TP3MO1 Muskelfysiologi

Denna föreläsning handlar om skelettmuskler. (Hjärmuskler och glatt muskulatur fungerar annorlunda.) Applikationen är i första hand på tuggmuskulaturen.

Alfa-motorneuron är de celler i nervsystemet som styr musklerna.

Alfa-motorneuron skickar ut sina axon ut i nerverna till musklerna. Ett alfa-motorneuron och de muskelceller som de styr kallas för en **motorisk enhet** eller motorenhet. De finns olika många alfa-motorneuron i en muskel men de är inte så många, runt hundra eller ett par hundra. De kan styra olika många mukelceller, kanske runt 10 vid en muskel som hanterar precision och runt 1000 i en muskel som är grövre, exempelvis en lårmuskel.

**Den motoriska enheten:**

Ett alfa-motorneuron celler (~100/muskel) och de muskelfibrer (=muskelceller) som detta innerverar (10-1000 fibrer)

Kontakten mellen alfa-motorneuron och muskelcellen/musklefibren är en synaps av en speciell sort, synapsen är **väldigt stark och effektiv** och benämns motorändplatta. Det är en kollinerg synaps, en synaps som har **acetylcolin som transmittorsubstans** = kollinerg synaps. (Det finns lite olika "smaker" på acetylkollinsynapser och detta är en välkänd form).

s*ynaps mellan nervcell och muskelcell: motorändplatta*

*transmittorsubstans = Acetylkolin (ACh)*

### Muskelns uppbyggnad

Muskler är ju kött och det kan alla relatera till hur det ser ut. Buntarna kan ses med blotta ögat och de består av muskelceller som också kallas för muskelfibrer. En muskelcell kan vara en del av en mm i diameter och ibland större, så stora att en nästan kan se en enskild cell. Cellen är så stor att den sträcker sig genom hela muskeln. Det är en jättecell, den har blivit så stor för att det är flera anlag som slagits ihop under utvecklingen och blivit en cell. Det är en cell därför att den har ett cellmembran om avgränsar den, men den har flera cellkärnor. **Muskelfiber = muskelcell**

### Muskelcellens uppbyggnad

Muskelcellen består av myofibriller och myofibrillerna är i sin tur uppbyggda av ytterligare mindre fibrer, filament = proteinerna **aktin** och **myosin**.

**Myosin = tjocka filament**

**Aktin = tunna filament**

Bandningen kan ses i mikroskop och området från en z-skiva till en annan z-skiva kallas för en **sarkomer** och sarkomeren utgör muskelcellens grundläggande lilla enhet. Aktin och myosin ligger så att de överlappar varandra både på längden och tvären och kan nå varandra. Hela poängen med en muskel är att dan ska kunna bli längre och kortare. Aktin och myosin kan glida i förhållande med varandra och myosin kan också gripa tag i aktinet och drar ihop hela strukturen. Varje sarkomer är någon mikrometer lång och de ligger tätt efter varandra i en muskel. När de drar ihop sig samtidigt så fås en muskelsammandragning i hela muskeln.

En aktionspotential kommer från alfa-motorneuronet till den effektiva synapsen i motorändplattan och överförs till muskelcellen m.h.a acetylkollin.

Då startar en processen som leder till muskelkontraktion igång. Det vi i princip ska veta är att när det kommer en aktionspotential till synapsen så är synapsen effektiv och depolariserar muskelcellen. (Muskelcellen är alltså precis som en nervcell excitabel.) Det leder till att kalcium frisätts inne i muskelfibern. Kalciumet finns upplagrat i speciella säckar som kallas sarkoplasmatiska retikler. En del kalcium kommer in utifrån, men det viktiga är att aktionspotentialen leder till en mycket effektiv frisättning av kalcium. Kalcium behövs för att mysoin ska kunna fästa i aktinet och kontraktionen uppstå.

aktionspotential i motorneuronet → motorändplatta → aktionspotential i muskelcellen → frisättning av kalcium inne i muskelcellen → kontraktion = kraft

Det bli en liten fördröjning innan duschen av kalcium får kontraktionen att sätta igång. Hela förloppet är dock över på ungefär 100 ms.

