508 ĐÇĐNDEKĐLER 1. Kalın Flamentler 2. Đnce Flamentler 3. Sinirsel Uyarının Kas Liflerine Đletimi 3-1. Sinir-Kas kavşağı yapısı ve işlevi 4. Uyarılma-Kasılma Bağlantısı 4.1. Uyarılma ile Hücre Đçi Kalsiyumun Artması ve önemi 4.2. Uyarılma-Kasılma Eşleşmesi KAS KASILMASININ BĐYOFĐZĐĞĐ Doç. Dr.
510 KAS KASILMASININ BĐYOFĐZĐĞĐ Doç. Dr. Kuvvet üretebilme ve hareket kabiliyeti hayvan hücrelerinin en önemli özelliklerindendir. Tüm hayvanlarda hareket özelleşmiş kas hücreleri tarafından oluşturulur. Kas hücresi, bir sinir lifinin uyarısı ile, hormon ve kimyasal ajanların situmülasyonu ile yada kendi spontane elektriksel aktivitesi ile uyarılabilmektedir. Bir motor sinirin uyarısı ile daha çok iskelet kaslarının normal olarak uyarıldığı mekanizmadır. Bu bölümde, sinir sisteminde bilginin taşınmasını sağlayan elektriksel ve kimyasal sinyallerin ne şekilde kasın uyarılması ve kasılmasına dönüşebildiği konusu, özellikle memeli iskelet kasının sinirsel uyartılması ve kasılma mekanizması işlenecektir. Đskelet kasları, uzunlukları kasın tüm boyunu kaplayabilen 10-100µm kalınlıklı kas liflerinin yanyana gelmesi ile oluşur. Kas lifleri sarkolemma adı verilen bir membran ile çevrilidir ve genellikle ortasından bir sinir akson ucu ile sinaps oluşturmaktadır. Bir kas lifi, hücre içi 1000-2000 dolayında miyofibrillerden (miyozin ve aktin) oluşur. Elektron mikroskopta her bir miyofibrilin uzunlamasına miyoflament adı verilen iki tür elemanların sıralanmış paketi şeklinde silindirik yapılar içerdiği görülür. Bir miyofibrilde kalın görünümlü yaklaşık 1500 miyozin, bunun yaklaşık iki katı kadar ince görünümlü aktin flamentleri bulunmaktadır. Z çizgisi adı verilen koyu görünümlü iki çizgi arasındaki bölge sarkomer olarak adlandırılır. Her sarkomerde bir miktar uzunlukları üst üste gelmiş kalın ve ince flamentler vardır (Şekil-1). Şekil-1: Flamentlerin organizasyonu; sarkomer Sarkomer, iskelet kasında uzunluğun dolayısıyla kasılmanın işlevsel birimidir. Herhangi bir iskelet kası, kası oluşturan liflerindeki tüm miyofibriller, içerdikleri kalın ve ince flamentlerin kontraktil elemanlar ile oluşturdukları bağlantılarının hareketi ile birlikte uzunluk değişiklikleri oluşturabilmektedirler. Kalın Flamentler (miyozin flamentleri); Yan yana uzanmış miyozin moleküllülerinden oluşur. Her bir miyozin molekülü ağır zincir ve hafif zincirlerden oluşur. Kuyruk kısmında iki polipeptid zincir alfa-heliks yapısında diğer ucu iki iki baş oluşturacak şekilde ayrıdırlar. Miyozin başının kas kasılması için temel olan bir özelliği ATPaz enzimi olarak fonksiyon görmesidir. Miyozinin bu özelliği, ATP nin yüksek enerjili fosfat bağlarından elde edilen enerjiyi kasılma işlemini enerjilendirmek için kullanılmasını sağlar. Ayrıca moleküllerin çift sarmal ile baş arasında ki menteşe adı verilen esnek bölümdeki bükülmeleri ise başları gövdeden dışarı yönelik bir konuma getirir. Dışarı doğru uzanan kol ile birlikte baş kısmının aktine bağlanabilme (çapraz köprü) özeliği vardır (Şekil-2).
