی (RyR)
کانال‌های آزادسازی کلسیم واقع در غشای شبکه سارکوپلاسمی که با تغییر آرایش DHPR باز می‌شوند.

اشتباه‌های رایج

  • ترتیب مراحل انقباض نباید معکوس شود؛ افزایش کلسیم سارکوپلاسمی نتیجه دپلاریزاسیون غشا است، نه عامل شروع‌کننده آن.
  • گیرنده‌های رایانودینی (RyR) بر روی غشای شبکه سارکوپلاسمی قرار دارند، نه روی غشای لوله‌های عرضی (T).
  • در عضله اسکلتی، رهایش کلسیم وابسته به IP۳ نیست، بلکه مستقیماً توسط جفت شدن مکانیکی با DHPR انجام می‌شود.
  • آزاد شدن کلسیم به سیتوزول با انتشار ساده صورت می‌گیرد و نیازی به انتقال فعال ثانویه یا اولیه ندارد، در حالی که بازگرداندن آن به شبکه سارکوپلاسمی نیازمند انتقال فعال اولیه است.
  • یون‌های کلسیم برای شروع انقباض مستقیماً از مایع لوله‌های عرضی (T) وارد سیتوزول نمی‌شوند، بلکه از شبکه سارکوپلاسمی آزاد می‌گردند.

جمع‌بندی این مفهوم

  • فرآیند جفت شدن تحریک-انقباض با آزاد شدن استیل‌کولین، دپلاریزاسیون غشا و در نهایت افزایش کلسیم سیتوزولی رخ می‌دهد.
  • لوله‌های عرضی (T) دپلاریزاسیون غشا را به نزدیکی شبکه سارکوپلاسمی منتقل کرده و گیرنده‌های حساس به ولتاژ DHPR را فعال می‌کنند.
  • فعال شدن DHPR مستقیماً باعث باز شدن کانال‌های کلسیمی رایانودینی (RyR) در غشای شبکه سارکوپلاسمی می‌شود.
  • کلسیم با انتشار ساده از شبکه سارکوپلاسمی به سیتوزول خارج می‌شود تا انقباض را راه‌اندازی کند.
  • پمپ کلسیمی شبکه سارکوپلاسمی با مصرف ATP و به روش انتقال فعال اولیه، کلسیم را بازگردانده و انقباض را خاتمه می‌دهد.

نکتهٔ تکمیلی

جالب است بدانید که تفاوت عملکردی DHPR در عضله اسکلتی و عضله قلبی یکی از جذاب‌ترین مباحث فیزیولوژی است. در عضله اسکلتی، ارتباط بین DHPR در لوله T و RyR در شبکه سارکوپلاسمی یک ارتباط مکانیکی مستقیم (فیزیکی) است، به این معنی که حتی در غیاب کلسیم خارج سلولی، عضله اسکلتی می‌تواند منقبض شود. اما در عضله قلبی، این ارتباط مکانیکی نیست و ورود مقدار کمی کلسیم از طریق DHPR برای باز شدن RyR ضروری است که به آن آزادسازی کلسیم القا شده با کلسیم (CICR) می‌گویند.

مکانیک انقباض و انرژی عضلانی

پدیده‌های انقباضی و اثر فرکانس تحریک

نیروی انقباضی و رفتار حرکتی عضله اسکلتی تحت تأثیر فرکانس تحریکات عصبی، دسترسی به منابع انرژی و فعالیت آنزیم‌ها و کانال‌های مختلف سلولی قرار دارد. یکی از پدیده‌های جالب انقباضی، پدیده پلکانی (treppe) است. هنگامی که تحریکات متوالی با فرکانس مناسب پس از استراحت کامل به عضله وارد می‌شوند، نیروی هر انقباض نسبت به قبلی افزایش می‌یابد. علت اصلی این پدیده، افزایش تدریجی غلظت یون‌های کلسیم در سیتوزول به دنبال تحریکات پیاپی است؛ زیرا پمپ کلسیم شبکه سارکوپلاسمی فرصت کافی برای بازگرداندن تمام یون‌های کلسیم آزاد شده را بین پتانسیل‌های عمل متوالی ندارد. در فرکانس‌های تحریک بالاتر، پدیده کزازی شدن (tetanization) رخ می‌دهد که همراه با فراخوانی تعداد بیشتری از واحدهای حرکتی، نیروی انقباضی عضله را به حداکثر می‌رساند. در حالت کزاز ناقص (incomplete tetanus)، فرکانس تحریک اعمال‌شده به عضله کمتر از کزاز کامل است، بنابراین زمان استراحت بیشتری برای عضله بین انقباضات پیاپی وجود دارد.

