Excitation-contraction coupling
Excitation-contraction coupling is de koppeling (transductie) tussen de actiepotentiaal die in het sarcolemma wordt opgewekt en het begin van een spiercontractie. De aanzet tot het vrijkomen van calcium uit het sarcoplasmatisch reticulum in het sarcoplasma is een neuraal signaal. Elke skeletspiervezel wordt aangestuurd door een motorneuron, dat signalen van de hersenen of het ruggenmerg naar de spier geleidt. Het gebied van het sarcolemma op de spiervezel dat in wisselwerking staat met het neuron wordt de motorische eindplaat genoemd. Het uiteinde van het axon van het neuron wordt het synaptische uiteinde genoemd, en het maakt geen daadwerkelijk contact met de motorische eindplaat. Een kleine ruimte, de synaptische spleet genoemd, scheidt de synaptische terminal van de motorische eindplaat. Elektrische signalen reizen langs het axon van het neuron, dat zich door de spier vertakt en zich verbindt met individuele spiervezels bij een neuromusculair knooppunt.
Het vermogen van cellen om elektrisch te communiceren vereist dat de cellen energie verbruiken om een elektrische gradiënt over hun celmembranen te creëren. Deze ladingsgradiënt wordt gedragen door ionen, die verschillend over het membraan zijn verdeeld. Elk ion oefent een elektrische invloed uit en een concentratie-invloed. Net zoals melk zich uiteindelijk met koffie zal vermengen zonder dat er geroerd hoeft te worden, zullen ionen zich ook gelijkmatig verdelen, als zij daartoe de kans krijgen. In dit geval is het niet toegestaan dat zij terugkeren naar een gelijkmatig gemengde toestand.
De natrium-kalium ATPase gebruikt cellulaire energie om K+ ionen binnen de cel en Na+ ionen buiten de cel te verplaatsen. Dit alleen accumuleert een kleine elektrische lading, maar een grote concentratie gradiënt. Er is veel K+ in de cel en veel Na+ buiten de cel. Kalium kan de cel verlaten via K+ kanalen die 90% van de tijd open zijn, en dat gebeurt ook. Na+ kanalen zijn echter zelden open, dus Na+ blijft buiten de cel. Wanneer K+ de cel verlaat, de concentratiegradiënt volgend, laat dat effectief een negatieve lading achter. In rust is er dus een grote concentratiegradiënt voor Na+ om de cel binnen te komen, en er is een opeenhoping van negatieve ladingen die in de cel achterblijven. Dit is de membraanpotentiaal in rust. De potentiaal betekent in deze context een scheiding van elektrische lading die in staat is om arbeid te verrichten. Het wordt gemeten in volt, net als een batterij. De transmembraanpotentiaal is echter aanzienlijk kleiner (0,07 V); daarom wordt de kleine waarde uitgedrukt in millivolts (mV) of 70 mV. Omdat de binnenkant van een cel negatief is in vergelijking met de buitenkant, geeft een minteken de overmaat aan negatieve ladingen in de cel aan, -70 mV.
Als een gebeurtenis de doorlaatbaarheid van het membraan voor Na+ ionen verandert, zullen ze de cel binnendringen. Dat zal de spanning veranderen. Dit is een elektrische gebeurtenis, een actiepotentiaal genoemd, die als celsignaal kan worden gebruikt. Communicatie vindt plaats tussen zenuwen en spieren door middel van neurotransmitters. Actiepotentialen van neuronen veroorzaken het vrijkomen van neurotransmitters uit de synaptische terminal in de synaptische spleet, waar zij vervolgens kunnen diffunderen over de synaptische spleet en zich binden aan een receptormolecuul op de motorische eindplaat. De motorische eindplaat bezit junctionele plooien – plooien in het sarcolemma die een groot oppervlak creëren voor de neurotransmitter om zich te binden aan receptoren. De receptoren zijn in feite natriumkanalen die zich openen om de doorgang van Na+ in de cel mogelijk te maken wanneer zij neurotransmittersignaal ontvangen.
Acetylcholine (ACh) is een neurotransmitter die door motorneuronen wordt vrijgegeven en die bindt aan receptoren in de motor eindplaat. Het vrijkomen van neurotransmitters vindt plaats wanneer een actiepotentiaal zich langs het axon van het motorneuron verplaatst, hetgeen resulteert in een veranderde permeabiliteit van het synaptische eindmembraan en een instroom van calcium. De Ca2+-ionen zorgen ervoor dat synaptische blaasjes zich kunnen verplaatsen naar en binden met het presynaptische membraan (op het neuron), waardoor neurotransmitter vrijkomt uit de blaasjes in de synaptische spleet. Eenmaal vrijgemaakt door de synaptische terminal, verspreidt ACh zich over de synaptische spleet naar de motorische eindplaat, waar het bindt met ACh-receptoren. Wanneer een neurotransmitter bindt, openen deze ionenkanalen zich, en Na+-ionen steken het membraan over naar de spiercel. Hierdoor vermindert het spanningsverschil tussen de binnen- en buitenkant van de cel, wat depolarisatie wordt genoemd. Aangezien ACh bindt aan de motorische eindplaat, wordt deze depolarisatie een eindplaatpotentiaal genoemd. De depolarisatie verspreidt zich vervolgens langs het sarcolemma, waardoor een actiepotentiaal ontstaat als natriumkanalen die grenzen aan de initiële depolarisatieplaats de verandering in spanning detecteren en openen. De actiepotentiaal verplaatst zich over de gehele cel, waardoor een golf van depolarisatie ontstaat.
ACh wordt door het enzym acetylcholinesterase (AChE) afgebroken in acetyl en choline. AChE bevindt zich in de synaptische spleet en breekt ACh af, zodat het niet gebonden blijft aan ACh-receptoren, hetgeen ongewenste uitgebreide spiercontractie zou veroorzaken (figuur 6.9).
Figuur 6.9. Dit diagram toont de excitatie-contractie koppeling in een skeletspiercontractie. Het sarcoplasmatisch reticulum is een gespecialiseerd endoplasmatisch reticulum dat in spiercellen wordt aangetroffen.
Uitoefening
Het dodelijke zenuwgas Sarin remt onomkeerbaar acetylcholinesterase. Welk effect zou Sarin hebben op het samentrekken van de spieren?
Na depolarisatie keert het membraan terug naar zijn rusttoestand. Dit wordt repolarisatie genoemd, waarbij spanningsgevoelige natriumkanalen sluiten. De kaliumkanalen gaan door op 90% geleiding. Omdat de natrium-kalium ATPase van het plasmamembraan altijd ionen transporteert, wordt de rusttoestand (negatief geladen binnenkant ten opzichte van de buitenkant) hersteld. De periode onmiddellijk na de transmissie van een impuls in een zenuw of spier, waarin een neuron of spiercel weer in staat is een nieuwe impuls door te geven, wordt de refractaire periode genoemd. Tijdens de refractaire periode kan het membraan geen nieuwe actiepotentiaal genereren. De refractaire periode stelt de spanningsgevoelige ionenkanalen in staat terug te keren naar hun rustconfiguraties. De natrium-kalium ATPase verplaatst voortdurend Na+ terug uit de cel en K+ terug in de cel, en het K+ lekt weg met achterlating van negatieve lading. Zeer snel repolariseert het membraan, zodat het weer gedepolariseerd kan worden.