RBwkyn1aBYvyM
Grafika przedstawia model człowieka z widocznymi wszystkimi mięśniami. Model ten opiera swój dolny odcinek pleców na czerwonej piłce. Jego ręce są założone z tyłu głowy, a nogi zgięte w kolanach.

Układ mięśniowy

Skurcz mięśnia polega na przesuwaniu się względem siebie filamentów cienkich (aktynowych) i grubych (miozynowych).
Źródło: Pixabay, domena publiczna.

Mechanizm skurczu mięśnia

Twoje cele
  • Wyjaśnisz związek budowy włókna mięśniowego poprzecznie prążkowanego ze zdolnością do skurczu.

  • Wyjaśnisz, na podstawie schematu, molekularny mechanizm skurczu mięśnia.

  • Przedstawisz sposoby pozyskiwania ATP niezbędnego do skurczu mięśnia.

Dzięki skurczom mięśni poprzecznie prążkowanych szkieletowych odbywa się świadomy, zależny od woli ruch ciała człowieka. Jest to skomplikowany proces, który wymaga dużego nakładu energii. Skąd mięśnie ją czerpią? Jak przebiega skurcz włókien mięśniowych?

Teoria ślizgowa

Mechanizm skurczu mięśnia szkieletowego tłumaczy teoria ślizgowa, według której miofilamenty aktynowe wślizgują się pomiędzy miofilamenty miozynowe.

Wzajemne przesuwanie się względem siebie miofilamentów cienkich i grubych powoduje, że sarkomerysarkomersarkomery się skracają, przy czym widoczne jest jedynie skracanie prążków jasnych, a długość ciemnych nie ulega zmianie.

sarkomer
R1CCYJV5gqJr11
Na grafice przedstawiono schematy oraz zdjęcia z mikroskopu sarkomerów w sytuacji mięśnia rozkurczonego, kurczącego się i całkowicie skurczonego. W mięśniu rozkurczonym naprzemiennie leżące filamenty budujące sarkomer są rozsunięte, w centrum sarkomeru znajduje się linia M, a na jego brzegach linie Z. Na zdjęciu z mikroskopu przedstawiającym szare prążkowania filamentów widoczne są przejaśnienia w miejscach, gdzie filamenty nie zachodzą na siebie i zaciemnienia w miejscach, gdzie zachodzą. W mięśniu kurczącym się linie Z sarkomeru zbliżają się do siebie, filamenty zaczynają wsuwać się między siebie. Na zdjęciu mikroskopowym obszary z przejaśnieniami zmniejszają swój rozmiar. W mięśniu całkowicie skurczonym filamenty są całkowicie wsunięte między siebie, a na zdjęciu mikroskopowym brak widocznych przejaśnień.
Podczas skurczu mięśnia błony graniczne (oznaczone literami Z) zbliżają się do siebie, ponieważ włókna aktyny (oznaczone kolorem pomarańczowym) wsuwają się pomiędzy włókna miozyny (oznaczone kolorem fioletowym). W mięśniu całkowicie skurczonym filamenty grube i cienkie pokrywają się, przez co sarkomer jest krótszy.
Źródło: Englishsquare Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Molekularny mechanizm skurczu mięśnia

Wyróżnia się sześć faz skurczu mięśnia.

Faza I

Impuls z ośrodkowego układu nerwowego dociera do błony komórki mięśniowej za pośrednictwem neuronu ruchowego, którego akson tworzy połączenie z komórką mięśniową w postaci synapsy nerwowo‑mięśniowej, tzw. płytki motorycznej (ruchowej).

Faza II

W płytce motorycznej uwalniana jest acetylocholinaacetylocholinaacetylocholina, która powoduje depolaryzacjędepolaryzacjadepolaryzację błony włókna mięśniowego.

Faza III

Depolaryzacja rozprzestrzenia się do kanalików Tkanalik Tkanalików T, wskutek czego  z przylegających do nich cystern siateczki sarkoplazmatycznej do sarkoplazmy zostają uwolnione jony wapnia.

Faza IV

Jony wapnia są wiązane przez kompleks białkowy troponinatroponinatroponina-tropomiozynatropomiozynatropomiozyna, co powoduje odsłonięcie centrów aktywnych w aktynie, do których mogą się przyłączyć główki miozyny zawierające cząsteczkę ATP.

Faza V

Po zetknięciu się aktyny z miozyną następuje hydroliza ATP do ADP i reszty fosforanowej.

