6.4: Muskelkontraktion

Excitation-kontraktionskobling

Excitation-kontraktionskobling er forbindelsen (transduktionen) mellem det aktionspotentiale, der genereres i sarkolemmaet, og starten på en muskelkontraktion. Den udløsende faktor for calciumfrigivelse fra det sarkoplasmatiske retikulum til sarkoplasmaet er et neuralt signal. Hver skeletmuskelfiber styres af et motorisk neuron, som leder signaler fra hjernen eller rygmarven til musklen. Det område af sarkolemmaet på muskelfibrene, der interagerer med neuronet, kaldes den motoriske endeplade. Enden af neuronets axon kaldes den synaptiske terminal, og den har faktisk ikke kontakt med den motoriske endeplade. Et lille rum kaldet den synaptiske kløft adskiller den synaptiske terminal fra den motoriske endeplade. Elektriske signaler bevæger sig langs neuronets axon, som forgrener sig gennem musklen og forbinder sig med de enkelte muskelfibre ved et neuromuskulært knudepunkt.

Cellernes evne til at kommunikere elektrisk kræver, at cellerne bruger energi på at skabe en elektrisk gradient på tværs af deres cellemembraner. Denne ladningsgradient bæres af ioner, som er differentielt fordelt på tværs af membranen. Hver ion udøver en elektrisk påvirkning og en koncentrationsmæssig påvirkning. Ligesom mælk efterhånden blander sig med kaffe, uden at det er nødvendigt at røre rundt, fordeler ioner sig også jævnt, hvis de får lov til at gøre det. I dette tilfælde får de ikke lov til at vende tilbage til en jævnt blandet tilstand.

Natrium-kalium-ATPase bruger celleenergi til at flytte K+-ioner inde i cellen og Na+-ioner udenfor. Dette alene akkumulerer en lille elektrisk ladning, men en stor koncentrationsgradient. Der er masser af K+ i cellen og masser af Na+ uden for cellen. Kalium kan forlade cellen gennem K+-kanaler, der er åbne 90 % af tiden, og det gør det også. Na+-kanalerne er imidlertid sjældent åbne, så Na+ forbliver uden for cellen. Når K+ forlader cellen og følger koncentrationsgradienten, efterlader det i praksis en negativ ladning. Så i hvile er der en stor koncentrationsgradient for Na+ til at komme ind i cellen, og der er en ophobning af negative ladninger, der efterlades i cellen. Dette er det hvilende membranpotentiale. Potentialet betyder i denne sammenhæng en adskillelse af elektrisk ladning, der er i stand til at udføre arbejde. Det måles i volt, ligesom i et batteri. Imidlertid er transmembranpotentialet betydeligt mindre (0,07 V); derfor udtrykkes den lille værdi som millivolt (mV) eller 70 mV. Da indersiden af en celle er negativ i forhold til ydersiden, betyder et minustegn overskuddet af negative ladninger inde i cellen, -70 mV.

Hvis en hændelse ændrer membranens permeabilitet for Na+-ioner, vil de trænge ind i cellen. Det vil ændre spændingen. Dette er en elektrisk hændelse, kaldet et aktionspotentiale, der kan bruges som et cellesignal. Der foregår kommunikation mellem nerver og muskler gennem neurotransmittere. Neuronernes aktionspotentialer forårsager frigivelse af neurotransmittere fra den synaptiske terminal til den synaptiske kløft, hvor de derefter kan diffundere gennem den synaptiske kløft og binde sig til et receptormolekyle på den motoriske endeplade. Den motoriske endeplade har junctional folds – folder i sarkolemmaet, der skaber et stort overfladeareal, hvor neurotransmitterne kan binde til receptorerne. Receptorerne er faktisk natriumkanaler, der åbner sig for at tillade passage af Na+ ind i cellen, når de modtager signalet fra neurotransmitteren.

Acetylcholin (ACh) er en neurotransmitter frigivet af motoriske neuroner, der binder sig til receptorer i den motoriske endeplade. Neurotransmitterfrigivelse sker, når et aktionspotentiale bevæger sig ned gennem motorneuronets axon, hvilket resulterer i en ændret permeabilitet af den synaptiske terminalmembran og en tilstrømning af calcium. Ca2+-ionerne gør det muligt for synaptiske vesikler at bevæge sig til og binde sig til den præsynaptiske membran (på neuronet) og frigive neurotransmitter fra vesiklerne til den synaptiske kløft. Når ACh er frigivet af den synaptiske terminal, diffunderer det gennem den synaptiske kløft til den motoriske endeplade, hvor det binder sig til ACh-receptorer. Når en neurotransmitter binder sig, åbnes disse ionkanaler, og Na+-ioner krydser membranen ind i muskelcellen. Dette reducerer spændingsforskellen mellem cellens inderside og yderside, hvilket kaldes depolarisering. Da ACh binder ved den motoriske endeplade, kaldes denne depolarisering for et endepladepotentiale. Depolarisationen spredes derefter langs sarkolemmaet og skaber et aktionspotentiale, idet natriumkanaler, der støder op til det oprindelige depolariseringssted, registrerer spændingsændringen og åbner. Aktionspotentialet bevæger sig over hele cellen og skaber en bølge af depolarisering.

ACh nedbrydes af enzymet acetylcholinesterase (AChE) til acetyl og cholin. AChE befinder sig i den synaptiske kløft og nedbryder ACh, så det ikke forbliver bundet til ACh-receptorerne, hvilket ville forårsage uønsket forlænget muskelkontraktion (figur 6.9).

Figur 6.9. Dette diagram viser excitations-kontraktionskobling i en skeletmuskelkontraktion. Det sarkoplasmatiske retikulum er et specialiseret endoplasmatisk retikulum, der findes i muskelceller.

Efter depolarisering vender membranen tilbage til sin hviletilstand. Dette kaldes repolarisering, hvorunder de spændingsstyret natriumkanaler lukker. Kaliumkanaler fortsætter med en konduktans på 90 %. Da plasmamembranens natrium-kalium ATPase altid transporterer ioner, genoprettes hviletilstanden (negativt ladet indvendigt i forhold til udvendigt). Den periode, der følger umiddelbart efter transmissionen af en impuls i en nerve eller muskel, hvor en neuron eller muskelcelle genvinder sin evne til at transmittere en ny impuls, kaldes den refraktære periode. I den refraktære periode kan membranen ikke generere et nyt aktionspotentiale. Den refraktære periode giver de spændingsfølsomme ionkanaler mulighed for at vende tilbage til deres hvilekonfiguration. Natrium-kalium ATPasen flytter hele tiden Na+ tilbage ud af cellen og K+ tilbage ind i cellen, og K+ løber ud og efterlader negativ ladning tilbage. Meget hurtigt repolariseres membranen, således at den igen kan depolariseres.