İskelet Kası Kasılması Nasıl Gerçekleşir?

Kasılmanın temel amacı ve kasılma türleri

Kasılmanın temel amacı, kas liflerinde gerilim oluşturarak bir kuvvet meydana getirmektir. Bu kuvvet bağ dokuları aracılığıyla kemiklere aktarılır ve iskeletin hareket etmesini sağlar. Kasılma sözcüğü her zaman kasın mutlaka kısalması anlamına gelmez; kas, uzunluğu değişmeden de gerilim üretebilir. Bunun nedeni, aktin ve miyozin arasındaki etkileşimin önce kuvvet oluşturması, kasın dış yükü yenip yenememesinin ise ayrı bir durum olmasıdır.

Kasın kısaldığı kasılmaya konsantrik kasılma, gerilim sürerken kasın uzadığı kasılmaya eksantrik kasılma denir. Örneğin bir nesneyi kaldırırken kasın kısalması konsantrik duruma, kontrollü biçimde indirirken gerilim altında uzaması eksantrik duruma örnektir. Kasın uzunluğu yaklaşık sabit kalırken gerilim oluşturması ise izometrik kasılmadır; sabit duran ağır bir çantayı düşürmeden elde tutmak buna örnektir. İzotonik ifadesi, kasın yükü hareket ettirerek uzunluğunu değiştirdiği durumu anlatır; bu terimler arasındaki ayrıntılı fizyoloji ayrı bir konudur. Kasın oluşturduğu gerilim, aktinle bağlanan miyozin başlarının sayısı ve bu başların çekme etkisiyle ilişkilidir. Daha fazla çapraz-köprü oluştuğunda daha fazla miyozin başı aktini çeker ve gerilim artar.

Nöromüsküler bileşkede uyarının başlatılması

Nöromüsküler bileşke, bir motor sinir hücresinin ucuyla iskelet kası lifinin hücre zarı olan sarkolemmanın karşılaştığı bağlantı bölgesidir. Motor sinir boyunca ilerleyen aksiyon potansiyeli sinir ucuna ulaştığında, sinir ucundaki kalsiyum kanalları açılır. Kalsiyumun sinir ucuna girmesi, asetilkolin adlı nörotransmitterin sinaptik aralığa bırakılmasını başlatır.

Asetilkolin kas hücresinin sarkolemmasındaki reseptörlere bağlanınca kas hücresinin zarında iyon hareketi meydana gelir ve kas aksiyon potansiyeli oluşur. Böylece sinirsel elektriksel uyarı, kas lifinin kendi elektriksel sinyaline çevrilir. Bu sinyal sarkolemma boyunca yayılır ve kasılmayı başlatacak hücre içi mekanizmayı harekete geçirir. Asetilkolin etkisini kaybettiğinde yeni uyarı oluşması durur; ancak kasın gevşemesi için hücre içindeki kalsiyumun da uzaklaştırılması gerekir.

Uyarılma-kasılma eşleşmesi ve kalsiyum salınması

Uyarılma-kasılma eşleşmesi, kas hücresindeki elektriksel uyarının kasılma hareketine bağlanmasıdır. İskelet kası lifleri uzun ve silindir biçimindeki hücrelerdir; sarkolemma boyunca ilerleyen uyarının hücrenin derin bölgelerine ulaşması için zarın içeri doğru uzanan T-tübülleri görev yapar. Bu yapı sayesinde yalnızca hücrenin yüzeyi değil, iç kısımlarındaki miyofibriller de aynı uyarıya kısa sürede yanıt verebilir.

Aksiyon potansiyeli T-tübüller boyunca ilerlediğinde, bu tüplerin çevresindeki voltaj değişimine duyarlı proteinler etkinleşir. Bu proteinler, kalsiyum depolayan özel endoplazmik retikulum olan sarkoplazmik retikulumdaki kalsiyum salınım kanallarını açacak biçimde çalışır. Bunun sonucunda sarkoplazmaya, yani kas hücresinin sitoplazmasına, hızla kalsiyum iyonları bırakılır. Böylece zar üzerindeki elektriksel olay, aktin ve miyozin proteinlerinin etkileşebileceği kimyasal bir sinyale dönüşür.

