یاختههای ماهیچهای: ریزترین کارخانههای حرکت بدن
ساختار یاخته ماهیچهای: از درشت تا ریز
برای درک الیاف ماهیچهای، باید مانند نقشهای که از یک کشور شروع میکنیم و به خیابانهای یک شهر میرسیم، از بزرگترین جزء به کوچکترین جزء برویم. بدن ما سه نوع ماهیچه دارد: اسکلتی (که استخوانها را میکشد)، قلبی (مخصوص قلب) و صاف (در دیواره رگها و معده). ما در این مقاله بیشتر روی ماهیچههای اسکلتی تمرکز میکنیم که حرکت ارادی را کنترل میکنند.
یک ماهیچه (مانند ماهیچه دوسر بازو) از هزاران دستهی موازی به نام دستهتار[6] تشکیل شده است. هر دستهتار خود از تعداد زیادی یاخته ماهیچهای یا فیبر ماهیچهای در کنار هم تشکیل شده است. این همان الیاف ماهیچهای است که موضوع مقاله ماست. هر یاخته ماهیچهای یک سلول کشیده و استوانهای شکل است که میتواند چند سانتیمتر طول داشته باشد و حاوی صدها یا هزاران میوفیبریل است.
| سطح ساختاری | توضیح | تشبیه |
|---|---|---|
| ماهیچه (مثل دوسر بازو) | اندام کامل که توسط بافت همبند (غلاف) پوشیده شده است. | یک کابل برق ضخیم |
| دستهتار[6] | دستهای از یاختههای ماهیچهای موازی، درون غلافی از بافت همبند. | رشتههای کوچکتر داخل کابل برق |
| یاخته/فیبر ماهیچهای (الیاف ماهیچهای) | یک سلول ماهیچهای منفرد، کشیده و چند هستهای. | یک سیم مسی داخل یکی از رشتهها |
| میوفیبریل[2] | ارگانهای رشتهای داخل یاخته؛ مسئول انقباض. | رشتههای بسیار نازک درون سیم مسی |
| سارکومر[7] | واحد تکراری و کنتراکتیل در طول میوفیبریل. | بخشهای تکراری یک نوار اندازهگیری کشسان |
| فیلامانها (رشتههای پروتئینی) | فیلامان نازک (اکتین) و فیلامان ضخیم (میوزین). | دو نوع میلهی پلاستیکی که روی هم میلغزند |
سارکومر: واحد اصلی انقباض
هر میوفیبریل مانند یک زنجیر از واحدهای تکراری به نام سارکومر[7] ساخته شده است. سارکومرها واحدهای عملکردی ماهیچه هستند؛ یعنی کوچکترین بخشی که میتواند منقبض شود. مرزهای هر سارکومر را صفحاتی به نام خط Z مشخص میکند. وقتی ماهیچه منقبض میشود، این خطوط Z به هم نزدیک میشوند و طول سارکومر کوتاه میشود، اما طول خود فیلامانهای پروتئینی تغییر نمیکند.
درون هر سارکومر دو نوع اصلی رشته یا فیلامان پروتئینی قرار دارد:
- فیلامان ضخیم (میوزین)[4]: این فیلامانها در مرکز سارکومر قرار گرفتهاند و از پروتئین میوزین ساخته شدهاند. میوزین سرهایی شبیه چوب گلف دارد که میتواند به فیلامان نازک متصل شود.
- فیلامان نازک (اکتین)[3]: این فیلامانها از دو طرف به خط Z متصل شدهاند و به سمت مرکز سارکومر کشیده شدهاند. ترکیبی از پروتئینهای اکتین، تروپومیوزین و تروپونین هستند.
ناحیهای که فقط فیلامان ضخیم وجود دارد را نوار A مینامند. ناحیهای که فقط فیلامان نازک وجود دارد را نوار I مینامند. در وسط نوار A، ناحیهای که فقط میوزین است (و اکتینی وجود ندارد) نوار H نام دارد. وقتی ماهیچه منقبض میشود، نوار I و نوار H باریک میشوند.
$ATP \rightarrow ADP + P_i + Energy$
این انرژی باعث تغییر شکل سر میوزین و ایجاد حرکت "پارو زنی" میشود.
مکانیسم لغزش فیلامانها: ماهیچه چگونه میکشد؟
نظریهی پذیرفته شده برای انقباض ماهیچه، نظریه لغزش فیلامانها[8] است. بر اساس این نظریه، انقباض ناشی از کوتاه شدن طول سارکومر است، اما این کوتاه شدن به دلیل کوتاه شدن خود فیلامانها نیست، بلکه به دلیل لغزش فیلامان نازک (اکتین) بر روی فیلامان ضخیم (میوزین) است. سرهای میوزین مانند چنگکهای کوچکی عمل میکنند که به اکتین متصل شده، خم میشوند، اکتین را به سمت مرکز سارکومر میکشند، سپس جدا شده و دوباره به نقطهی جدیدی روی اکتین متصل میشوند. این چرخه بارها تکرار میشود.