Faza VI

ADP i reszta fosforanowa zostają odłączone od główki miozyny, co skutkuje ruchem główki miozyny o 50Indeks górny o i przesunięciem miofilamentu cienkiego bliżej środka sarkomeru o ok. 10 nm.

acetylocholina
depolaryzacja
kanalik T
troponina
tropomiozyna
RzJC2XjlgyCAj
Fazy skurczu i rozkurczu. W trakcie rozkurczu kompleks troponina-tropomiozyna zasłania miejsce aktywne aktyny, przez co tzw. głowa miozyny nie może związać się z aktyną. W momencie skurczu uwolnione jony wapnia wywołują zmianę ustawienia kompleksu troponina-tropomiozyna na aktynie i odsłonięcie jej miejsca aktywnego, co umożliwia wytworzenie wiązania pomiędzy aktyną i miozyną.
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Ciekawostka

Stężenie pośmiertne to zesztywnienie mięśni w wyniku zatrzymania metabolizmu i ustania reakcji regeneracji ATP w miocytach. Dochodzi do trwałego połączenia główek miozyny z mikrofilamentami aktynowymi. Stężenie pośmiertne ustępuje po pewnym czasie w wyniku rozkładu białek mięśniowych.

bg‑azure

Przeanalizuj animację przedstawiającą interakcje między miozyną i aktyną w skurczu włókna mięśniowego, a następnie rozwiąż polecenia poniżej.

1
Polecenie 1
R1X43C4BH2HDT1
Animacja opisuje interakcje między miozyną a aktyną w skurczu włókna mięśniowego.

Przeanalizuj opis animacji przedstawiającej interakcje między miozyną i aktyną w skurczu włókna mięśniowego, a następnie rozwiąż polecenie poniżej.

Symulacja interaktywna przedstawia interakcje między miozyną i aktyną w skurczu włókna mięśniowego. Po naciśnięciu dużego przycisku Start uruchamia się. Pojawia się sekwencja plansz. Pierwsza plansza przedstawia cząsteczkę miozyny, którą stanowi dość gruby przewód, podpis. filament gruby, zakończony z obu stron wieloma zaokrąglonymi wypustkami. Wzdłuż przewodu, nad nim i pod nim, ciągną się dwie linie złożone z kół ułożonych według schematu: dwa dwa jeden dwa dwa i tak dalej, podpis, filament cienki. Druga plansza to zbliżenie pierwszej. Filament cienki okazuje się być dwuniciową spiralą, złożoną z wielu pomarańczowych kulek. Pośrodku każdej z nich znajduje się ciemna plamka. Poniżej ukazany jest filament gruby z jedną wypustką, która jest pochylona w prawo pod kątem 50 stopni w stosunku do niego. Podpis, główka miozyny, konfiguracja niskoenergetyczna. Z główką połączona jest wieloramienna gwiazda podpisana ATP. Tekst odczytywany przez lektora: Opis przebiegu zmian w cząsteczce miozyny warto rozpocząć od momentu wiązania cząsteczki ATP z główką miozyny. Główka miozyny znajduje się wówczas w konfiguracji niskoenergetycznej. W lewym górnym rogu ekranu pojawia się przycisk Wróć do początku slajdu, symbolizowany przez strzałkę zakręconą w niedomknięty okrąg. Oznacza Powtórz slajd. U dołu znajdują się dwie strzałki, skierowana w lewo, oznacza Poprzedni slajd, a strzałka skierowana w prawo oznacza Następny slajd. Po naciśnięciu strzałki Następny slajd uruchamia się animacja. Gwiazda podpisana ATP znika, a w jej miejscu pojawiają się dwa koła. Pierwsze jest większe i podpisane ADP. Drugie jest mniejsze, podpisane P. Po chwili miozyna opada i układa się równolegle do filamentu grubego. Podpis, główka miozyny, konfiguracja wysokoenergetyczna. Tekst odczytywany przez lektora: Następuje hydroliza ATP, główka łańcucha miozyny połączona jest więc z częściowo zdysocjowaną cząsteczką ATP, czyli ADP i resztą fosforanową. Miozyna znajduje się w konfiguracji wysokoenergetycznej. Po naciśnięciu strzałki Następny slajd uruchamia się kolejna animacja. Pojawiają się dodatkowe opisy. Kulki tworzące spiralę, czyli filament cienki to aktyna, a ciemne plamki znajdujące się na ich powierzchni to miejsca wiążące aktyny. Po chwili główka miozyny unosi się do pozycji pionowej i łączy z aktyną, przylegając do miejsca wiążącego. Przestrzeń między aktyną a miozyną to mostek poprzeczny. Następnie koła podpisane ADP i P odłączają się, a główka miozyny opada na lewą stronę, układając się pod kątem 50 stopni względem filamentu dużego, podpis, główka miozyny, konfiguracja niskoenergetyczna. Tekst odczytywany przez lektora: Główka miozyny łączy się z aktyną, tworząc mostek poprzeczny. Połączenie główki miozyny z aktyną powoduje zmianę sił wewnątrzcząsteczkowych pomiędzy główką i ramieniem łańcucha ciężkiego miozyny. Następuje wówczas uwolnienie reszty fosforanowej i odłączenie ADP, zgięcie główki miozyny, a następnie przesunięcie aktyny względem miozyny. Kąt pomiędzy główką miozyny i jej łańcuchem lekkim zmienia się z 90 do 50 stopni. Miozyna powraca do konfiguracji niskoenergetycznej. Po naciśnięciu strzałki Następny slajd uruchamia się animacja. Pojawia się wieloramienna gwiazda podpisana ATP. Przysuwa się do złączonych ze sobą aktyny i miozyny, a następnie je rozdziela. Po chwili główka miozyny opada na prawą stronę i zawisa pod kątem 50 stopni w stosunku do filamentu grubego, podpis, główka miozyny, konfiguracja niskoenergetyczna. Tekst odczytywany przez lektora: Przyłączenie kolejnej cząsteczki ATP uwalnia główkę miozyny od aktyny. Zaczyna się nowy cykl. Po naciśnięciu strzałki Następny slajd uruchamia się animacja. Na ekranie znajdują się cztery długie prostokąty zakończone po obu stronach wypustkami, podpis, filament gruby. Zakończenie każdego filamentu otacza ramka utworzona z pomarańczowych kółek, podpis, filament cienki. Po chwili wypustki zaczynają rytmicznie się poruszać, przesuwając ramkę ku środkowi. Następnie animacja zatrzymuje się i ramka ponownie się rozsuwa. Koniec symulacji.