Örneğin kolu bükmek için motor sinirden gelen tek bir uyarı, sinir ucunda asetilkolin salınmasını ve kas lifinde aksiyon potansiyeli oluşmasını başlatır. Bu aksiyon potansiyeli T-tübüllere ulaştığında sarkoplazmik retikulumdan kalsiyum çıkar; kalsiyum daha sonra troponine bağlanarak aktin üzerindeki bağlanma bölgelerinin kullanılabilir hâle gelmesine yardım eder. Uyarı sürerse bu süreç art arda tekrarlanır ve tek tek kas liflerinde kasılma yanıtları oluşur.

Troponin ve tropomiyozinin aktin-miyozin etkileşimini düzenlemesi

Dinlenme hâlindeki bir iskelet kası lifinde aktin üzerinde miyozin başlarının bağlanabileceği bölgeler tropomiyozin tarafından örtülür. Troponin ise tropomiyozinle ilişkili düzenleyici protein kompleksidir. Bu düzenek, sinyal yokken aktin ile miyozinin sürekli ve kontrolsüz biçimde birbirine bağlanmasını önler.

Sarkoplazmik retikulumdan çıkan kalsiyum iyonları troponinin uygun alt birimine bağlandığında troponin kompleksinin biçimi değişir. Bu değişiklik tropomiyozinin aktin üzerindeki konumunu değiştirerek miyozin bağlanma bölgelerini açar. Artık ATP hidrolizini gerçekleştirmiş, ADP ve inorganik fosfat taşıyan yüksek enerjili miyozin başları aktine bağlanabilir ve çapraz-köprü döngüsü başlayabilir. Kalsiyumun miktarı ve uyarının tekrarlanma sıklığı, aynı anda erişilebilir hâle gelen bağlanma bölgelerinin ve etkin çapraz-köprülerin sayısını etkileyebilir.

Örneğin bir merdiven basamağına çıkarken bacak kasına gelen uyarı, bu düzenleyici sistemi harekete geçirir. Kalsiyum troponine bağlanmadan tropomiyozin yerinde kalır ve miyozin aktine etkili biçimde tutunamaz; kalsiyumun artmasıyla aktin üzerindeki bölgeler açılır ve miyozin başları çekme hareketlerine başlayabilir. Bu nedenle kalsiyum, kasılma sinyalinin aktin-miyozin düzeyindeki doğrudan başlatıcısıdır.

Aktin-miyozin çapraz-köprü döngüsü ve ATP kullanımı

Çapraz-köprü döngüsü, miyozin başlarının aktine bağlanıp aktini çekmesi, ayrılması ve yeniden bağlanmaya hazırlanması sırasında tekrarlanan mekanik ve kimyasal olaylar dizisidir. Miyozin başı ATP ve onun parçalanma ürünleriyle çalışır. ATP, başın aktinden ayrılmasını sağlar; ardından ATP'nin parçalanmasıyla açığa çıkan enerji miyozin başını yüksek enerjili, yeniden çekmeye hazır konuma getirir.

Döngünün bir aşamasında enerji yüklü miyozin başı aktin üzerindeki açık bağlanma bölgesine tutunur ve çapraz-köprü oluşur. Fosfatın ayrılması, miyozin başının dönerek aktin iplikçiğini sarkomerin merkezine, yani M çizgisine doğru çekmesine yol açar. Bu çekme hareketine güç vuruşu denir. Daha sonra yeni bir ATP miyozine bağlanır; miyozin aktinden ayrılır. ATP yeniden ADP ve inorganik fosfata parçalanınca baş tekrar kurulu konuma geçer ve yeni bir aktin bölgesine bağlanmaya hazır olur.