### Hur går kontraktionen till? Vad är mekanismen bakom kontraktion?

Hakarna som sticker ut från myosinet (tjocka filament) kallas för myosinhuvuden. Det som sker är att myosinhuvudet binder till aktin och gör en knyckande rörelse och där med drar aktinfilamenten in mot mitten av sarkomeren (M.line). För att detta ska ske behövs energi i form av ATP och kalcium. Om ATP finns så kommer myosinhuvudet att aktiveras, men det kommer inte att binda till aktinet. För att en bindning ska ske och energin kan omvandlas till rörelse så måste något mer hända. Kalcium måste påverka aktinet så att bindningen kan ske. I detalj är det som händer att kalcium binder till troponin som till följd av det ändrar form, då flyttar sig tropomyosin och aktinbindningsstället blottas. Det gör det möjligt för myosinhuvudet att binda till aktin och kontraktion kan ske. Dessa detaljer om tropomyosin och troponin behöver vi dock inte kunna eftersom föreläsningen är en kortversion och mer av ett sammandrag om muskelfysiologi.

Myosinhuvudet aktiveras först genom att ATP binder till huvudet och sedan hydrolyseras till ADP och en fosfat. Då finns det energi i myosinhuvudet och det väntar på att få binda in (som en skidåkare i början av ett lopp). Om det inte finns kalcium så händer inget mer. Men om kalcium finns och processen ovan skett så kan huvudet nu binda in. Energin i bindningen gör att huvudet nu kan göra det som kallas för en "knick" och huvudet böjer sig och drar aktinet. När knicken (power-stroken) väl utförts så släpper ADP och fosfat från myosinhuvudet. ATP ger alltså energi i kontraktionen, men behövs också för att myosinhuvudet sedan ska släppa från aktinet. ATP som bundit in i huvudet hydrolyseras till ADP och fosfat och huvudet är redo att binda in igen. Om ATP finns stadigt närvarande och kalcium finns som tillåter bindningen så sker sedan denna rörelse om och om igen. På detta sätt så knickar sig myosinet framåt genom att haka och dra, haka och dra och en kontraktion sker. Detta sker vid snabba rörelser. Om det istället är så att en lyfter något väldigt tung så hakar myosinet tag i aktinet men kraften i ATP-bindningen räcker inte för att aktinet ska flyttas och det blir då ingen rörelse. Det är samma mekanism och myosin hakar tag i aktinet och står och drar, men det resulterar inte i någon rörelse.

Eftersom det också behövs ATP för att myosinhuvudet ska släppa aktinet så kommer inte myosinhuvudet att släppa. Om alltså ATP tar slut så kan inte myosinhuvudet släppa. ATP tar slut om muskeln är död. Det är alltså detta som ligger bakom likstelhet. Likstelheten håller i sig några timmar, till dess att nedbrytning i kroppen får den att släppa.

**Förloppet beskrivs väl i dessa videor:**

https://www.youtube.com/watch?v=Ki6WjplSUcE

https://www.youtube.com/watch?v=BMT4PtXRCVA

Denna allmänkunskap om muskelfysiologi är viktig att ha med sig, dels för medicinsk allmänbildning men mest för att vi ska ha tillräcklig kunskap för att kunna applicera den på hur tuggmuskler fungerar och vad det kan ge för effekter hos patienterna. Inom sport- och rehabiliteringsmedicin (fysiologi) gås naturligtvis kunskapen igenom mycket djupare. Men det kan finnas några applikationer av musklers kontraktionsrörelser som vi behöver känna till.

**Kontraktionstyrkan är proportionell mot antalet parallella aktin-myosin-bindningar i varje givet ögonblick.**

Hur många hakar som finns och är ihakade ger alltså styrkan vid varje given tidpunkt. Muskeln är alltså som starkas vid en viss längd. Om muskeln dras ut så är aktin och myosin längre ifrån varandra, om muskeln dras ut mer så kommer de till slut att släppa från varandra, det finns helt enkelt inget aktin för myosinet att dra i. Då är kraften noll. Om muskeln å andra sidan är hoptryckt så finns det ingenstans för myosinet att dra muskeln, den är maximalt hoppressad och ingen mer kraft kan utvecklas. Det finns en optimal längd där den är som starkas. Hon människan händer det inte så jättemycket i längd då muskeln går från sina extremlägen. Den jobbar ganska mycket kring sitt optimum. Leder och skelett begränsar hur mycket muskeln kan dras ut eller tryckas ihop.