این فرآیند در ۵ مرحله اصلی رخ میدهد:
- اتصال: سر میوزین که به آن $ADP$ و $P_i$ (فسفات معدنی) متصل است، به جایگاه اتصال روی اکتین میچسبد.
- آزادسازی قدرت (حرکت پارو):$P_i$ و سپس $ADP$ از سر میوزین آزاد میشوند. این آزادسازی باعث تغییر شکل سر میوزین و خم شدن آن میشود. این خم شدن، فیلامان نازک را حدود ۱۰ نانومتر به سمت مرکز سارکومر میکشد.
- اتصال ATP: یک مولکول $ATP$ جدید به سر میوزین متصل میشود.
- جدایی: اتصال $ATP$ باعث کاهش میل ترکیبی میوزین به اکتین میشود و سر میوزین از اکتین جدا میشود.
- آمادهسازی مجدد: سر میوزین، $ATP$ را به $ADP$ و $P_i$ هیدرولیز (تجزیه) میکند. این عمل سر میوزین را به حالت اولیه پرانرژی بازمیگرداند و آمادهی اتصال مجدد به اکتین میشود.
از آنجایی که در یک میوفیبریل هزاران سارکومر پشت سر هم و کنار هم قرار گرفتهاند، این حرکت کوچک در هر سارکومر، در مجموع باعث کوتاه شدن قابل توجه کل یاخته ماهیچهای و در نهایت کل ماهیچه میشود.
تفاوت الیاف در انواع ماهیچههای بدن
همهی یاختههای ماهیچهای یکسان نیستند. تفاوت در ساختار و متابولیسم آنها، عملکردهای مختلفی را ممکن میسازد. این تفاوتها به ویژه در ماهیچههای اسکلتی قابل مشاهده است که عموماً به دو دستهی اصلی تقسیم میشوند:
| ویژگی | الیاف کندانقباض (نوع I) | الیاف تندانقباض (نوع II) |
|---|---|---|
| رنگ | قرمز (میوگلوبین[9] زیاد) | سفید (میوگلوبین کم) |
| منبع اصلی انرژی | تنفس هوازی (نیاز به اکسیژن) | گلیکولیز بیهوازی (بدون اکسیژن) |
| میزان خستگی | دیرخسته | زودخسته |
| میزان انقباض | کند اما پایدار | سریع و قدرتمند |
| مثال در بدن | ماهیچههای نگهدارنده حالت قامت (پشت)، ماهیچههای ساق پا در دوی ماراتن | ماهیچههای بازو در وزنهبرداری، ماهیچههای چشم |
| تشبیه | یک خودروی هیبریدی با برد بالا و مصرف بهینه | یک خودروی مسابقهای با شتاب زیاد ولی مصرف سوخت بالا |
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
[1]الیاف ماهیچهای (Muscle Fibers): همان یاختهها (سلولهای) ماهیچهای.
[2]میوفیبریل (Myofibril): اندامکهای رشتهای داخل سیتوپلاسم یاخته ماهیچهای که مسئول انقباض هستند.
[3]اکتین (Actin): پروتئین گلوبولری که زنجیرههای آن فیلامان نازک را میسازد.
[4]میوزین (Myosin): پروتئینی با یک سر کروی و یک دم بلند که فیلامان ضخیم را میسازد.
[5]انقباض ماهیچهای (Muscle Contraction): فرآیند کوتاه شدن یا ایجاد کشش در ماهیچه.
[6]دستهتار (Fascicle): دستهای از یاختههای ماهیچهای که توسط بافت همبند احاطه شدهاند.
[7]سارکومر (Sarcomere): واحد تکراری و انقباضی میوفیبریل، بین دو خط Z.
[8]نظریه لغزش فیلامانها (Sliding Filament Theory): نظریهای که مکانیسم انقباض را بر پایه لغزش اکتین و میوزین توضیح میدهد.
[9]میوگلوبین (Myoglobin): پروتئینی در ماهیچه که اکسیژن را ذخیره میکند و رنگ قرمز به ماهیچه میدهد.
[10]هایپرتروفی (Hypertrophy): افزایش حجم و سایز یک یاخته یا اندام. مقابل آن هیپرپلازی (افزایش تعداد یاختهها) است.