Bu döngü tek bir miyozin başında yalnızca bir kez gerçekleşmez. Kalın iplikçiklerde çok sayıda miyozin başı ve kas lifinde çok sayıda sarkomer bulunduğundan, başlar farklı zamanlarda bağlanıp ayrılır. Böylece aktin iplikçikleri sürekli ve küçük adımlarla merkeze doğru çekilir. Örneğin bir kitabı kaldırırken kol kasındaki sarkomerlerde bu döngülerin çok büyük bir toplamı, kemiği hareket ettirecek gerilimi oluşturur. ATP bulunmadığında miyozin aktinden ayrılamaz; bu durum, ölümden sonra ATP üretiminin durmasıyla görülen kas sertliğinin temel nedenidir.

Sarkomerin kayma iplikçikleri modeli

Sarkomer, iskelet kası lifinin kasılabilen temel birimidir. Z diskleri arasında yer alır ve ince aktin iplikçikleri ile kalın miyozin iplikçiklerinin düzenli dizilmesinden oluşur. Çok sayıda sarkomer art arda sıralanarak miyofibrilleri, miyofibriller de kas liflerini meydana getirir. Bu düzen, kasın çizgili görünümünün temelidir.

Sarkomerin kısalması ve gerilim oluşumu

Kayma iplikçikleri modeline göre kasılma sırasında aktin ve miyozin iplikçikleri kısalmaz; aktin iplikçikleri miyozin iplikçikleri boyunca sarkomerin merkezine doğru kayar. Miyozin başlarının güç vuruşları aktini sarkomerin merkezine, M çizgisine doğru çeker. Bunun sonucunda iki Z diski birbirine yaklaşır ve sarkomerin boyu kısalır. Çok sayıda sarkomer aynı yönde kısaldığında miyofibril, kas lifi ve sonunda bütün kas kısalabilir.

Kasın oluşturduğu gerilim, kalın ve ince iplikçiklerin örtüşme bölgesinde kaç çapraz-köprünün kurulabildiğiyle ilişkilidir. Örtüşme yeterli olduğunda daha çok miyozin başı aktine bağlanır ve daha fazla çekme kuvveti ortaya çıkar. Sarkomer aşırı gerilirse iplikçiklerin örtüşmesi azalır; aşırı kısalırsa da etkili örtüşme düzeni bozulabilir. Bu iki durumda daha az çapraz-köprü kurulabildiği için gerilim düşer. Örneğin normal uzunluğundaki bir sarkomer, aktin ve miyozinin uygun ölçüde örtüştüğü için kuvvet üretmeye elverişlidir; iplikçikler birbirinden tamamen ayrılacak kadar gerilirse miyozin aktine bağlanamaz ve gerilim oluşamaz.

Gevşeme ve kalsiyumun yeniden depolanması

Kasılmanın sona ermesi için motor sinirden gelen uyarının kesilmesi ve asetilkolinin etkisinin sonlandırılması gerekir. Yeni aksiyon potansiyelleri oluşmadığında sarkoplazmik retikulum kalsiyum salmayı bırakır. Sarkoplazmadaki kalsiyum, ATP kullanan kalsiyum pompalarıyla yeniden sarkoplazmik retikuluma taşınır. Böylece kasılma sırasında kullanılan kalsiyumun hücre içindeki serbest miktarı azalır.

Kalsiyum troponinden ayrıldığında troponin-tropomiyozin düzeni dinlenme konumuna döner ve tropomiyozin aktin üzerindeki miyozin bağlanma bölgelerini yeniden örter. Yeni çapraz-köprülerin kurulması durur. Mevcut miyozin başlarının aktinden ayrılabilmesi de ATP gerektirdiği için gevşeme yalnızca kalsiyumun azalmasına değil, ATP'nin bulunmasına da bağlıdır. Bu olaylar tamamlandığında sarkomerler dış yükün ve esnek yapıların etkisiyle başlangıç uzunluklarına yaklaşır. Kasın tamamen hareketsiz görünmesi de her zaman tüm liflerde hiçbir gerilim olmadığı anlamına gelmez; düşük düzeyli kas tonusu eklemlerin ve duruşun korunmasına katkı sağlar.