**Muskeln är alltså som starkast vid en viss längd.** En parantes är hjärtfysiologin, där finns liknande sarkomerer (fast de aktiveras på annat sätt) de har en reservkapacitet och de kan utveckla mer kraft när hjärtat fylls.

***Muskeln är som starkast vid en viss längd.***

**Ju snabbare muskeln förkortas, desto mindre kraft kan muskeln utveckla.**

**Det finns alltså ett inverst samband mellan hastighet och styrka.**

Detta har stor betydelse inom idrotts- och rehabiliteringsmedicin. Vid en snabb rörelse så sker knickningen snabbt och myosinhuvudena sitter inte så hårt och släpper snabbt för att snabbt kunna binda igen och göra en ny knick. När en i stället belastar muskeln tungt så står huvudena och drar och har bundit hårt. Vid liten förkortning så finns det alltså mycket kraft i bindningen, men rörelsen är inte snabb och tvärtom vid en snabb rörelse.

Den muskel som utför arbetet blir svagare och svagare ju snabbare rörelsen sker. I princip så innebär det att det inte går att både vara stark och snabb. Det blir problem i sporter där det ska vara både maximal styrka och maximal kraft. En kan säga att det egentligen inte går att stöta kula. För att få detta att fungera så måste det ske vissa kompromisser, vissa muskler aktiveras för stöd och styrka och andra på toppen får stå för rörelse.

En muskelkontraktion utan rörelse kallas för **isometrisk kontraktion/rörelse**.

Muskelrörelse som medför förkortning kallas **koncentrisk kontraktion/rörelse.**

Om muskeln kontraheras samtidigt som den förlängs så kallas det för **excentrisk kontraktion/rörelse**.

Det låter ju märkligt, hur kan det gå till? Det sker om det finns en kraft utifrån. Ett exempel är det som sker vid ett upphopp. När muskeln ska kompensera för landning så belastas den (kontraheras) samtidigt som en rätar på benet och då drar ut muskeln (förlänger den). Då sker både förlängning och kontraktion. Mitt eget exempel är vid styrketräning, då en har gjort en bicepscurl och håller emot samtidigt som en böjer ner armen och vinkeln i armbågen blir större. Muskeln förlängs, men den är också kontraherad, Om en kände på biceps med andra handen medan en gjorde rörelsen så skulle ju biceps kännas hård = kontraherad. Som visas av tabellen så är muskeln faktiskt ännu starkare i det läget, men det är också i detta läget som det lätt kan uppstå småskador och hälsenor går av.

**Nervsystemet reglerar kontraktionskraften i muskeln genom summation och rekrytering**

För att få rätt kraft och precision att utföra de olika rörelserna behöver hjärnan styra de olika muskelfibrernas svar. Både timing och styrka ska klaffa. Det finns två sätt för hjärnan och muskelneuron att styra fibrer och muskler. Det första sättet är summation. Hur ofta aktionspotentialer kommer, alltså en ökad frekvens ger ökad muskelkraft. En frekvens på över ca 10/sekund ger ökad muskelkraft. Om en tittar på en motorisk enhet (som ju var en alfa-neuronen med axon och ändplattor kopplade till ett flertal muskelfibrer) så kommer en aktionspotential att leda till att det frisätts en liten dusch av kalcium. Vid enstaka aktionspotentialer som skickas sporadiskt eller under 10 st per sekund så blir kraften inte så stor, summationen har inte börjat komma igång. Så fort det blir lite tätare så ökar kraften. Vid 15 st per sekund så är kraften dubblerad. En aktionspotential ger alltså en viss kraft, men muskeln egentliga kapacitet är 10 ggr större. För att få ut den kraften så behöver frekvenserna vara täta. Det beror på att kalciumnivån blir så mycket högre. När det bara kommer duschar av kalcium så finns det inte tillräckligt mycket kalcium för att alla myosinhuvuden ska vara aktiverade. När kalciumnivån är mer eller mindre konstant så finns det så mycket kalcium att de flesta huvudena kan vara aktiverade under lång tid. Om hjärnan ger instruktion om att många aktionspotential ska fyras av så blir alltså kraften större. Kraften ökar oproportionerligt mot frekvensökningen och kurvan sticker iväg.