عوامل تعدیل‌کننده نیرو، سرعت و انرژی انقباض

تعدیل‌کننده‌های سلولی مختلفی بر نیروی انقباض اثر می‌گذارند. برای نمونه، افزایش فعالیت کانال‌های پتاسیمی وابسته به ولتاژ در سارکولم، خروج پتاسیم را افزایش داده و با کاهش پلاریزاسیون سلولی، تحریک‌پذیری عضله را مختل می‌کند که حاصل آن کاهش نیروی انقباضی است. همچنین، افزایش فعالیت پمپ کلسیم شبکه سارکوپلاسمی با سرعت بخشیدن به خروج کلسیم از سیتوزول، غلظت کلسیم آزاد را کاهش داده و موجب خاتمه زودتر انقباض و در نتیجه کاهش نیروی انقباض می‌شود. از سوی دیگر، آنزیم میوزین کیناز در عضله اسکلتی مستقیماً سرعت انقباض را افزایش می‌دهد و نه نیروی انقباض را.

افزایش فعالیت آنزیم میوزین کیناز در عضله اسکلتی مستقیماً باعث افزایش سرعت انقباض می‌شود، در حالی که نیروی انقباض توسط عواملی چون فراخوانی واحدهای حرکتی و کزازی شدن تنظیم می‌گردد.

در نهایت، باید دانست که فرآیند رفع انقباض (شل شدن عضله) فرآیندی فعال و نیازمند انرژی است. در شرایط هایپوکسی (کمبود اکسیژن)، تولید ATP کاهش می‌یابد و به دلیل کمبود انرژی برای فعالیت پمپ‌های کلسیمی، رفع انقباض عضله اسکلتی با اختلال مواجه شده و به تأخیر می‌افتد.

حالت انقباضیفرکانس تحریکزمان استراحت عضله
کزاز ناقصکمتربیشتر
کزاز کاملبیشترکمتر (نزدیک به صفر)

واژگان کلیدی

پدیده پلکانی (treppe)
افزایش پله‌به‌پله نیروی انقباض عضلانی در پاسخ به تحریکات متوالی به دلیل تجمع تدریجی کلسیم سیتوزولی.
کزاز ناقص
حالت انقباض کزازی با فرکانس تحریکی کمتر از کزاز کامل، که در آن عضله فرصت استراحت کوتاهی بین تحریکات دارد.
میوزین کیناز
آنزیمی که در عضله اسکلتی با فسفوریلاسیون سر میوزین، سرعت (و نه نیروی) انقباض را افزایش می‌دهد.

اشتباه‌های رایج

  • اشتباه است که فرکانس تحریک در کزاز ناقص بیشتر از کزاز کامل فرض شود؛ در کزاز ناقص فرکانس تحریک کمتر بوده و زمان استراحت عضله بیشتر است.
  • افزایش فعالیت کانال‌های پتاسیمی دریچه‌دار سارکولم نیروی انقباض را افزایش نمی‌دهد، بلکه با اختلال در تحریک‌پذیری، آن را کاهش می‌دهد.
  • افزایش فعالیت پمپ کلسیمی شبکه سارکوپلاسمی با کاهش کلسیم سیتوزول، باعث خاتمه انقباض و کاهش نیروی آن می‌شود.
  • فعالیت میوزین کیناز در عضله اسکلتی نیروی انقباض را افزایش نمی‌دهد، بلکه سرعت انقباض را افزایش می‌دهد.
  • کمبود اکسیژن (هایپوکسی) به دلیل کاهش ATP، شل شدن عضله را تسهیل نمی‌کند بلکه آن را مختل کرده و به تأخیر می‌اندازد.

جمع‌بندی این مفهوم

  • پدیده پلکانی (treppe) ناشی از تجمع تدریجی کلسیم سیتوزولی به دلیل تحریکات پیاپی و ناتوانی پمپ‌ها در بازگردانی سریع کلسیم است.
  • کزاز ناقص به دلیل فرکانس تحریک کمتر نسبت به کزاز کامل، زمان استراحت بیشتری را بین انقباضات پیاپی فراهم می‌کند.
  • افزایش نیروی انقباضی عضله حاصل فراخوانی واحدهای حرکتی بیشتر و بروز پدیده کزازی شدن است.
  • فعالیت پتاسیمی سارکولم و پمپ کلسیمی شبکه سارکوپلاسمی تحریک‌پذیری و انقباض را مهار کرده و نیروی انقباض را کاهش می‌دهند.
  • رفع انقباض عضله نیازمند انرژی ATP است و در شرایط هایپوکسی با کاهش ATP، این فرآیند مختل و کند می‌شود.