Polecenie 2
R13EHGUF63HXG
Napisz, co wywołuje wsuwanie się filamentów cienkich (aktynowych) pomiędzy filamenty grube (miozynowe) i co jest potrzebne, żeby ten proces zaszedł. (Uzupełnij).
Polecenie 3
R1ZULTD94T3HL
Określ przyczynę przejścia główki miozyny z konfiguracji niskoenergetycznej w wysokoenergetyczną. (Uzupełnij).
bg‑azure

Specyfika skurczu mięśnia gładkiego i poprzecznie prążkowanego serca

R1BroJCdJY95R1
Komórki tkanki mięśniowej gładkiej w powiększeniu 400×.
Źródło: Berkshire Community College Bioscience Image Library, Wikimedia Commons, licencja: CC 0 1.0.

Mięśnie gładkie występują w ścianach większości narządów wewnętrznych, tworząc pasma lub warstwy. Ułożone są podłużnie bądź okrężnie. Mechanizm ich skurczu jest podobny do mechanizmu w tkance mięśniowej prążkowanej, ponieważ aparat kurczliwy tworzą białkowe włókienka aktynowe i miozynowe (jest ich jednak kilkakrotnie mniej niż we włóknach mięśni poprzecznie prążkowanych).

Komórki mięśnia sercowego (kardiocyty, kardiomiocyty) cechuje poprzeczne prążkowanie wynikające ze zorganizowania białek kurczliwych w sarkomery. Są one jednak węższe niż miocyty tkanki szkieletowej, a ich jądra komórkowe położone są w centrum włókna, a nie na obwodzie. Dzięki licznym połączeniom komunikacyjnym łączącym kardiocyty ze sobą, przekazywanie pobudzenia między komórkami zachodzi bardzo szybko, dzięki czemu miocyty poszczególnych części mięśnia sercowego pracują synchronicznie w określonych fazach cyklu pracy serca.

RimzULWui50pb
Komórki mięśnia sercowego.
Źródło: Dr. S. Girod, Anton Becker, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 3.0.

Źródła energii do skurczu mięśnia

Skurcz mięśnia jest procesem energochłonnym, wymagającym stałych dostaw ATP. Komórki mięśniowe pozyskują ATP w wyniku:

  • defosforylacji fosfokreatyny

  • utleniania glukozy w procesach oddychania tlenowego i beztlenowego,

  • utleniania kwasów tłuszczowych w procesach oddychania tlenowego.

bg‑azure

Obejrzyj film o przemianach energetycznych zachodzących podczas skurczu mięśni. Zwróć uwagę na: (1) procesy chemiczne, dzięki którym komórki mięśniowe wytwarzają ATP potrzebne do skurczu oraz (2) związki chemiczne pełniące rolę paliwa energetycznego w tych procesach. Po obejrzeniu filmu wykonaj polecenie 4 i 5.