KAS KASILMASININ BĐYOFĐZĐĞĐ 511 512 Şekil 2: Miyozin molekülü Đnce Flamentler (Aktin flamentleri); Aktin, tropomiyozin ve troponin adlı üç ayrı bileşenden oluşan bir kompleksdir. Aktin flamentinin ana unsuru çift sarmallı F-aktin proteinidir. F-aktin molekülleri ise miyozin bağlanma bölgeleri olan G-aktin moleküllerinin ATP varlığında polimerleşmesi sonucunda oluşur. Tropomiyozin, F-aktin zincirleri arasına yerleşerek heliks yapıyı güçlendirir. Dinlenim halinde F-aktine bağlanıp, aktinin aktif bölgelerini kapatarak, aktin ile miyozin arasındaki kasılmaya yol açacak bir etkileşimi inhibe ettiği düşünülmektedir. Bunun için kasılmadan önce; Troponin-tropomiyozin kompleksinin bu inhibitör etkisi engellenmelidir. Đnce flamentlerin üçüncü protein bileşeni troponin dir. Küresel görünümlü bir protein olan troponin aslında her biri kas kasılmasının kontrolünde özgül bir rol oynayan zayıf bağlı üç protein alt biriminden oluşmuş bir kompleksdir. Bu alt birimleri; aktine bağlanan Tp-I, Tropomiyozine bağlanan Tp-T ve Ca iyonlarına afinitesi olan Tp-C olan birimlerdir (Şekil-3). Şekil 3: Aktin flamenti ve bileşenleriı Önceleri kas kasılmasının, flament moleküllerinin bizzat kasılması ile oluştuğuna inanılırdı. Yukarıda kısaca özellikleri anlatılan kas lifinin incelikli yapısının belirlenmesi ve biyofiziksel çalışmalar kasılmanın, moleküllerin boylarının küçülmesi ile değil, ince flamentlerin kalın flamentler üzerinde kaymasından kaynaklandığını göstermiştir. Bu bilgilere dayanarak, ilk kez Andrew HUXLEY ve J. HANSON tarafından 1950 li yıllarda bu mekanizma için kayan flamentler hipotezi öne sürülmüştür. 1957 de A.Huxley tamamen kuramsal düşüncelerden yola çıkarak kalın flamentler üzerinde kuvvet üretici moleküler yapıların sıralanmış olduğu fikrini ortaya atmıştır. Huxley e göre bu kuvvet üreteçleri kalın flamentlerin, ince flamentlere bağlanıp ayrılmalarını sağlayan devirli hareketler yaptırıyor olmasıydı. Hemen hemen ayni tarihlerde H.E. Huxley elektron mikroskopunda daha ince doku kesitleri kullanarak kalın flamentler üzerinde bu tür çapraz köprü lerin varlığını göstermiştir. Bugün bu çapraz köprülerin iki tip flament arasında kaymanın olması için bulunması beklenen kuvvet üreteçleri oldukları kabul edilmektedir. Kayan flamentleri teorisi için, aktin flamentlerini miyozin flamentleri ile içe doğru kaydıran acaba, nedir? Ve Ne zaman başlar? Sorusunun cevabı; miyozin flamentlerin çapraz köprüleri ile aktin flamentlerin etkileşimi sonucu oluşturulan mekanik güçlerdir. Ancak bu, kas lifinin uyarılması ile başlar şeklinde olamalıdır. Sinirsel Uyarının Kas Liflerine Đletimi: Sinir-Kas kavşağı Yapısı ve Đşlevi Đskelet kasları, iplik benzeri fasikül demetlerinden, fasiküller de çok çekirdekli hücreler olan kas lifli demetlerinden oluşur. Sinir sisteminin temel
