anatomi och fysiologi i

den mest kända egenskapen hos skelettmuskel är dess förmåga att dra ihop sig och orsaka rörelse. Skelettmuskler agerar inte bara för att producera rörelse utan också för att stoppa rörelse, såsom att motstå tyngdkraften för att upprätthålla hållning. Små, konstanta justeringar av skelettmusklerna behövs för att hålla en kropp upprätt eller balanserad i vilken position som helst. Muskler förhindrar också överdriven rörelse av ben och leder, upprätthåller skelettstabilitet och förhindrar skador på skelettstrukturen eller deformation. Leder kan bli feljusterade eller förskjutna helt genom att dra på de tillhörande benen; musklerna arbetar för att hålla lederna stabila. Skelettmuskler finns i hela kroppen vid öppningarna av inre kanaler för att styra rörelsen av olika ämnen. Dessa muskler tillåter funktioner, såsom sväljning, urinering och avföring, att vara under frivillig kontroll. Skelettmuskler skyddar också inre organ (särskilt buk-och bäckenorgan) genom att fungera som en yttre barriär eller sköld mot yttre trauma och genom att stödja organens vikt.

skelettmuskler bidrar till upprätthållandet av homeostas i kroppen genom att generera värme. Muskelkontraktion kräver energi, och när ATP bryts ner produceras värme. Denna värme är mycket märkbar under träning, när långvarig muskelrörelse får kroppstemperaturen att stiga, och i fall av extrem kyla, när skakning producerar slumpmässiga skelettmuskelkontraktioner för att generera värme.

Figur 1. De Tre Bindvävsskikten. Buntar av muskelfibrer, kallade fasciklar, täcks av perimysium. Muskelfibrer täcks av endomysium.

varje skelettmuskel är ett organ som består av olika integrerade vävnader. Dessa vävnader inkluderar skelettmuskelfibrer, blodkärl, nervfibrer och bindväv. Varje skelettmuskel har tre lager bindväv (kallad ”mysia”) som omsluter den och ger strukturen till muskeln som helhet och delar också upp muskelfibrerna i muskeln (Figur 1). Varje muskel är insvept i en mantel av tät, oregelbunden bindväv som kallas epimysium, vilket gör att en muskel kan dra ihop sig och röra sig kraftfullt samtidigt som den bibehåller sin strukturella integritet. Epimysium separerar också muskler från andra vävnader och organ i området, vilket gör att muskeln kan röra sig självständigt.

inuti varje skelettmuskel organiseras muskelfibrer i enskilda buntar, var och en kallad en fascikel, av ett mellanskikt av bindväv som kallas perimysium. Denna fascikulära organisation är vanlig i musklerna i lemmarna; det tillåter nervsystemet att utlösa en specifik rörelse av en muskel genom att aktivera en delmängd av muskelfibrer i en bunt eller fascikel i muskeln. Inuti varje fascikel är varje muskelfiber innesluten i ett tunt bindvävskikt av kollagen och retikulära fibrer som kallas endomysium. Endomysium innehåller den extracellulära vätskan och näringsämnena för att stödja muskelfibern. Dessa näringsämnen levereras via blod till muskelvävnaden.

i skelettmuskler som arbetar med senor för att dra på ben, sammanfaller kollagenet i de tre vävnadsskikten (mysia) med kollagen i en sena. I den andra änden av senan smälter den med periosteum som täcker benet. Spänningen som skapas genom sammandragning av muskelfibrerna överförs sedan genom mysia, till senan och sedan till periosteum för att dra på benet för rörelse av skelettet. På andra ställen kan mysia smälta samman med ett brett, senliknande ark som kallas aponeuros, eller till fascia, bindväven mellan hud och ben. Det breda arket av bindväv i nedre delen av ryggen som latissimus dorsi-musklerna (”lats”) smälter in i är ett exempel på en aponeuros.

varje skelettmuskel levereras också rikligt av blodkärl för näring, syretillförsel och avfallsavlägsnande. Dessutom levereras varje muskelfiber i en skelettmuskel av axongrenen i en somatisk motorneuron, som signalerar fibern att dra ihop sig. Till skillnad från hjärt-och glatt muskulatur är det enda sättet att funktionellt dra ihop en skelettmuskulatur genom signalering från nervsystemet.

