خلاصه فصل ۶ گایتون | انقباض عضله اسکلتی

۱

معماری دستگاه انقباضی

ساختمان عضله و سارکومر

حدود ۴۰٪ وزن بدن را عضله اسکلتی تشکیل می‌دهد. قطر فیبرهای آن معمولاً ۱۰ تا ۸۰ میکرومتر است و هر فیبر از صدها تا هزاران myofibril ساخته شده است.

≈۱۵۰۰Myosin filament در هر myofibril

≈۳۰۰۰Actin filament در هر myofibril

≈۲ μmطول سارکومر در انقباض مؤثر

≈۳٫۹ MDaوزن مولکولی Titin

ساختار عضله اسکلتی از سطح ماکروسکوپی تا سارکومر — شکل ۶ـ۱ ـ سازمان سلسله‌مراتبی عضله تا myofibril و آرایش actin–myosin؛ منشأ نوارهای روشن و تیره عضله مخطط.

ساختار	محتوا/اتصال	نکته
I band	فقط actin	روشن و isotropic
A band	myosin + ناحیه overlap با actin	تیره و anisotropic
Z disk	محل اتصال انتهای actin	دو Z disk مرز یک sarcomere را می‌سازند.
Titin	از Z disk تا thick filament	مانند فنر، myosin و actin را در جای مناسب نگه می‌دارد.
Sarcoplasm	K⁺، Mg²⁺، phosphate، آنزیم‌ها و mitochondria	محیط متابولیک بین myofibrilها

آرایش actin myosin titin در سارکومر — شکل ۶ـ۲ ـ رابطه Titin با thick filament، Z disk و M line؛ Titin هم خاصیت ارتجاعی و هم نقش چارچوبی دارد.

دام نوارها

I band فقط actin دارد، اما A band طول thick filament را نشان می‌دهد و در بخش‌هایی actin و myosin روی هم قرار می‌گیرند.

۲

تحریک به Ca²⁺

T tubule–SR و توالی تحریک تا انقباض

T tubuleها ادامه sarcolemma هستند و AP را به عمق فیبر می‌برند. terminal cisternae شبکه sarcoplasmic reticulum در کنار آن‌ها قرار دارند و ذخیره، آزادسازی و برداشت مجدد Ca²⁺ را تنظیم می‌کنند.

T tubule و sarcoplasmic reticulum — شکل ۶ـ۳ ـ T tubule در مجاورت terminal cisternae قرار دارد؛ این آرایش اجازه می‌دهد پیام الکتریکی سطح سلول سریعاً به دستگاه انقباضی عمقی برسد.

AP در motor nerve به پایانه روی فیبر عضلانی می‌رسد.

Acetylcholine آزاد و acetylcholine-gated cation channels باز می‌شوند.

ورود Na⁺ depolarization موضعی و سپس AP عضله را ایجاد می‌کند.

AP روی sarcolemma و سپس در T tubuleها منتشر می‌شود.

SR مقدار زیادی Ca²⁺ آزاد می‌کند.

Ca²⁺ اتصال actin و myosin را ممکن می‌کند و sliding آغاز می‌شود.

Ca²⁺ با پمپ غشایی SR دوباره به داخل شبکه برده می‌شود و انقباض پایان می‌یابد.

نقطه توقف انقباض

Relaxation صرفاً با «بسته‌شدن کانال» رخ نمی‌دهد؛ برداشت فعال Ca²⁺ از sarcoplasm و بازگرداندن آن به SR عامل مستقیم پایان تعامل actin–myosin است.

۳

مکانیسم مولکولی کوتاه‌شدن

Sliding Filament و معماری Actin–Myosin

حالت استراحت و انقباض سارکومر — شکل ۶ـ۴ ـ در انقباض، thin filamentها به مرکز sarcomere کشیده می‌شوند؛ خود فیلامان‌ها کوتاه نمی‌شوند، بلکه میزان overlap افزایش می‌یابد.

نیروی انقباض از cross-bridgeهای myosin ایجاد می‌شود که thin filament را به سمت مرکز thick filament می‌کشند. هرچه تعداد cross-bridgeهای درگیر بیشتر باشد، نیروی انقباض بیشتر است.