KAS KASILMASININ BĐYOFĐZĐĞĐ 513 514 görevi bu elemanları kontrol ederek, kas kasılması ile istendik hareketi oluşturacak gerginliği, kuvveti iskelete uygulamaktır. Bir motor nöron ile hedef kası arasındaki işlevsel bağlantı bir kimyasal sinaps ile olmaktadır. Motor akson ucunun kas lifi ile lifin ortasına yakın bir yerde bağlantı yapması ile oluşur. Bu sinaps sinir-kas kavşağı yada nöro-musküler kavşak olarak da adlandırılır. Bir motor nörondan ilerleyen aksiyon potansiyeli, sinir son ucuna ulaşınca sinir-kas kavşağındaki sinaptik iletim aracılığı ile kas lifine aktarılır. Sinir-kas kavşaklarında akson uçları altında kalan kas lifi membran bölgesi motor son plak olarak tanımlanmaktadır. Her bir kas lifinde bir akson tarafından inerve edilmiş yalnızca bir son plak bölgesi bulunur. Sinir-kas kavşağının oluştuğu bölgedeki kas lifi membranı sinaps çukuru veya sinaptik oluk adı verilen ve içi ekstrasellüler sıvı ile dolu olan bir oyuk oluşturur. Kimyasal sinaps oluşumunda olduğu gibi akson ucu ile kas lifi membranı arasındaki boşluğa sinaptik aralık veya sinaptik yarık denir. Bu sinaptik aralıktaki kas membranının yüzeyi, içeriye doğru oluşturduğu çok sayıda girintili küçük kıvrımlardan dolayı oldukça büyüktür. Dolayısı ile postsinaptik son plak bölgesi çok sayıda reseptör içerebilmektedir (Şekil-4). bağımlı Ca kanallarından kalsiyumun, konsantrasyon gradyentinden dolayı ekstrasellüler oratamdan (sinaptik aralıktan) akson içerisine akışı olur. Akson ucunda artan Ca iyonları, veziküller içerisindeki nörotransmitterlerin (asetilkolinin ACh) eksositoz ile sinaptik aralığa salınmasını sağlar. Sinaptik aralığa salınan ACh moleküllerinin bir kısmı difüzyonla buradan uzaklaşırken, bir kısmı postsinaptik membrandaki reseptörlere bağlanırlar. Sinir-kas sinapslarında, ACh reseptörleri iyonotropik etki gösteren resptörler olup dolayısıyla buradaki sinaptik iletim hızlı yada doğrudan kapıya etkili iletim şeklindedir. Reseptör-ACh kompleksinde oluşan konformasyon değişikliği ile açılan iyon kanalı, post sinaptik hücre membranının (kas lifi membranı) hem sodyuma hemde potasyuma karşı geçirgenliğini eş zamanlı olarak ve ayni ölçüde artırır. Açılan asetilkolin kanal çapı yaklaşık 0,65-2 nm kadar olup bütün önemli pozitif iyonların (Na, K ve Ca) kanaldan kolaylıkla geçmesine izin verecek kadar büyüklüktedir. Diğer taraftan kanal ağzındaki güçlü negatif yükler nedeni ile klor iyonları gibi negatif iyonlar geçemez (Şekil-5). Şekil-5: Asetilkolin reseptörünün yapısal modeli ve ACh- reseptör etkileşimi ve katyon kanalının açılması. Sekil- 4: Sinir-kas kavşağı Sinir-kas kavşağını oluşturan motor sinirdeki bir aksiyon potansiyelinin akson ucunda oluşturduğu potansiyel değişikliği, akson ucunda bulunan voltajkapılı Ca kanallarının açılmasına neden olur. Açılan çok sayıdaki bu voltaj Açılan bu kanallardan içeri Na, dışarı ise K akışı olur. Ancak kanallardan iki nedenle daha çok sodyum iyonlarının içeri geçişi olur. Birincisi ekstrasellüler ortamdaki Na + konsantrasyonunun fazla oluşundan dolayı içeriye doğru kimyasal kuvvet, ikincisi hücre içinin negatif, sodyumun pozitif yükü dolayısı ile içeri doğru elektriksel kuvvetlerdir. Açılan kanallardan iyon geçişlerine bağlı olarak, postsinaptik membranda lokal bir postsinaptik potansiyel meydana gelir. Oluşan bu potansiyel sinaptik yolla uyarılan sinirlerdeki eksite edici postsinaptik potansiyel (EPSP) olup,
