821201 General Physiologyระบบกลามเนื้อ

(Muscular system)

อ.ดร. ชลี ไพบูลยกิจกุล

กลามเนื้อแบงออกเปน 3 ชนิด

1. กลามเนื้อลาย (Striated or skeleton muscle)2. กลามเนื้อหัวใจ (Cardiac or heart muscle)3. กลามเนื้อเรียบ (Smooth muscle)

โครงสรางของกลามเนื้อลาย

- ใยกลามเนื้อ (muscle fiber)- เสนใยกลามเนื้อเล็ก (myofibril)- เสนใยกลามเนื้อฝอย (myofilament)- แบบหนา (thick filament)- แบบบาง (thin filament)

เซลลกลามเนื้อลาย (muscle fiber)

- ผนังหอหุมเซลล เรียกวา sarcolemma- nucleus- thick และ thin filaments- mitochondria- ER or sacoplasmic reticulum (SR)

ระบบซารโคทิวบุลาร (sarcotubular system)

เซลลกลามเนื้อถูกลอมรอบดวยทอ 2 ชนิด1. SR2. T-tubule (transverse tubule)- terminal cisterna ทํ าหนาที่ บรรจุ Ca2+

- Ca2+ สวนใหญจะจับกับโปรตีน calsequestrin- muscle triad

ลายของกลามเนื้อ- บริเวณทึบแสง (A band, Antisotropic band)- บริเวณแถบจาง (I band, Isotropic band)- Z line, ระหวาง Z line 2 เสน เรียกวา sarcomere- H band- เสนใย S fibril ทํ าหนาที่ยึดปลาย 2 ขางของ thin

filament- M protein ทํ าหนาที่ จัดการเรียงตัวของ thick filament

มอเตอรยูนิต (motor unit)

- มอเตอรนิวรอน (motorneuron) 1 เซลล และกลุมของเซลลกลามเนื้อที่ถูกเลี้ยงดวย motorneuronนั้น

- ขนาดของ motor unit เกีย่วของกับความละเอียดและความแมนย ําในการทํ างานของกลามเนื้อ

องคประกอบทางชีวเคมีของ filament

1. เสนใยกลามเนื้อฝอยแบบหนา (thick filament)- ไมโอซิน (myosin) 6 เสน- เสนใยโปรตีนชนิดหนัก (heavy chain) 2 เสน- เสนใยโปรตีนชนิดเบา (light chain) 4 เสน

- N-terminal ของ heavy chain ขดรวมกันเปนสวนหัว (globular head)

- สวนหัวของ myosin มตีํ าแหนงสํ าคัญ 2 แหง- ตํ าแหนงที่ใหโปรตีน actin มาเกาะ (actin

binding site)- ตํ าแหนงที่มีเอนไซม adenosine

triphosphatase (ATPase)- ATPase ทํ าหนาที่สลาย ATP เพื่อใหไดพลังงานมาใชในการหดตัวของกลามเนื้อ

2. เสนใยกลามเนื้อฝอยแบบบาง (thin filament)ประกอบดวย

1. แอกทิน (actin) ลักษณะกลม เรียกวาG-actin (globular actin) มาเกาะกันเปนเสนบาง ๆ เรียกวา F-actin (fibrous actin)

- ที่ G-actin มีตํ าแหนงให myosin binding site มาเกาะ

2. Tropomyosin เปนเสนใย 2 เสนพันกันเปนเกลียว ฝงอยูในรอง F-actin

3. Troponin- Troponin-I (TN-I) ทํ าหนาที่ยับยั้งการหดตัวของกลามเนื้อ

- Troponin-C (TN-C) ทํ าหนาที่จับ Ca2+

- Troponin-T (TN-T) ทํ าหนาที่ยึด TN เขากับ tropomyosin

คุณสมบัติทางไฟฟาของเซลลกลามเนื้อลาย- กระตุนใหเกิด action potential เมือ่ศักยไฟฟาที่

cell membrane มคีาประมาณ –60 mV- หลังเกิด action potential เซลลจะพักสักครูแลวจึงตอบสนองตอการกระตุนครั้งใหม

- ระยะพักของเซลลกลามเนื้อตอตัวกระตุน1. ระยะดื้อแท (Absolute refractory period)2. ระยะดื้อสัมพัทธ (Relative refractory

period)

การเราและการหดตัวของกลามเนื้อลาย(Excitation-contraction coupling, EC coupling)

1. การเรากลามเนื้อใหเกิด action potential2. การสงสัญญาณบริเวณ triad3. การเปลี่ยนแปลงทางชวีเคมีของ filament4. การหดตัวของกลามเนื้อ5. การคลายตัวของกลามเนื้อ

1. การเรากลามเนื้อ (excitation of skeletonmuscle)

สัญญาณประสาทจากไขสันหลัง

neuromuscular junction

หลั่ง acetylcholine

จับกับ receptor ที่ motor end plate

cell membrane เพิม่ permeability ตอ Na+

End plate potential

สงสัญญาณไปที่ผนังของ T-tubule และบริเวณ triad

มีการหลั่ง Ca2+ จาก SR

2. การสงสัญญาณบริเวณ triad- T-tubule มโีปรตีนรับสัญญาณไฟฟา

dihydropyridine receptor- ryanodine receptor อยูบน terminal cisterna ของ

SR ทํ าหนาที่ เปนชองแคลเซียม ปลอย Ca2+

จาก SR

3. การเปลี่ยนแปลงทางชวีเคมีของ filament- ระยะพัก ไมเกิด cross-bridge ระหวาง thick และ

thin filamentTN-I + Tropomyosin

ปดบัง myosin binding site บน actin

- เมื่อถูกกระตุนดวย Ca2+Ca2+ + TN-C

Tropomyosin ขยับตัวออกจากรองของ F-actin

เปดตํ าแหนง myosin binding site บน actin

4. การหดตัวของกลามเนื้อ (muscle contraction)- การเคลื่อนที่ของ myosin เรียก power stroke- ความกวางของ A band ไมเปลี่ยน- ความกวางของ I band, H band ลดลง- เปนการเคลื่อนที่ของ thin filament เขาหา thick

filament เรียกวา ทฤษฎีการเลื่อนตัวของฟลาเมนต (sliding filament theory หรือ cross-bridgetheory)

