Kas Fizyolojisi: Uyarılmadan Kasılma ve Gevşemeye

Kas dokusunun temel özellikleri ve kasılma türleri

Kas dokusu dört temel fizyolojik özelliğe sahiptir. Uyarılabilirlik, kimyasal veya elektriksel bir uyarıya yanıt verebilme; iletkenlik, oluşan elektriksel değişikliği hücre boyunca yayabilme; kasılabilirlik, kimyasal enerjiyi gerilim ve kısalmaya dönüştürebilme; gevşeyebilirlik ise kasılma sonrasında başlangıç durumuna yaklaşabilmedir. İskelet kasında bu özellikler birlikte çalışır: Uyarı sarkolemma boyunca iletilir, hücre içi mekanizmaları başlatır, sarkomerlerde kuvvet oluşur ve uyarı sona erdiğinde kas gevşer.

Kasılma, kasın gerilim üretmesi ve bunun kısalma ile birlikte olup olmamasına göre incelenebilir. İzotonik kasılmada kasın gerilimi yaklaşık olarak korunurken kasın uzunluğu değişir; bir nesneyi kaldırırken kasın kısalması buna örnektir. İzometrik kasılmada ise kas gerilim üretir ancak toplam uzunluğu belirgin biçimde değişmez; sabit bir duvarı itmek veya eldeki bir nesneyi hareket ettirmeden tutmak bu duruma örnektir. Tek bir uyarı kısa süreli bir kasılma yanıtı oluşturabilir; art arda gelen uyarılar ise önceki yanıt sona ermeden yeni gerilimler ekleyebilir.

Kalp ve düz kaslar, iskelet kasından farklı düzenlenir; bu dokuların kendilerine özgü kasılma ve elektriksel özellikleri ayrı başlıklarda ele alınır. Kasın başlangıç uzunluğu ile oluşturabileceği gerilim arasındaki ilişki de kuvvet üretiminin önemli bir belirleyicisidir ve burada yalnızca temel bir çerçeve olarak kullanılır.

İskelet kasının hücresel ve sarkomerik yapısı

İskelet kası lifi, iskelet kasının tek bir hücresidir. Bu hücreler çok çekirdekli, uzun ve büyük yapılardır; hücrenin plazma zarı sarkolemma olarak adlandırılır. Sarkolemma, aksiyon potansiyelinin iletildiği ve kasılmayı başlatan elektriksel değişikliğin yayıldığı yüzeydir. Hücrenin içinde, lif boyunca uzanan çok sayıda miyofibril bulunur. Miyofibriller birbirine paralel yerleştiği için tek tek miyofibrillerin kısalması bütün kas lifinin kısalmasına katkı verir.

Miyofibriller, art arda dizilmiş sarkomerlerden oluşur. İki komşu Z diski arasındaki bölüm bir sarkomerdir ve iskelet kasının temel kasılma birimi olarak kabul edilir. Sarkomerin kalın filamentleri miyozinden, ince filamentleri ise başlıca aktinden oluşur. Kalın filamentler A bandı içinde yer alır; ince filamentler Z diskine bağlanır ve A bandının bir bölümüne doğru uzanır. İnce filamentlerin kalın filamentlerle örtüşmediği merkezi bölge H bölgesidir; M çizgisi ise kalın filamentleri ortada düzenleyen destek proteinlerini taşır. A ve I bantlarının düzenli tekrarı, iskelet kasının çizgili görünümünü oluşturur.

Kasılma sırasında sarkomerin sınırları olan Z diskleri birbirine yaklaşır. Bunun nedeni aktin ve miyozin filamentlerinin yok olması veya kısalması değil, ince filamentlerin kalın filamentler boyunca merkeze doğru kaymasıdır. Örtüşme bölgesinde daha fazla miyozin başının aktine bağlanabilmesi, daha çok çapraz-köprünün aynı anda kuvvet üretmesine izin verir. Örneğin bir kas lifi uyarıldığında yüzlerce ya da binlerce miyofibrildeki sarkomerler benzer yönde kısalır; bu küçük kısalmalar birleşerek bütün lifin ve sonunda kasın çekme kuvvetine dönüşür.