KAS KASILMASININ BĐYOFĐZĐĞĐ 515 kaslarda son plak potansiyeli (SPP) olarak adlandırılmaktadır. Son plak potansiyelinin kas hücresinde oluşturduğu bu başlangıç depolarizasyonu, kas lifi üzerinde bulunan voltaj-kapılı Na kanallarının açılması ve daha çok sodyum kanal aktivasyonun pozitif feed-beck etkisi ile sodyumun içeri girişi ile depolarizasyonun artmasına neden olur. Oluşan depolarizasyon değeri kas lifi membranı için eşik değere ulaştığında bir aksiyon potansiyeli meydana gelmesine neden olmaktadır (Şekil-6). Şekil-6: Postsinaptik kas hücresindeki ACh bağımlı iyon kanallarının açılması ile oluşan son plak potansiyelinin Voltaj bağımlı Na kanallarını açarak aksiyon potansiyelinin oluşumu. 516 Nöro-müskular kavşaktaki sinaptik ileti, nöronlar arası sinaptik iletimden farklı olarak tek bir SPP nin büyüklüğü normal olarak bir kas lifi membranında aksiyon potansiyelini başlatmaya yeterli olmaktadır. Ayrıca nöronlar arası sinaptik iletimde oluşan postsinaptik potansiyeller inhibe edicide (IPSP) olabilir oysa sinir-kas sinapslarındaki postsinaptik potansiyeli (SPP) daima uyarıcı (EPSP) etkiye sahiptir. Đskelet kaslarında kas lifinin uyarılması ile meydana gelen, yaklaşık süresi 1-5 milisaniye ve ileti hızı 3-5m/s olan aksiyon potansiyeli membran boyunca yayılır. Đskelet kas liflerinin büyüklüğü nedeni ile membran boyunca yayılan aksiyon potansiyeli lifin iç kısımlarında ya çok az yada hiç akım oluşturamazlar. Kasılmanın oluşabilmesi için elektriksel akımların miyofibrillere kadar ulaşması gerekir. Kas lifi membranında yayılan depolarizasyon, zarın lif içine enine uzantıları olan borucuklar (T-tübülleri) ile kas lifi içine yayılabilmektedir. Ttübülleri hücre membranının internal uzantıları vede kas lifini çevreleyen ekstrasellüler sıvı ile ilişkide olup bu sıvı ile de doludur. Bu yapısal durumdan dolayı aksiyon potansiyelinin menbran boyunca yayılması ayni zamanda T tübülleri aracılığı ilede lifin iç kısımlarınada yayılır (Şekil-7). Şekil-7: Sinir-kas kavşağında (noromuskülar sinapsda) aksiyon potansiyelinin kas lifi boyunca yayılması
KAS KASILMASININ BĐYOFĐZĐĞĐ 517 518 UYARILMA KASILMA BAĞLANTISI Kas lifinde aksiyon potansiyelinin oluşmasından kasılmanın başlamasına kadar süren olayların tümü uyarılma-kasılma bağlantısı (çiftlenimi) olarak adlandırılır. Uyarılma ile Hücre Đçi Kalsiyumun Artması ve önemi Kas kasılma olayının hücre içi Ca düzeyinin artması ile gerçekleştiği bilinmektedir. Hücre dışındaki Ca konsantrasyonunun yüksek bir düzeyde olduğu bilindiğinden, kasılma için gerekli Ca un neden tamamının hücre dışı ortamdan sağlanmadığı uzun süre tartışılmıştır. Hücre dışı Ca un hücre depolarizasyonu ile içeri girdikten sonra hedef bölgelere ulaşmasının özellikle büyük kas liflerinin kasılması için zaman alıcı olacağı hesaplanmıştır. Sonunda, kasılma için gerekli Ca iyonlarının büyük bir kısmı T-Tübüller membranı ile yakın temas halinde olan ve yüksek konsantrasyonda kalsiyum iyonları içeren sarkoplazmik retikulumdan sağlandığı gözlenmiştir. Sarkoplazmik retikulumdan (SR) Ca un salınması farklı mekanizmalar ile olabilmektedir ki bunlar; Ca tetiklemeli Ca salınması: Depolarizasyon ile ekstrasellüler sıvıdan hücre içine giren Ca ların etkisi ile SR daki Ca kanallarını açılması ile