Skelettmuskelfibrer

eftersom skelettmuskelceller är långa och cylindriska kallas de vanligtvis muskelfibrer. Skelettmuskelfibrer kan vara ganska stora för mänskliga celler, med diametrar upp till 100 kvm och längder upp till 30 cm (11,8 tum) i Sartorius i överbenet. Under tidig utveckling smälter embryonala myoblaster, var och en med sin egen kärna, med upp till hundratals andra myoblaster för att bilda de multinucleerade skelettmuskelfibrerna. Flera kärnor betyder flera kopior av gener, vilket möjliggör produktion av de stora mängderna proteiner och enzymer som behövs för muskelkontraktion.

någon annan terminologi associerad med muskelfibrer är rotad i den grekiska sarco, vilket betyder ”kött.”Plasmamembranet i muskelfibrer kallas sarkolemma, cytoplasman kallas sarkoplasma och det specialiserade släta endoplasmiska retikulumet, som lagrar, frigör och hämtar kalciumjoner (Ca++) kallas sarkoplasmatisk retikulum (Sr) (Figur 2). Som snart kommer att beskrivas är den funktionella enheten i en skelettmuskelfiber sarkomeren, ett mycket organiserat arrangemang av det kontraktila myofilamenten aktin (tunt filament) och myosin (tjockt filament) tillsammans med andra stödproteiner.

Figur 2. Muskelfiber. En skelettmuskelfiber omges av ett plasmamembran som kallas sarcolemma, som innehåller sarkoplasma, cytoplasman i muskelceller. En muskelfiber består av många fibriller, vilket ger cellen sitt strimmiga utseende.

Sarkomeren

det strimmiga utseendet på skelettmuskelfibrer beror på arrangemanget av myofilamenten av aktin och myosin i sekventiell ordning från ena änden av muskelfibrerna till den andra. Varje paket av dessa mikrofilament och deras reglerande proteiner, troponin och tropomyosin (tillsammans med andra proteiner) kallas en sarkomer.

sarkomeren är den funktionella enheten i muskelfibern. Sarkomeren själv är buntad i myofibril som löper hela muskelfiberns längd och fäster vid sarcolemma i slutet. Som myofibriller kontrakt, hela muskelcellen kontrakt. Eftersom myofibriller bara är cirka 1,2 mikrogram i diameter, kan hundratusentals (var och en med tusentals sarkomerer) hittas i en muskelfiber. Varje sarcomere är ungefär 2 kvm lång med ett tredimensionellt cylinderliknande arrangemang och gränsar till strukturer som kallas Z-skivor (även kallade Z-linjer, eftersom bilderna är tvådimensionella), till vilka aktin myofilamenten är förankrade (Figur 3). Eftersom aktin och dess troponin-tropomyosinkomplex (utskjutande från Z-skivorna mot sarkomerens centrum) bildar strängar som är tunnare än myosin, kallas det sarkomerens tunna filament. På samma sätt, eftersom myosinsträngarna och deras flera huvuden (som skjuter ut från sarkomerens centrum, mot men inte alla till väg till, Z-skivorna) har mer massa och är tjockare, kallas de sarkomerens tjocka filament.

Figur 3. Sarkomeren. Sarkomeren, regionen från en Z-linje till nästa Z-linje, är den funktionella enheten i en skelettmuskelfiber.

den neuromuskulära korsningen

en annan specialisering av skelettmuskeln är den plats där en motorneuronterminal möter muskelfibern—kallad neuromuskulär korsning (NMJ). Det är här muskelfibern först svarar på signalering av motorneuronen. Varje skelettmuskelfiber i varje skelettmuskel är innerverad av en motorneuron vid NMJ. Excitationssignaler från neuronen är det enda sättet att funktionellt aktivera fibern för att komma i kontakt.

Excitation-Kontraktionskoppling

alla levande celler har membranpotentialer eller elektriska gradienter över sina membran. Insidan av membranet är vanligtvis runt -60 till -90 mV, relativt utsidan. Detta kallas en Cells membranpotential. Neuroner och muskelceller kan använda sina membranpotentialer för att generera elektriska signaler. De gör detta genom att styra rörelsen av laddade partiklar, kallade joner, över sina membran för att skapa elektriska strömmar. Detta uppnås genom att öppna och stänga specialiserade proteiner i membranet som kallas jonkanaler. Även om strömmarna som genereras av joner som rör sig genom dessa kanalproteiner är mycket små, utgör de grunden för både neural signalering och muskelkontraktion.

både neuroner och skelettmuskelceller är elektriskt exciterbara, vilket innebär att de kan generera handlingspotentialer. En åtgärdspotential är en speciell typ av elektrisk signal som kan färdas längs ett cellmembran som en våg. Detta gör att en signal kan överföras snabbt och troget över långa avstånd.