مولکول myosin و thick filament — شکل ۶ـ۵ ـ Myosin از دو heavy chain و چهار light chain تشکیل شده و head آن علاوه بر اتصال به actin، فعالیت ATPase دارد.

جزء	عدد/ساختار	نکته High-yield
Myosin molecule	۲ heavy + ۴ light chain	دو head آزاد دارد.
Myosin filament	≥۲۰۰ myosin molecule	cross-bridgeها از head + arm ساخته می‌شوند.
طول thick filament	≈۱٫۶ μm	در مرکز ≈۰٫۲ μm فاقد head است.
Actin filament	≈۱ μm	F-actin از G-actin ساخته شده است.
فاصله active siteها	≈۲٫۷ nm	روی actin به‌صورت متناوب قرار دارند.

۴

کلید Ca²⁺

Troponin–Tropomyosin و فعال‌شدن Actin

actin tropomyosin troponin و نقش کلسیم — شکل ۶ـ۶ ـ در استراحت tropomyosin روی active siteهای actin قرار دارد؛ Ca²⁺ با اتصال به Troponin C باعث کناررفتن این مهار می‌شود.

زیرواحد	میل اتصال	کارکرد
Troponin I	Actin	جزء مهاری کمپلکس
Troponin T	Tropomyosin	اتصال کمپلکس troponin به tropomyosin
Troponin C	Ca²⁺	شروع تغییر شکل تنظیمی و آشکارشدن active site

هر Troponin C چند Ca²⁺؟

طبق منبع، هر مولکول Troponin C می‌تواند با قدرت به تا ۴ یون Ca²⁺ متصل شود.

دام

Ca²⁺ مستقیماً myosin را در عضله اسکلتی فعال نمی‌کند؛ Ca²⁺ به Troponin C متصل می‌شود، tropomyosin جابه‌جا می‌شود و active siteهای actin در دسترس قرار می‌گیرند.

۵

ماشین مولکولی انقباض

چرخه Cross-Bridge و ATP

Walk-along theory و power stroke — شکل ۶ـ۷ ـ cross-bridgeها مستقل از یکدیگر به actin متصل می‌شوند، power stroke می‌زنند، جدا می‌شوند و دوباره جلوتر متصل می‌شوند.

ATP به myosin head متصل و توسط ATPase شکسته می‌شود؛ ADP + Pi روی head باقی می‌مانند و head در حالت «cocked» قرار می‌گیرد.

Ca²⁺ active siteهای actin را آشکار می‌کند و myosin head به actin متصل می‌شود.

اتصال، تغییر شکل head و power stroke را راه می‌اندازد؛ انرژی از ATPی که قبلاً شکسته شده بود تأمین می‌شود.

ADP و Pi آزاد می‌شوند؛ ATP جدید به head متصل می‌شود و باعث جداشدن myosin از actin می‌شود.

ATP جدید شکسته می‌شود و head برای چرخه بعد دوباره cock می‌شود.

ATP برای چه چیزی حیاتی است؟

نه فقط تولید انرژی، بلکه جداکردن myosin head از actin. نبود ATP علت molecular rigidity در rigor mortis است.

Fenn Effect

هرچه muscle کار بیشتری انجام دهد، ATP بیشتری شکسته می‌شود؛ مصرف انرژی متناسب با work output بالا می‌رود.

۶

مکانیک نیرو

Length–Tension، Load–Velocity و Work

رابطه طول سارکومر و tension — شکل ۶ـ۸ ـ نیروی فعال تابع میزان overlap actin–myosin است؛ بدون overlap نیرو صفر می‌شود و کوتاهی بیش‌ازحد نیز نیرو را کم می‌کند.

رابطه طول و tension در کل عضله — شکل ۶ـ۹ ـ در عضله کامل، connective tissue و ناهمگونی sarcomereها شکل منحنی را تغییر می‌دهند، ولی اصل طول–نیرو باقی می‌ماند.