buradan hücre içi ortama salınmaktadır Mekanik etkileşim: T-tübül sistemi ile SR un değmede olduğu bazı yerdeki proteinlerin mekaniksel etkileşime dayalı SR Ca kanallarının açılması Elektriksel etkileşim: Depolarizasyonun T-tübüler boyunca yayılması ile, T-tübüllerindeki voltaj bağımlı dihidripiridin resptörlerini (DHPRs- dhydropyridine receptor) aktive eder. Bu resptörlerin aktivasyonu, bunlara bağlı sarkoplazmik retikulum üzerinde kanal oluşturan riyanodin kanal reseptörlerini (ryanodine receptors- RyDn) etkileyerek sarkoplazmik retikulumdaki depo kalsiyumun sarkoplazma içerisine serbestleşmesine neden olur (Şekil-8). Şekil-8: T tübüllerinde ilerleyen AP nin DHPRs lerindeki konformasyonel değişikliği nedeniyle Ryanodin reeptorleri ile açılır ve SR dan Ca serbestleşir Dinlenim halinde iken tropomiyozin-troponin kompleksi aktin flamenti üzerindeki miyozin bağlanma bölgelerini örterek kasılmayı inaktive etmektedir. Hücre içerisinde Ca konsantrasyonu artığında Ca iyonları Tp-C ile birleşir. Bu birleşme sonucu Tropnin-tropomiyozin konformasyon değişimi ile tropomiyozinin miyozinin aktine bağlanma sitelerini inhibe eden pozisyondan ayırılır (Şekil-9). Şekil-9 : Hücre içi Ca artışı yolları ve Ca a bağlı olarak Aktin-miyozin bağlanma bölgelerinin açığa çıkması Uyarılma-Kasılma Eşleşmesi
KAS KASILMASININ BĐYOFĐZĐĞĐ 519 520 Aktin-miyozin etkileşimi Hücre içi kalsiyum konsantrasyonu arttığında troponin-tropomiyozin kompleksinin inhibitör etkisinin ortadan kalkması ile, artık kalın flamentlerin aktive edilmiş baş kısmı ile aktin moleküllerinin etkileşmesini engelleyen bir durum yoktur. Miyozin molekülleri ile aktin molekülleri birbirine bağlanarak kas kuvvetinden sorumlu kompleksi oluştururlar. Kasın dinlenim durumunda ATP miyozinin baş kısmına bağlanır. Miyozin başının ATPaz aktivitesi ile ATP hemen yıkılır. ATP yıkım ürünleri olan ADP ve Pi nin bağlı olduğu miyozin baş kısmı enerjilenmiş miyozin çapraz köprülerini (Miyozin*.ADP.Pi) oluşturur. Enerji içerikli bir konformasyonda olan bu baş kısımları dinlenim durumunda dikey olarak aktin flamentine uzamak ile birlikte henüz aktine bağlanmamış konumdadırlar (Şekil-10a). adlandırılır. Güç vurumu aktive eden enerji kurulmuş yay gibi daha önce ATP molekülünün miyozin ATPaz tarafından yıkılması sırasında depolan enerjidir. Çapraz köprünün başı eğildiği zaman, bağlı halde bulunan ADP ve Pi salınımı ile miyozinde depolanmış enerji sebestleşerek herbir çapraz köprünün haraketini, dolayısı ile aktin flamentlerinin de beraberinde hareket etmesini sağlar (ii) (Şekil- 10b). (ii) Aktin.Miyozin*. ADP.Pi Aktin.Miyozin + ADP + Pi Başın eğilmesi ile serbestleşen ADP ve Pi yerine miyozine tekrar bir ATP bağlanarak miyozinin başının aktinden ayrılması sağlanır (Çapraz köprülerin aktinden ayrılması) (iii). (iii) Aktin.Miyozin + ATP Aktin + Miyozin.ATP Şekil-10: Kasın dinlenim ve uyarılma durumlarında miyozin başının (çapraz köprününün) aktin ile bağlantı durumuları ve hareketi Sitozolik Ca iyonunun artışı ile aktin flamenti üzerindeki aktif bölgelerin açılmış olması dolayısıyla birinci adım olarak enerjilenmiş miyozin çapraz köprüleri aktine bağlanır(i). (i) Aktin + Miyozin*.ADP.Pi Aktin.Miyozin*. ADP.Pi Đkinci adımda, miyozin başının aktin flamentinin aktif bölgesine bağlanması, miyozin başının menteşe bölgesinden biçimsel değişikliğe uğrayarak kuyruk kısmına doğru eğilmesine neden olur. Bu, aktin flamentini çekmek için çapraz köprünün güç vurumunu yada kürek hareketi olarak Şekil-11: Miyozin başı ile ATP etkileşimi Baş aktinden ayrılması ile miyozine bağlanan ATP, miyozin ATPaz tarafından ADP ve Pi ye hidrolizi ile yeni bir enerjilenmiş çapraz köprü oluşur (iv). Açığa çıkan enerji miyozin başını aktine dikey pozisyonunda yeni bir güç vurumu döngüsüne başlamak üzere hazır hale getirir (Şekil-11). (iv) Miyozin.ATP Miyozin*. ADP.Pi
KAS KASILMASININ BĐYOFĐZĐĞĐ 521 522 ATP nin miyozine bağlanması döngünün tekrarlanmasını sağlar. Çapraz köprü döngüsü, hücre içi kalsiyum konsantrasyonu yüksek kaldıkça dolayısı ile Ca un troponin-c ye bağlılığı sürdükçe devam eder. Bu şekilde devam eden döngü; kalın flamenlerin hareketinin ince flamentlere (aktin) aktarılmasını sağlar. Đnce flamentlerin kalın flamentler üzerine doğru kayması ile sarkomer boyu kısalır dolayısıyla kas kasılır. Bu olaylar zinciri Z diskleri miyozin flamentlerinin uçlarına gelinceye kadar yada kasa uygulanan yük çekilemeycek kadar oluncaya kadar devam eder. Aktin ve miyozin flamentinin karşılıklı kaymasına neden olan bu iş (mekanik iş) için gerekli olan enerji ATP nin hidrolizi ile sağlanmaktadır. Her bir çapraz köprünün birbirinden bağımsız olarak davrandığı, aktine tutunması ve çekmesinin devamlı fakat rastlantısal olduğu belirtilmektedir. Dolayısyla herhangi bir anda aktin flamenti ile etkileşen çapraz köprü sayısının fazlalığı kasılma gücünü artırıcı bir nedendir. Hücre içindeki kalsiyum iyonlarının, hem sarkoplazmik retikulum membranı üzerindeki kalsiyum pompaları ile aktif olarak sarkoplazmik retikulum içerisine taşınması, ikinci olarak sekonder aktif taşıma (Na-Ca değişimi) ile hücre dışına taşınması hücre içi Ca konsantrasyonun azaltılır (Şekil-12). Şekil-12: Hücre içi Ca konsantrasyonunun azalması 1 Ca un aktif taşınım ile SR içine taşınması 2 Ca-Na değiş tokuşu ile Ca un hücre dışına taşınması Hücre içi Ca konsantrasyonun azalmasına bağlı olarak Tp-C den Ca un ayrılması ile tropomiyozin tekrar aktin bağlanma bölgelerini bloklama özelliğini kazanır. Bu durumda çapraz köprü döngüsünün durması ile ve kas gevşemesi sağlanır.
KAS KASILMASININ BĐYOFĐZĐĞĐ 523 524 KAYNAKLAR Kandel E.R., Schwartz J.H, Jessel T.M.(Eds). Principles of Neural Science, New York; Elsevier; 2002. Pehlivan F. Biyofizik, Ankara Hacettepe-Taş,; 1998. Ganong W.F. Tibbi Fizyoloji, Barış kitabevi, 1996. Guyton A.C, Hall J.E. Tibbi Fizyoloji, Nobel Tıp, 2000. Alberts B., Bray D., Lewis J., Raff M., Watson J.D. (Eds). Moleclar Biology of The Cell. New York; 1994. Çelebi G. Biyofizik, Barış Yayınları; 2005. Bermek E., Nureten R., Tiyaki D., Gökçe S., Biyofizik ders Notları; Đstanbul; 1997. Vander j.a., sherman H.J., Luciano D.S., Human Physıology New York; 1986. Mills J.K. Mechanisms of Nerve Conduction and Muscle Contraction (http://www.medi.howard.edu/physio.biophys) Katz S (Ed)., Neuroscience, Lippincott; 2001.