Aktin üzerindeki miyozin bağlanma bölgeleri istirahatte tropomiyozin tarafından kapatılır. Troponin kompleksi aktin ve tropomiyozinle ilişkili alt birimlere ek olarak kalsiyum bağlayan bir alt birim taşır. Kalsiyum troponine bağlandığında tropomiyozinin konumu değişir ve miyozin başlarının aktine erişmesi kolaylaşır. Böylece sarkomerin yapısal düzeni, kalsiyum sinyali ve ATP kullanan miyozin hareketi tek bir mekanik sisteme bağlanır.

Nöromüsküler kavşak ve uyarılma-kasılma eşleşmesi

Nöromüsküler kavşak, bir motor nöronun akson ucu ile iskelet kası lifinin sarkolemması arasındaki özelleşmiş iletişim bölgesidir. Motor nörondaki elektriksel uyarı akson ucuna ulaştığında sinaptik aralığa nörotransmitter salınır. Bu kimyasal sinyal kas lifinin zarında elektriksel bir yanıt başlatır. Yanıt eşik değeri aştığında kas lifi boyunca yayılan aksiyon potansiyeli oluşur.

Aksiyon potansiyeli yalnızca hücre yüzeyinde kalmaz; sarkolemmanın içeri doğru uzanan T tübülleri aracılığıyla lifin derin bölgelerine taşınır. Böylece yüzeyde başlayan uyarı, çok sayıda miyofibrilin yanındaki membran bölgelerine aynı zaman aralığında ulaşır. T tübüllerinin elektriksel değişikliği sarkoplazmik retikulumla bağlantılı düzenleyici mekanizmaları etkiler ve depolanmış kalsiyumun sarkoplazmaya salınmasını başlatır. Bu olay, elektriksel sinyalin doğrudan mekanik kuvvete dönüşmesi değil; elektriksel sinyalin önce kalsiyum sinyaline çevrilmesi anlamına gelir.

Örneğin elin bir nesneye uzanması sırasında motor nöronlar uyarılır, uyarı kavşaktan kas lifine aktarılır ve aynı kas lifinin sarkolemması boyunca yayılır. Ardından sarkoplazmik retikulumdan kalsiyum çıkar; kalsiyum troponin üzerinden aktin bağlanma bölgelerini açar ve miyozin başlarının çalışması başlar. Uyarı sona erdiğinde yeni aksiyon potansiyelleri oluşmaz, kalsiyumun hücre içine geri alınması kolaylaşır ve çapraz-köprü döngüsü durarak gevşeme başlar.

Kalsiyumun kasılma ve gevşemedeki rolü

Kalsiyum, elektriksel uyarı ile aktin-miyozin etkileşimi arasındaki temel düzenleyici iyondur. İskelet kası lifinde kalsiyumun önemli bir bölümü sarkoplazmik retikulum adı verilen hücre içi depolama sisteminde bulunur. Aksiyon potansiyeli T tübüllerine ulaştığında sarkoplazmik retikulum kalsiyum iyonlarını sarkoplazmaya bırakır. Böylece dinlenme sırasında düşük olan hücre içi kalsiyum düzeyi kısa süreli olarak yükselir.

Salınan kalsiyum, ince filament üzerindeki troponin kompleksinin kalsiyum bağlayan alt birimine bağlanır. Troponindeki bu değişiklik tropomiyozinin aktin üzerindeki konumunu değiştirir. İstirahatte miyozin bağlanma bölgelerini örten tropomiyozin geri çekilince miyozin başları aktine bağlanabilir. Sonuçta çapraz-köprü döngüsü başlar ve sarkomerler kuvvet üretir. Kalsiyum burada doğrudan çekme kuvveti oluşturan yapı değildir; kuvvet üreten miyozin başlarının aktine erişimini düzenleyen açma-kapama sinyalidir.