طول sarcomere	وضعیت overlap	نیروی فعال
بدون overlap	actin از myosin جدا	صفر
≈۲٫۲ μm	تمام cross-bridgeها با actin overlap دارند.	حداکثر
≈۲٫۰ μm	هنوز tension کامل؛ actinهای دو طرف شروع به overlap با هم می‌کنند.	حداکثر/نزدیک حداکثر
≈۱٫۶۵ μm	Z disk به انتهای myosin نزدیک/مماس می‌شود.	سریع کاهش می‌یابد.

رابطه load و velocity — شکل ۶ـ۱۰ ـ هرچه load بیشتر شود، velocity کوتاه‌شدن کمتر می‌شود؛ وقتی load به maximum force برسد، velocity به صفر می‌رسد.

Work = Load × Distance

نکته load–velocity

عضله بدون load می‌تواند تقریباً در ۰٫۱ ثانیه به کوتاه‌شدن کامل برسد؛ در maximum load، با وجود activation، کوتاه‌شدن رخ نمی‌دهد.

۷

سوخت انقباض

منابع انرژی و بازده انقباض

ATP علاوه بر cross-bridge cycle، برای پمپ Ca²⁺ به SR و پمپ Na⁺/K⁺ غشا نیز مصرف می‌شود. ذخیره ATP خود عضله بسیار کم است و باید سریع بازسازی شود.

منبع انرژی	سرعت/مدت	نکته
ATP ذخیره	≈۱–۲ ثانیه	برای full contraction بسیار کوتاه‌مدت
Phosphocreatine	همراه ATP ≈۵–۸ ثانیه	ذخیره آن ≈۵ برابر ATP است.
Glycolysis	چند ده ثانیه تا >۱ دقیقه	بدون O₂ هم کار می‌کند و ATP را ≈۲٫۵ برابر سریع‌تر از oxidative metabolism می‌سازد.
Oxidative metabolism	فعالیت طولانی‌مدت	>۹۵٪ انرژی انقباض پایدار طولانی از این مسیر

<۲۵٪حداکثر بازده تبدیل انرژی غذا به work

≈۵۰٪اتلاف انرژی غذا هنگام ساخت ATP

۴۰–۴۵٪سهم انرژی ATP قابل تبدیل به work

≈۳۰٪ Vmaxسرعتی که بازده عضله معمولاً بیشینه است.

دام

انقباض خیلی آهسته لزوماً پربازده نیست؛ حتی با work ناچیز، maintenance heat تولید می‌شود. انقباض خیلی سریع نیز به‌دلیل friction داخلی بازده را کم می‌کند.

۸

دو نوع ثبت انقباض

Isometric، Isotonic و Twitch

انقباض isotonic و isometric — شکل ۶ـ۱۱ ـ Isotonic: کوتاه‌شدن در tension تقریباً ثابت؛ Isometric: تغییر force بدون کوتاه‌شدن طول عضله.

نوع	طول عضله	Tension/Load	کاربرد مفهومی
Isometric	ثابت	force تغییر می‌کند.	مقایسه مستقیم ویژگی عضلات بدون اثر inertia load
Isotonic	کوتاه می‌شود.	بار/تنش تقریباً ثابت	وابسته به load و inertia

مدت twitch ایزومتریک عضلات مختلف — شکل ۶ـ۱۲ ـ مدت twitch با عملکرد عضله تطابق دارد: عضلات چشمی بسیار سریع، gastrocnemius متوسط و soleus آهسته‌تر و پایدارتر است.

<۱/۵۰ sOcular muscle

≈۱/۱۵ sGastrocnemius

≈۱/۵ sSoleus

Functionمدت انقباض با کار تخصصی عضله سازگار است.

۹

قدرت سریع یا دوام طولانی

فیبرهای کند و سریع

ویژگی	Slow fiber · Type I · Red	Fast fiber · Type II · White
اندازه	کوچک‌تر	بزرگ‌تر؛ نیروی بیشتر
Motor nerve	کوچک‌تر	بزرگ‌تر
مویرگ	بیشتر	کمتر
Mitochondria	بسیار بیشتر	کمتر
Myoglobin	زیاد → قرمز	کم → سفید
Sarcoplasmic reticulum	کمتر توسعه‌یافته	بسیار توسعه‌یافته برای آزادسازی سریع Ca²⁺
متابولیسم غالب	Oxidative	بیشتر متکی بر مسیرهای سریع غیرهوازی/گلیکولیتیک

مثال عملکردی

Soleus عمدتاً slow fiber دارد و برای انقباض طولانی مناسب است؛ عضلات سریع مثل anterior tibialis سهم بیشتری از fast fiber دارند.