R1L1XJPMHJGPC1
Film pod tytułem "Przemiany biochemiczne zachodzące w mięśniach w czasie skurczu".
Polecenie 4

Skurcz mięśnia szkieletowego jest procesem aktywnym i wymaga nakładu energii, której bezpośrednim źródłem jest ATP. Zapas ATP w wypoczętym mięśniu wystarcza na ok. 1–2 s, dlatego ten związek musi być stale odnawiany. Zmęczenie mięśni, poza subiektywnym odczuciem, przejawia się spadkiem szybkości i siły ich skurczu. Mechanizm zmęczenia mięśni nie został w pełni wyjaśniony, ale decydującą rolę wydają się odgrywać dwa czynniki: kumulacja protonów (spadek pH) w sarkoplazmie włókien mięśniowych oraz spadek zawartości ATP na skutek znacznej przewagi jego zużycia nad produkcją.
Indeks dolny Na podstawie: Fizjologia człowieka z elementami fizjologii stosowanej i klinicznej, pod red. W.Z. Traczyka i A. Trzebskiego, Warszawa 2001. Indeks dolny koniec

R1JR3QHULksyY
Łączenie par. Oceń, czy poniższe informacje dotyczące procesów zachodzących podczas skurczu mięśnia szkieletowego są prawdziwe. Następnie obejrzyj film pt. Przemiany biochemiczne zachodzące w mięśniach w czasie skurczu i sprawdź, czy twoja ocena została dokonana na podstawie poprawnie wyciągniętych wniosków.. Grupy fosforanowej niezbędnej do odtworzenia ATP we włóknie 1. mięśniowym pracującego mięśnia może dostarczyć bezpośrednio fosfokreatyna.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. ATP we włóknach mięśnia szkieletowego jest odtwarzany wyłącznie w procesie glikolizy.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. ATP we włóknach mięśnia szkieletowego jest odtwarzany m.in. przez fosforylację oksydacyjną.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Źródło: CKE, domena publiczna.
R1AYryhQOpc1V
Łączenie par. Oceń, czy poniższe informacje dotyczące procesów zachodzących podczas skurczu mięśnia szkieletowego są prawdziwe. Następnie zapoznaj się z filmem pt. Przemiany biochemiczne zachodzące w mięśniach w czasie skurczu i sprawdź, czy twoja ocena została dokonana na podstawie poprawnie wyciągniętych wniosków.. Fosfokreatyna może bezpośrednio dostarczyć grupy fosforanowej niezbędnej do odtworzenia ATP we włóknie I mięśniowym pracującego mięśnia.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. We włóknach mięśnia szkieletowego ATP jest odtwarzany wyłącznie w procesie glikolizy.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Adenozyno‑5'-trifosforan (ATP) we włóknach mięśnia szkieletowego jest odtwarzany m.in. przez fosforylację oksydacyjną.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Polecenie 5
RiVrN2kPzdbiw
Wyjaśnij, dlaczego dopiero po 20 minutowej aktywności nasz organizm zaczyna spalać tłuszcz. (Uzupełnij).
bg‑azure

Rodzaje włókien mięśniowych

W mięśniach poprzecznie prążkowanych (szkieletowych) występują trzy typy włókien: czerwone, pośrednie i białe.

We włóknach czerwonych siła skurczu narasta powoli. Wykazują one dużą odporność na zmęczenie. Zawierają dużo mioglobiny, dlatego są intensywnie czerwone. ATP powstaje w nich w procesie oddychania tlenowego, dlatego też nazywane są włóknami oksydacyjnymi. Włókna te wykorzystywane są przy długotrwałym, ale umiarkowanym wysiłku, stąd występują w większych ilościach w mięśniach posturalnych, a także w mięśniach maratończyków czy kolarzy.

Włókna białe, nazywane również glikolitycznymi pozyskują energię w procesie oddychania beztlenowego. Są jaśniejsze od włókien czerwonych, ponieważ zawierają mniej mioglobiny. Znajduje się w nich dużo glikogenu, który podczas wysiłku, w procesie glikogenolizy, jest rozkładany do glukozy. Włókna białe kurczą się silnie i szybko, ale także szybko się męczą. Są gorzej przystosowane do długotrwałego wysiłku – organizm wykorzystuje je przy wysiłku intensywnym, ale krótkotrwałym. Sportowcy uprawiający np. sprinty i dyscypliny siłowe mają te włókna silnie rozbudowane.