**Summation: ökad frekvens i aktionspotentialerna (> ca. 10 Hz) ger större kraft:**

Det andra sättet som är centralt inom muskelfysiologin är rekryteringen av olika typer av motoriska enheter. Ju fler motoriska enheter som kopplas på påverkar kraftutvecklingen. Men det finns också olika sorter. De mest uthålliga fibrer aktiveras alltid först. De kallas långsamma och de tröttnar i princip aldrig. I varje muskel finns det en fraktion av sådana fibrer, de är extremt uthålliga men de ger inte mycket kraft. Om de långsamma/uthålliga fibrerna kan sägas att de upptar ungefär en fjärdedel av muskeln, men står för endast 5 % av dess kraft. Detta varierar något mellan olika muskler men principen är den samma. Vissa muskler arbetar i stort sett hela tiden, exempel på det är muskler som håller huvud och tyggrad upprätt. De arbetar hela dagen och förmodligen en stor del av natten också. Vi behöver inte kunna sambanden, men vi ska ha med oss att det alltid är de långsamma fibrerna som aktiveras först, eller om en så vill de långsamma motoriska enheterna. Musklelfibrerna är i sig inte speciellt långsamma, namnet kommer istället av att myosinet i dessa fibrer har vissa egenskaper och är lite segare.

Sedan kommer två andra typer som kallas snabba. Samma sak här med namnet, det har med myosinets förlopp att göra. "Fast fatigable resistant" utför ett betydande arbete och är ganska uthålliga. "Fast fatigable" tröttnar väldigt fort, de håller inte mer än en minut. Efter det så utvecklas det mjölksyra och de måste få vila och återhämta sig innan de fungerar igen. Även här kan förhållandena i procenten i grafen dock vara något överdrivna (även om det säkert finns en och annan muskel med just de förhållandena). Poängen är att de snabba fibrerna inte håller speciellt länge. "Fast fatigable" är de som används i 100 meters lopp, eller 50 meter simning eller av skidåkare i en uppförsbacke, tyngdlyftning eller annat som är explosivt, men kortvarigt. Sedan finns de fibrer som håller ännu kortare tid. De håller extremt kort tid 10 -15 sekunder, men de ger en väldig kraft.

**Rekrytering: aktivering av ett större antal motoriska enheter ger större kraft. Detta sker alltid i samma ordning, de mest uthålliga enheterna aktiveras först, därefter de mindre uthålliga men starkare motoriska enheterna.**

    *Bilden kan vara något överdriven. Det är principen av ordningen av rekryteringen och att det finns olika sorters fibrer som vi ska ha med oss.*

**Olika motoriska enheter har olika egenskaper**

Om en kör för fullt med typ I så tröttnar den i princip aldrig. Typ II A tröttnar efter ca 4 minuter och lägger av helt vid 60 minuter. Typ II X tröttnar extremt fort, efter en minut eller mindre. Orsaken till att typ I håller så länge är att de har en stor mängd mitokondrier och den använder sig av oxidativa enzymer och har förbränning i närvaro av syre. Det är en effektiv form av energiutvinning som kräver syre och fett eller socker. Den är krävande och det behövs rätt så bra tillflöde av syre och att koldioxiden skaffas bort. Övriga cellfibrer har inte så mycket mitokondrier och de har glykolytiska enzymer och de använder sig bara av glykol och de går inte in i elektrontransportkedjan. Det är inte lika effektivt, men det kräver inte syre. Den typen av energiutvinning fungerar i ungefär en minut och det bildas också en hel del mjölksyra under processen som levern sedan får ta hand om. Det blir alltid en produktion av mjölksyra vid muskelarbete, men det är inte alltid som nivån blir så hög att vi känner av den. De snabba fibrernas begränsade uthållighet beror alltså sammanfattningsvis på att de har en ineffektiv energiomsättning och att de producerar mycket väteprotoner och laktat som gör muskeln sur och den kan då inte arbeta längre.