även om termen excitation-kontraktionskoppling förvirrar eller skrämmer vissa studenter, kommer det ner till detta: för att en skelettmuskelfiber ska komma i kontakt måste membranet först vara ”upphetsat”—med andra ord måste det stimuleras att avfyra en åtgärdspotential. Muskelfiberhandlingspotentialen, som sveper längs sarcolemma som en våg, är” kopplad ” till den faktiska sammandragningen genom frisättning av kalciumjoner (Ca++) från SR. när den släppts interagerar Ca++ med skärmproteinerna och tvingar dem att röra sig åt sidan så att aktinbindningsställena är tillgängliga för fastsättning av myosinhuvuden. Myosin drar sedan aktinfilamenten mot mitten och förkortar muskelfibrerna.

i skelettmuskulaturen börjar denna sekvens med signaler från nervsystemets somatiska motordelning. Med andra ord utlöses ”excitation” – steget i skelettmusklerna alltid genom signalering från nervsystemet (Figur 4).

Figur 4. Motor ändplatta och Innervation. Vid NMJ släpper axon-terminalen ACh. Motorändplattan är platsen för ACh-receptorerna i muskelfiber sarcolemma. När ach-molekyler släpps diffunderar de över ett minututrymme som kallas den synaptiska klyftan och binder till receptorerna.

motorneuronerna som berättar för skelettmuskelfibrerna att komma i kontakt har sitt ursprung i ryggmärgen, med ett mindre antal beläget i hjärnstammen för aktivering av skelettmuskler i ansikte, huvud och nacke. Dessa neuroner har långa processer, kallade axoner, som är specialiserade för att överföra handlingspotentialer långa avstånd— i detta fall hela vägen från ryggmärgen till själva muskeln (som kan vara upp till tre meter bort). Axonerna i flera neuroner buntas samman för att bilda nerver, som ledningar buntade ihop i en kabel.

signalering börjar när en neuronal åtgärdspotential färdas längs axonen hos en motorneuron och sedan längs de enskilda grenarna för att avsluta vid NMJ. Vid NMJ frigör axonterminalen en kemisk budbärare eller neurotransmittor, kallad acetylkolin (ACh). ACh-molekylerna diffunderar över ett minututrymme som kallas den synaptiska klyftan och binder till ACh-receptorer belägna i sarkolemmas motorändplatta på andra sidan synapsen. När ACh binder öppnas en kanal i ACh-receptorn och positivt laddade joner kan passera in i muskelfibern, vilket får den att depolarisera, vilket innebär att muskelfiberns membranpotential blir mindre negativ (närmare noll.)

när membranet depolariseras utlöses en annan uppsättning jonkanaler som kallas spänningsgrindade natriumkanaler för att öppna. Natriumjoner kommer in i muskelfibern, och en åtgärdspotential sprider sig snabbt (eller ”bränder”) längs hela membranet för att initiera excitation-sammandragningskoppling.

saker händer mycket snabbt i världen av exciterbara membran (tänk bara på hur snabbt du kan knäppa fingrarna så fort du bestämmer dig för att göra det). Omedelbart efter depolarisering av membranet repolariseras det och återupprättar den negativa membranpotentialen. Under tiden bryts ACh i den synaptiska klyftan av enzymet acetylkolinesteras (AChE) så att ACh inte kan återbindas till en receptor och öppna sin kanal igen, vilket skulle orsaka oönskad förlängd muskel excitation och sammandragning.

Figur 5. T-tubulen. Smala t-tubuler tillåter ledning av elektriska impulser. SR fungerar för att reglera intracellulära nivåer av kalcium. Två terminala cisternae (där förstorad SR ansluter till t-tubulen) och en T-tubule innefattar en triad—en ”trekant” av membran, med de av SR på två sidor och T-tubulen inklämd mellan dem.

förökning av en åtgärdspotential längs sarcolemma är exciteringsdelen av excitation-sammandragningskoppling. Minns att denna excitation faktiskt utlöser frisättningen av kalciumjoner (Ca++) från dess lagring i cellens SR. För åtgärdspotentialen att nå membranet i SR finns det periodiska invaginationer i sarcolemma, kallade T-tubuler (”T” står för ”tvärgående”). Du kommer ihåg att diametern på en muskelfiber kan vara upp till 100 kvm, så dessa T-tubuler säkerställer att membranet kan komma nära SR i sarkoplasman. Arrangemanget av en T-tubule med membran av SR på vardera sidan kallas en triad (Figur 5). Triaden omger den cylindriska strukturen som kallas en myofibril, som innehåller aktin och myosin.

t-tubulerna bär handlingspotentialen in i cellens inre, vilket utlöser öppningen av kalciumkanaler i membranet i den intilliggande SR, vilket gör att Ca++ diffunderar ut ur SR och in i sarkoplasman. Det är ankomsten av Ca++ i sarkoplasman som initierar sammandragning av muskelfibrerna genom dess kontraktila enheter eller sarkomerer.