نکتهٔ تکمیلی

جالب است بدانید که پدیده پلکانی (treppe) توضیح‌دهنده فیزیولوژیک اهمیت گرم کردن ورزشکاران پیش از مسابقات سنگین است. با شروع تمرینات سبک و تحریکات پیاپی عضلانی، غلظت کلسیم در سیتوزول به تدریج افزایش یافته و به مقادیر بهینه می‌رسد، دما بالا رفته و فعالیت آنزیم‌هایی مانند میوزین کیناز تسهیل می‌شود. این امر باعث می‌شود که عضلات در طول مسابقه اصلی با حداکثر سرعت و کارایی منقبض شده و نیروی بیشتری تولید کنند، ضمن اینکه احتمال آسیب‌دیدگی نیز کاهش می‌یابد.

خلاصهٔ درس

پیام انقباض چگونه به عضله می‌رسد؟

Physiology · Skeletal Muscle Excitation

وقایع پیوستگاه عصب-عضله

  • پتانسیل عمل آکسون ← باز شدن کانال‌های ولتاژی کلسیم
  • ورود غیرفعال کلسیم به پایانه در جهت شیب الکتروشیمیایی
  • انتشار استیل‌کولین در سیناپس و اتصال به گیرنده‌های غشایی
  • ورود سدیم از کانال لیگاندی ← ایجاد پتانسیل موضعی EPP
  • تجزیه سریع استیل‌کولین توسط آنزیم استیل‌کولین استراز
پتانسیل صفحه انتهایی (EPP)
پتانسیل موضعی ناشی از باز شدن کانال لیگاندی

نکته: سرعت آنزیم استیل‌کولین استراز یکی از سریع‌ترین واکنش‌های شناخته‌شده زیستی است.

سموم و داروهای سیناپسی

  • کارباکول و نیکوتین: مقلد استیل‌کولین و مقاوم به استراز
  • کورارین: مهار رقابتی گیرنده‌ها و جلوگیری از انقباض
  • مهار پیش‌سیناپسی رهایش استیل‌کولین توسط سم بوتولینوم
  • مهار استیل‌کولین استراز با نئوستیگمین ← تجمع استیل‌کولین
  • میاستنی گراویس: بیماری خودایمنی علیه گیرنده‌های نیکوتینی
مسدودکننده عصبی-عضلانی
داروی مهارکننده رقابتی گیرنده استیل‌کولین

نکته: دوز اندک سم بوتولینوم با نام بوتاکس برای درمان لوچی چشم و چین‌وچروک کاربرد دارد.

تحریک‌پذیری و کانال‌های ولتاژی

  • نقش کلیدی کانال‌های سدیمی وابسته به ولتاژ در دپلاریزاسیون
  • کاهش تحریک‌پذیری غشا با مسدود شدن کانال سدیمی توسط لیدوکائین
  • تترودوتوکسین: مسدودکننده اختصاصی کانال‌های سدیمی ولتاژی
  • اختلال ریپلاریزاسیون با مهار کانال‌های پتاسیمی توسط TEA
  • افزایش کلسیم خارج سلول ← افزایش آستانه تحریک و ثبات غشا
تترودوتوکسین
سم مسدودکننده اختصاصی کانال سدیمی وابسته به ولتاژ

نکته: هایپوکلسمی با کاهش آستانه تحریک، موجب انقباض خودبه‌خودی یا تتانی می‌شود.

مراحل جفت شدن تحریک-انقباض

  • لوله‌های عرضی (T): انتقال دپلاریزاسیون به عمق تار عضلانی
  • فعال‌سازی گیرنده‌های DHPR ولتاژی در غشای لوله‌های T
  • تغیر شکل DHPR ← باز شدن کانال‌های رایانودینی (RyR)
  • رهایش غیرفعال کلسیم از شبکه سارکوپلاسمی به سیتوزول
  • بازگشت کلسیم به شبکه سارکوپلاسمی با پمپ کلسیمی و مصرف ATP
گیرنده رایانودینی (RyR)
کانال رهایش کلسیم در غشای شبکه سارکوپلاسمی

نکته: ارتباط DHPR و RyR در عضله اسکلتی مکانیکی است و به کلسیم خارج سلولی نیاز ندارد.

فرکانس و مکانیک انقباض

  • پدیده پلکانی (treppe): تجمع تدریجی کلسیم سیتوزول با تحریک پیاپی
  • کزاز ناقص: فرکانس تحریک کمتر و زمان استراحت بیشتر نسبت به کزاز کامل
  • افزایش نیروی انقباض با کزازی شدن و فراخوانی واحدهای حرکتی
  • میوزین کیناز: افزایش سرعت انقباض در عضله (بدون تغییر نیرو)
  • هایپوکسی ← کاهش ATP ← اختلال و تاخیر در رفع انقباض عضله
پدیده پلکانی (treppe)
افزایش تدریجی نیروی انقباض به دلیل تجمع کلسیم

نکته: اهمیت گرم کردن قبل ورزش، تجمع کلسیم و فعال شدن میوزین کیناز در پدیده پلکانی است.