Włókna pośrednie mają cechy zarówno włókien białych, jak i czerwonych.

Podsumowanie

  • Skurcz mięśnia zachodzi dzięki współpracy dwóch rodzajów filamentów miozynowych i aktynowych.

  • Podczas skurczu główki miozyny przesuwają filamenty aktynowe, co skraca sarkomer i powoduje skrócenie całego mięśnia.

  • Molekularny mechanizm skurczu mięśnia:
    1) Impuls nerwowy dociera do płytki motorycznej i powoduje uwolnienie acetylocholiny, która wywołuje depolaryzację błony mięśnia.
    2) Depolaryzacja powoduje uwolnienie jonów wapnia (Ca²⁺) z siateczki sarkoplazmatycznej.
    3) Jony wapnia odsłaniają miejsca aktywne na aktynie.
    4) Główki miozyny, korzystając z energii ATP, łączą się z aktyną i przesuwają filamenty, co prowadzi do skurczu mięśnia.

  • Kolejność spalania źródeł energii: ATP → fosfokreatyna → glukoza → tłuszcze.

Ćwiczenia utrwalające

RJC5dKDDxsENK
Ćwiczenie 1
Przyporządkuj podanym sformułowaniom odpowiadające im definicje. Acetylocholina Możliwe odpowiedzi: 1. Białko o strukturze włókienkowej będące głównym składnikiem białek mięśniowych, budujące filamenty grube., 2. Białko o strukturze włókienkowej lub globularnej, budujące filamenty cienkie miofibryli oraz mikrofilamenty., 3. Fosfagen występujący w tkankach kręgowców., 4. Ester choliny i kwasu octowego, chemiczny przekaźnik impulsów w układzie nerwowym. Fosfokreatyna Możliwe odpowiedzi: 1. Białko o strukturze włókienkowej będące głównym składnikiem białek mięśniowych, budujące filamenty grube., 2. Białko o strukturze włókienkowej lub globularnej, budujące filamenty cienkie miofibryli oraz mikrofilamenty., 3. Fosfagen występujący w tkankach kręgowców., 4. Ester choliny i kwasu octowego, chemiczny przekaźnik impulsów w układzie nerwowym. Miozyna Możliwe odpowiedzi: 1. Białko o strukturze włókienkowej będące głównym składnikiem białek mięśniowych, budujące filamenty grube., 2. Białko o strukturze włókienkowej lub globularnej, budujące filamenty cienkie miofibryli oraz mikrofilamenty., 3. Fosfagen występujący w tkankach kręgowców., 4. Ester choliny i kwasu octowego, chemiczny przekaźnik impulsów w układzie nerwowym. Aktyna Możliwe odpowiedzi: 1. Białko o strukturze włókienkowej będące głównym składnikiem białek mięśniowych, budujące filamenty grube., 2. Białko o strukturze włókienkowej lub globularnej, budujące filamenty cienkie miofibryli oraz mikrofilamenty., 3. Fosfagen występujący w tkankach kręgowców., 4. Ester choliny i kwasu octowego, chemiczny przekaźnik impulsów w układzie nerwowym.
RB4Q4U1GPA5OP
Ćwiczenie 2
Uporządkuj wymienione poniżej źródła energii w kolejności odpowiadającej faktycznemu wykorzystywaniu ich przez pracujący mięsień. Elementy do uszeregowania: 1. ATP, 2. rozkład węglowodanów, 3. rozkład lipidów, 4. fosfokreatyna
Ćwiczenie 2
R94HRB3QSPZAG
Ćwiczenie 3
RJD1NR62COQ5T
Zaznacz zdania prawdziwe: Możliwe odpowiedzi: 1. Jednostką strukturalną i funkcjonalną włókna mięśniowego, odpowiedzialną na jego skurcz, jest sarkomer., 2. Skurcz mięśnia szkieletowego tłumaczy teoria ślizgowa, według której miofilamenty miozynowe wślizgują się pomiędzy miofilamenty aktynowe., 3. Wsuwanie się włókien wymaga dostarczenia jonów magnezu oraz energii chemicznej w postaci ATP., 4. Źródłem ATP dla komórki są fosfokreatyna i glikogen.
Polecenie 6

Wróć do polecenia na stronie „Na dobry początek” i dopisz brakujące definicje. Pamiętaj, żeby nie kopiować słownika, ale wyjaśnić każde słowo kluczowe w miarę możliwości swoimi słowami.