۱۰

تنظیم نیروی کل عضله

Motor Unit، Summation و Tetany

عضله/کنترل	فیبر در هر motor unit	نتیجه
عضلات ظریف مثل برخی laryngeal muscles	۲–۳	کنترل بسیار دقیق
میانگین عمومی	≈۸۰–۱۰۰	تخمین کلی
Soleus و عضلات بزرگ	چند صد	قدرت زیاد، دقت کمتر

Multiple-fiber summation

با افزایش recruitment، motor unitهای بیشتری فعال می‌شوند. طبق size principle، واحدهای کوچک‌تر و تحریک‌پذیرتر اول وارد می‌شوند و سپس واحدهای بزرگ‌تر.

Frequency summation

اگر تحریک بعدی پیش از پایان twitch قبلی برسد، نیرو جمع می‌شود؛ با فرکانس کافی انقباض‌ها به tetany می‌رسند.

تا ۵۰×تفاوت force بزرگ‌ترین و کوچک‌ترین motor unit

۳–۴ kg/cm²حداکثر tetanic force در طول طبیعی

۱۰–۵۰ twitchرسیدن Treppe به plateau

Ca²⁺ ↑توضیح اصلی Treppe در منبع

۱۱

از نیروی عضله تا حرکت بدن

Tone، Fatigue، Lever و Coactivation

Muscle tone

سفتی پایه عضله اسکلتی ناشی از میزان کم impulse عصبی از نخاع است؛ خود فیبر اسکلتی طبیعی بدون AP خودبه‌خود منقبض نمی‌شود.

Muscle fatigue

با depletion گلیکوژن تقریباً متناسب افزایش می‌یابد. کاهش انتقال NMJ نیز اندکی کمک می‌کند؛ قطع خون‌رسانی می‌تواند در ۱–۲ دقیقه خستگی تقریباً کامل ایجاد کند.

اهرم عضله دوسر بازویی — شکل ۶ـ۱۵ ـ نیروی واقعی در دست بسیار کمتر از نیروی تولیدشده توسط biceps است، چون نقطه اتصال عضله به fulcrum بسیار نزدیک‌تر از محل load قرار دارد.

مثال Lever در منبع

Biceps با سطح مقطع حدود ۶ in² می‌تواند ≈۳۰۰ lb نیرو تولید کند، اما با بازوی عضله ≈۲ in و طول forearm ≈۱۴ in، lifting force در دست فقط حدود ۴۳ lb می‌شود.

Coactivation

موقعیت مفصل با فعال‌شدن هم‌زمان agonist و antagonist تعیین می‌شود. با تغییر طول دو عضله، نیروی نسبی آن‌ها تغییر می‌کند تا در موقعیت مطلوب به تعادل برسند.

۱۲

عضله ساختاری ثابت نیست

Hypertrophy، Atrophy و Satellite Cell

عضله در طول چند هفته خود را با نیاز عملکردی تطبیق می‌دهد: قطر، طول، قدرت، خون‌رسانی و حتی ترکیب fiber type می‌تواند تغییر کند.

پدیده	مکانیسم اصلی	نکته منبع
Hypertrophy	افزایش actin و myosin filament در هر fiber	چند انقباض قوی روزانه می‌تواند طی ۶–۱۰ هفته hypertrophy معنی‌دار بدهد.
Contractile protein synthesis	در hypertrophy افزایش می‌یابد.	تعداد filamentها گاهی تا ≈۵۰٪ افزایش می‌یابد.
Atrophy	تجزیه پروتئین > ساخت	مسیر ATP-dependent ubiquitin–proteasome نقش مهمی دارد.
Stretch مزمن	افزودن sarcomere در انتهای fiber	طول عضله با نیاز جدید تطبیق پیدا می‌کند.
Shortening مزمن	حذف sarcomere انتهایی	عضله طول عملکردی جدید می‌گیرد.