Uyarı kesildiğinde sarkoplazmik retikulum kalsiyum pompalarıyla kalsiyum yeniden depoya alınır. Sitozoldeki kalsiyum düzeyi düşünce troponin üzerindeki kalsiyum azalır ve tropomiyozin aktin bağlanma bölgelerini tekrar örter. Miyozin başları yeni ATP bağlayarak aktinden ayrılır; yeni çapraz-köprülerin oluşması da engellendiği için gerilim azalır. Örneğin tek bir sinirsel uyarının ardından kasın kısa süre kasılıp eski uzunluğuna yaklaşması, kalsiyumun salınması ve sonra geri alınması arasındaki zamansal sıraya dayanır.

Kalsiyumun yeterince hızlı uzaklaştırılamaması, aktin üzerindeki bağlanma bölgelerinin daha uzun süre açık kalmasına ve kasılmanın uzamasına yol açabilir. Buna karşılık kalsiyumun hücre içinden uzaklaştırılması, gevşemenin başlaması için zorunludur. Kalıcı kasılma ve gevşeme dengesi bu nedenle hem zar uyarısına hem de kalsiyumu depolayan ve geri alan hücresel sistemlerin çalışmasına bağlıdır.

Aktin-miyozin çapraz-köprü döngüsü ve ATP kullanımı

Çapraz-köprü döngüsü, miyozin başlarının aktine art arda bağlanıp çekmesi, ayrılması ve yeniden çalışmaya hazırlanmasıdır. Kalsiyum tropomiyozinin konumunu değiştirip aktin bağlanma bölgelerini açtığında, enerji bakımından hazırlanmış miyozin başı aktine bağlanır. Bu bağlanma aktin ile miyozin arasında bir çapraz-köprü oluşturur. Döngünün tekrar tekrar sürmesi, ince filamentlerin sarkomerin merkezine doğru kaymasını ve kasın kuvvet üretmesini sağlar.

Döngünün bir aşamasında miyozin başına bağlı inorganik fosfatın ayrılması, başın dönerek aktini M çizgisine doğru çekmesine yardım eder. Bu hareket güç vuruşudur. Ardından ADP ayrılır; ancak miyozin başı bir süre aktine bağlı kalır. Yeni bir ATP miyozine bağlandığında çapraz-köprü çözülür ve miyozin aktinden ayrılır. ATP, miyozinin kendi ATPaz etkinliğiyle ADP ve inorganik fosfata parçalanınca açığa çıkan enerji miyozin başını yeniden yüksek enerjili, kurulu konuma getirir. Başka bir bağlanma bölgesi uygunsa döngü yeniden başlar.

Her döngüde miyozin başının aynı yönde küçük bir çekme hareketi yapması, çok sayıda başın birlikte çalışmasıyla büyük bir kuvvete dönüşür. Bir kalın filament üzerinde çok sayıda miyozin molekülü ve başı bulunur; aynı süreç bir miyofibrildeki, sonra bir kas lifindeki ve bütün kastaki çok sayıda sarkomerde eş zamanlı yürür. Örneğin bir nesneyi kaldırırken gözlenen kas kısalması, tek bir miyozin başının büyük bir hareketinden değil, binlerce çapraz-köprünün sürekli olarak bağlanıp ayrılmasından kaynaklanır.

ATP iki ayrı iş için gereklidir: Miyozin başını aktinden ayırır ve hidroliz yoluyla onu yeni güç vuruşuna hazırlar. ATP bulunmadığında miyozin aktinden ayrılamaz. Bu nedenle ölümden sonra ATP üretimi durduğunda çapraz-köprüler çözülmeden kalabilir ve kaslarda sertlik ortaya çıkabilir. Normal gevşemede ise hem miyozinin aktinden ayrılması hem de kalsiyumun sarkoplazmik retikuluma geri taşınması ATP gerektirir.

Kas kuvvetinin ve kasılma biçimlerinin düzenlenmesi

Bir kasın oluşturduğu toplam kuvvet, aynı anda etkinleşen kas liflerinin sayısı ve her lifte oluşan çapraz-köprülerin miktarıyla ilişkilidir. Motor ünite, bir motor nöron ile onun uyardığı kas liflerinin tümüdür. Küçük bir kuvvet gerektiğinde daha az motor ünite etkinleşir; daha büyük bir kuvvet gerektiğinde daha fazla motor ünite devreye alınır. Örneğin hafif bir nesneyi kaldırırken kasın yalnızca bir bölümü etkinleşirken ağır bir nesneyi kaldırmada çok daha fazla kas lifi uyarılır.