نکات کلیدی (تله‌های آزمون)

  • استیل‌کولین وارد سارکوپلاسم نمی‌شود؛ فقط با اتصال به گیرنده، کانال باز می‌کند.
  • پتانسیل موضعی EPP ناشی از کانال لیگاندی است، نه کانال سدیمی وابسته به ولتاژ.
  • بوتولینوم مانع رهایش پیش‌سیناپسی Ach است؛ نه مسدودکننده گیرنده پس‌سیناپسی.
  • در میاستنی گراویس، آنتی‌بادی علیه گیرنده نیکوتینی است، نه گیرنده‌های موسکارینی.
  • کانال RyR روی شبکه سارکوپلاسمی است، نه روی غشای لوله‌های عرضی (T).
  • کزاز ناقص فرکانس تحریک کمتر و زمان استراحت بیشتری نسبت به کزاز کامل دارد.

یک تست از این درس

خودت را بسنج

در فیزیولوژی انقباض فیبرهای عضلانی اسکلتی، مکانیسم‌های تنظیمی متعددی سرعت، نیرو و پتانسیل‌های غشایی را کنترل می‌کنند. کدام عبارت درباره این عوامل تنظیمی درست است؟

  1. افزایش فعالیت کانال‌های پتاسیمی وابسته به ولتاژ سارکولم نیروی انقباض را افزایش می‌دهد؛ در حالی که افزایش میوزین‌کیناز سرعت را بالا برده و کلسیم مستقیماً از لوله‌های T تأمین می‌شود.
  2. افزایش فعالیت کانال‌های پتاسیمی وابسته به ولتاژ سارکولم نیروی انقباض را کاهش می‌دهد؛ در حالی که افزایش میوزین‌کیناز نیرو را افزایش داده و کلسیم مستقیماً از لوله‌های T تأمین می‌شود.
  3. افزایش فعالیت کانال‌های پتاسیمی وابسته به ولتاژ سارکولم نیروی انقباض را کاهش می‌دهد؛ در حالی که افزایش میوزین‌کیناز سرعت را بالا برده و غلظت کلسیم خارج سلولی حدود ۱۰۰۰ برابر سیتوزول است.
  4. افزایش فعالیت کانال‌های پتاسیمی وابسته به ولتاژ سارکولم نیروی انقباض را کاهش می‌دهد؛ در حالی که افزایش میوزین‌کیناز سرعت را بالا برده و کلسیم مستقیماً از لوله‌های T تأمین می‌شود.
دیدن پاسخ و توضیح

پاسخ درست: گزینه ۳

افزایش فعالیت کانال‌های پتاسیمی وابسته به ولتاژ در سارکولم با هدایت پتاسیم به خارج از سلول و خنثی کردن دپلاریزاسیون، تحریک عضلانی را مختل کرده و نیروی انقباضی را کاهش می‌دهد. آنزیم میوزین کیناز سرعت انقباض (نه نیروی انقباض) را تنظیم کرده و با فسفوریلاسیون میوزین سرعت آن را بالا می‌برد. علاوه بر این، غلظت کلسیم مایع خارج سلولی در زمان استراحت حدود ۱۰۰۰ برابر غلظت سیتوزولی کلسیم آزاد است، پس گزینه ۳ کاملاً صحیح است. بررسی سایر گزینه‌ها: گزینه ۱: افزایش فعالیت کانال‌های پتاسیمی با کاهش تحریک‌پذیری غشای سارکولم، نیروی انقباضی را کاهش می‌دهد، نه افزایش. همچنین کلسیم انقباض از شبکه سارکوپلاسمی تامین می‌شود، نه لوله‌های T. گزینه ۲: آنزیم میوزین کیناز سرعت انقباض را افزایش می‌دهد و تأثیری در افزایش نیروی انقباض ندارد. همچنین کلسیم انقباض از شبکه سارکوپلاسمی آزاد می‌شود. گزینه ۴: یون کلسیم مورد نیاز انقباض عضله اسکلتی مستقیماً از شبکه سارکوپلاسمی تامین می‌گردد و لوله‌های T نقش انتقالی دپلاریزاسیون را دارند و منبع کلسیم انقباض نیستند.

تمرین بیشتر در اپ ←

درس‌های دیگر این بخش · فیزیولوژی