Satellite cell

adult stem cell عضله اسکلتی است و برای homeostasis، repair، hypertrophy و regeneration اهمیت دارد.

Hyperplasia

افزایش واقعی تعداد fiberها نادر و کم‌مقدار است؛ در شرایط force بسیار شدید و عمدتاً با splitting طولی fiber بزرگ‌شده دیده می‌شود.

۱۳

پیامدهای بالینی اختلال عضله

Denervation، Rigor Mortis و Muscular Dystrophy

موضوع	مکانیسم/زمان	نکته High-yield
Denervation atrophy	بلافاصله پس از قطع عصب شروع می‌شود.	پس از ≈۲ ماه تغییرات دژنراتیو واضح‌تر می‌شود.
Reinnervation	اگر سریع رخ دهد، recovery ممکن است ≈۳ ماهه کامل شود.	پس از ۱–۲ سال عملاً recovery عملکردی بیشتری انتظار نمی‌رود.
Contracture	کوتاه‌شدن fibrous tissue جایگزین	stretch روزانه و positioning برای پیشگیری مهم است.
Macromotor unit	شاخه‌زنی axonهای باقی‌مانده پس از از دست‌رفتن بخشی از عصب	تا ≈۵ برابر فیبر معمول؛ strength برمی‌گردد ولی fine control کم می‌شود.
Rigor mortis	کاهش کامل ATP پس از مرگ	cross-bridge از actin جدا نمی‌شود.
پایان rigor	تخریب پروتئین‌ها در ≈۱۵–۲۵ ساعت	با autolysis؛ در دمای بالاتر سریع‌تر

Duchenne muscular dystrophy

X-linked recessive و ناشی از mutation ژن dystrophin است. نقص اتصال دستگاه actin به پروتئین‌های membrane، بی‌ثباتی غشا و افزایش نفوذ Ca²⁺ را ایجاد می‌کند.

Becker muscular dystrophy

همچنان ناشی از mutation dystrophin است، اما onset دیرتر و survival طولانی‌تری نسبت به DMD دارد.

مسیر آسیب در DMD

Dystrophin abnormal → membrane instability → Ca²⁺ permeability ↑ → intracellular enzyme changes → proteolysis → muscle fiber breakdown.

۱۴

مرور نهایی

مرور عمیق و جمع‌بندی دام‌ها

Sarcomereبین دو Z disk

I bandفقط Actin

A bandطول thick filament

Titinفنر و چارچوب thick filament

T tubuleامتداد sarcolemma به عمق fiber

Relaxationبرداشت Ca²⁺ به SR

Troponin Iاتصال به Actin

Troponin Tاتصال به Tropomyosin

Troponin Cاتصال Ca²⁺

Power strokeتغییر شکل myosin head

ATP جدیدMyosin را از Actin جدا می‌کند.

Fenn effectWork بیشتر → ATP breakdown بیشتر

بهترین overlap≈۲٫۰–۲٫۲ μm

Load ↑Velocity ↓

ATP ذخیره≈۱–۲ s

ATP + PCr≈۵–۸ s

Glycolysisسریع و بی‌نیاز از O₂

Oxidative metabolism>۹۵٪ انرژی فعالیت پایدار

Type Iکوچک، قرمز، oxidative، mitochondria ↑

Type IIبزرگ، سفید، SR گسترده

Motor unitیک motor neuron + تمام fiberهایش

Size principleواحد کوچک قبل از بزرگ

TetanyCa²⁺ بین APها بالا می‌ماند.