Tek bir kas lifinde aksiyon potansiyeli oluştuğunda yanıtın temel niteliği bütünüyle ortaya çıkar; toplam kas kuvveti esas olarak kaç lifin uyarıldığı ve uyarıların ne sıklıkta geldiğiyle değiştirilir. Uyarı sıklığı arttığında önceki kasılma tamamlanmadan yeni kalsiyum salınımları gelebilir. Bu durum kasılmaların üst üste binmesine, gerilimin artmasına ve yeterince yüksek sıklıkta sürekli kasılma olan tetanusa yol açabilir. Dinlenim sırasında motor ünitelerin dönüşümlü etkinleşmesi ise düşük düzeyli kas tonusunu korur; böylece eklemlerin dengelenmesine ve postürün sürdürülmesine katkı sağlanır.

Kuvvet üretimi sarkomerin başlangıç uzunluğuna da bağlıdır. Kalın ve ince filamentlerin uygun ölçüde örtüştüğü uzunlukta daha fazla çapraz-köprü kurulabildiği için gerilim en yüksek olur. Sarkomer aşırı gerilirse örtüşme azalır; aşırı kısalırsa da filamentlerin düzenli etkileşimi bozulur ve kuvvet düşer. Bu uzunluk-gerilim ilişkisi, kasın mekanik özelliklerinin temel giriş noktasıdır.

İzometrik kasılmada kas gerilim üretir fakat uzunluk belirgin biçimde değişmez; izotonik kasılmada ise kas kısalabilir veya uzayabilirken yük üzerindeki gerilim daha sabit kalır. Bu ayrım, kasın yalnızca kasılıp kasılmadığını değil, kasılma sırasında mekanik olarak ne yaptığını açıklar.

Kas enerjisi ve yorgunluğun temel fizyolojisi

Kasılmanın devam edebilmesi için ATP sürekli yenilenmelidir. Hazır ATP miktarı kısa süreli mekanik çalışmayı karşılayabilir; ancak çapraz-köprü döngüsü ve kalsiyum pompalarının çalışması sürdükçe ATP tüketimi devam eder. Bu nedenle kas hücresi ATP’yi farklı yollarla yeniden üretir: kısa süreli ve yüksek şiddetli işlerde fosfat aktarım sistemleri, daha uzun süren çalışmalarda glikozun oksijensiz parçalanması, süre uzadıkça ise oksijenli metabolik yollar devreye girer. Bu yolların ortak amacı, miyozin döngüsünü ve gevşeme için gerekli kalsiyum taşınmasını sürdürecek ATP’yi sağlamaktır.

Kas yorgunluğu, kasın aynı uyarıya karşı önceki kadar kuvvet üretememesi olarak düşünülebilir. Bunun temelinde ATP tüketimi ile ATP yenilenmesi arasındaki dengenin zorlanması bulunur. Enerji gereksinimi karşılanamadığında miyozin başlarının döngüsü, kalsiyumun yeniden depolanması ve uyarılma-kasılma eşleşmesi etkilenebilir. Bunun sonucunda aynı sayıda motor ünite etkinleşse bile oluşan gerilim azalabilir ve kasılmayı sürdürmek güçleşir.

Yorgunluk sırasında performansın azalması, tek bir sarkomerin değil, çok sayıdaki sarkomer ve kas lifinin birlikte çalışmasının sonucudur. Her çapraz-köprü küçük miktarda ATP kullandığından bütün kas boyunca eş zamanlı gerçekleşen milyonlarca döngünün enerji ihtiyacı büyür. Kasın çalışması durduğunda ATP üretimi ve kalsiyumun geri alınması gevşemenin temel koşullarını yeniden sağlar. Egzersiz fizyolojisi ve antrenmana bağlı kas uyumları bu temel mekanizmanın ötesinde ayrı bir konudur.