Treppeافزایش تدریجی force پس از استراحت

Toneimpulse کم‌فرکانس نخاعی

Hypertrophyfilament در هر fiber ↑

Atrophyubiquitin–proteasome ↑

Rigor mortisATP صفر → عدم detachment

کلیدواژه سؤال	پاسخ	چرا؟
ناحیه فقط حاوی actin	I band	در A band thick filament وجود دارد و ممکن است actin نیز overlap کند.
مرز sarcomere	Z disk تا Z disk	thin filamentها از Z disk به سمت مرکز امتداد دارند.
پروتئین فنری سارکومر	Titin	myosin را در مرکز نگه می‌دارد و با تغییر طول مانند spring رفتار می‌کند.
انتقال AP به عمق fiber	T tubule	ادامه sarcolemma است و کنار terminal cisternae قرار دارد.
پایان انقباض	Ca²⁺ reuptake into SR	با کاهش Ca²⁺، tropomyosin دوباره active siteها را می‌پوشاند.
Ca²⁺ در عضله اسکلتی به چه چیزی متصل می‌شود؟	Troponin C	تغییر شکل troponin–tropomyosin active site را باز می‌کند.
جداشدن cross-bridge	اتصال ATP جدید	ATP اتصال myosin به actin را می‌شکند.
نبود ATP پس از مرگ	Rigor mortis	myosin head دیگر از actin جدا نمی‌شود.
Force بیشتر با cross-bridge بیشتر	اصل walk-along	cross-bridgeها مستقل عمل می‌کنند و جمع نیرو می‌سازند.
Sarcomere ≈۲٫۲ μm	Force حداکثر	تمام cross-bridgeهای قابل‌استفاده overlap مناسب دارند.
Load = maximum force	Velocity = 0	نیروی خالصی برای shortening باقی نمی‌ماند.
فرمول کار	W = L × D	کار حاصل جابه‌جایی بار در فاصله است.
انقباض فقط با ATP ذخیره	۱–۲ ثانیه	غلظت ATP عضله ≈۴ mM و ذخیره محدود است.
ATP + phosphocreatine	۵–۸ ثانیه	PCr تقریباً ۵ برابر ATP ذخیره دارد.
ATP سریع بدون O₂	Glycolysis	سرعت تولید ATP ≈۲٫۵ برابر oxidative metabolism است.
فعالیت پایدار طولانی	Oxidative metabolism	>۹۵٪ انرژی طولانی‌مدت را تأمین می‌کند.
طول ثابت + Force متغیر	Isometric	عضله کوتاه نمی‌شود.
کوتاه‌شدن + Tension ثابت	Isotonic	عضله علیه load ثابت کوتاه می‌شود.
Red muscle	Type I	myoglobin، mitochondria و capillary بیشتر دارد.
SR گسترده و انقباض سریع	Type II	آزادسازی سریع Ca²⁺ برای contraction سریع لازم است.
کنترل بسیار ظریف	Motor unit کوچک	فیبر کمتر به ازای هر motor neuron دقت recruitment را بالا می‌برد.
Recruitment از کوچک به بزرگ	Size principle	motoneuronهای کوچک تحریک‌پذیرترند.
Fusion کامل twitchها	Tetany	Ca²⁺ بین APها فرصت بازگشت کامل به SR ندارد.
Force افزایشی ۱۰–۵۰ twitch اول	Treppe	Ca²⁺ cytosolic به‌تدریج بیشتر می‌شود.
Cut blood flow	Fatigue در ۱–۲ دقیقه	اکسیژن و nutrient supply سریعاً محدود می‌شود.
Hypertrophy معمول	افزایش filament داخل fiber	افزایش تعداد fiberها معمول نیست.
Stem cell عضله	Satellite cell	برای repair، hypertrophy و regeneration فعال می‌شود.
Denervation طولانی	Atrophy + fibrosis + contracture	قطع تحریک عصبی و جایگزینی با بافت فیبروز/چربی رخ می‌دهد.
DMD	Dystrophin mutation	X-linked recessive؛ membrane instability و Ca²⁺ entry ↑ ایجاد می‌کند.

جمع‌بندی یک‌خطی فصل

عضله اسکلتی نیرو را با آزادسازی Ca²⁺، برداشته‌شدن مهار troponin–tropomyosin و چرخه ATP-dependent cross-bridge می‌سازد؛ مقدار نیرو سپس با overlap سارکومر، load، recruitment، فرکانس تحریک، نوع fiber و سازگاری ساختاری عضله تنظیم می‌شود.