5. การคลายตัวของกลามเนื้อ (relaxation of muscle)กลามเนื้อหดตัว

Ca2+ + TN-C

Ca2+ จะถูก pump กลับ SR โดย Ca2+ ATPase

Ca2+ รอบ myofibril ลดลง

กลามเนื้อคลายตัว

กลามเนื้อไมคลายตัว เกิดจาก1. contracture : ปม Ca2+ ไมทํ างาน2. rigor : กลามเนื้อขาด ATP

คุณสมบัติทางกลศาสตรของกลามเนื้อลาย

- ชนิดของการหดตัวของกลามเนื้อลาย (Type ofcontraction)

1. การหดตัวแบบแรงตึงคงที่ (Isotoniccontraction)

2. การหดตัวแบบความยาวคงที่ (Isometriccontraction) ความยาวของกลามเนื้อไมเปลี่ยน แตแรงตึงเพิ่มขึ้น

- การหดตัวแบบ twitch- ระยะแฝง (latent period)- ระยะเวลาหดตัว (contraction time)- ระยะเวลาคลายตัว (relaxation time)

ขนาดของแรงหดตัวของกลามเนื้อ(force summation)

1. จํ านวน motor unit ที่ทํ างาน- กลามเนื้อแตละมัดมีระดับการตอบสนองตอการกระตุน (threshold) ตางกัน

- แรงกระตุนที่ทํ าใหเกิดการหดตัวไดสูงสุด(maximum stimulus)

2. การรวมแรงของการหดตัวของเซลลกลามเนื้อ- การรวมตัวของแรงตึงแบบไมสมบูรณ

(Incomplete tetanus)- การรวมตัวของแรงตึงแบบสมบูรณ (Complete

tetanus)

การทีก่ลามเนื้อหดตัวไดแรงขึ้นเมื่อเพิ่มความถี่ของตัวกระตุน เกิดจาก

1. องคประกอบที่หดตัว2. องคประกอบ elastic

- serial elastic component- parallel elastic component

แหลงพลังงานของกลามเนื้อ(energy source of muscle)

1. ATP ใชในกระบวนการแบบใชออกซิเจน(oxidative phosphorylation)

2. glycogen ใชในกระบวนการแบบไมใชออกซิเจน (anaerobic glycolysis)

ผลลัพธได กรดแลกติก (lactic acid) และ ATP

ชนิดของกลามเนื้อลาย (muscle fiber types)

1. กลามเนื้อหดตัวชา (slow twitch muscle, Type I)2. กลามเนื้อหดตัวเร็ว (fast twitch muscle, Type II)

- Type IIa : red muscle- Type IIb : white muscle

- การพัฒนาของเซลลกลามเนื้ออยูภายใตอิทธิพลของเสนประสาทที่มาเลี้ยงกลามเนื้อนั้น

การปรับตัวของเซลลกลามเนื้อ

- การออกกํ าลังกาย- sex hormone : testosterone

การลาและการเจ็บปวดของกลามเนื้อ

- ขาด oxygen- ขาด ATP- สะสม lactic acid

กลามเนื้อหัวใจ (Cardiac muscle)

โครงสราง- Intercalated disc- Syncytium- เหมือนกลามเนื้อลาย แตตางกันที่

- filament นอยกวา- SR ไมพฒันาเปนกระเปาะเพื่อเก็บ Ca2+- ไมมี triad ในกลามเนื้อหัวใจ

หัวใจประกอบดวยเนื้อเยื่อ 3 ชนิด

1. Contractile cell: ทํ าหนาที่ หด-คลายเซลลกลามเนื้อ

2. Pacemaker cell: ท ําหนาที่สรางสัญญาณไฟฟา3. Conducting cell: ทํ าหนาที่นํ าคลื่นประสาทสูสวนตาง ๆ ของหัวใจ

คุณสมบัติทางไฟฟาของกลามเนื้อหัวใจ

- depolarlization : เหมอืนกลามเนื้อลาย- repolarlizaiton: ใชเวลานานกวากลามเนื้อลาย แบงเปน 3 ระยะ

1. ศกัยไฟฟาที่เยื่อหุมเซลลลดลงอยางรวดเร็ว2. plateau phase ศกัยไฟฟาที่เยื่อหุมเซลลคงที่ระยะเวลาหนึ่ง

3. ศกัยไฟฟาลดลงอยางรวดเร็ว

การเราและการหดตัวของกลามเนื้อหัวใจ(EC coupling)

- คลายกลามเนื้อลาย- มกีารชกันํ าการหลั่งแคลเซียมโดยแคลเซียม

(Ca2+ induced Ca2+ release)

คุณสมบัติทางกลศาสตรของกลามเนื้อหัวใจ

- ไมพบการรวมแรงของการหดตัว (tetanus)เหมือนในกลามเนื้อลาย

การควบคุมระดับแคลเซียมของกลามเนื้อหัวใจ

1. การควบคมุแคลเซียมเขาเซลล (Ca2+ influx)2. การปรบัการทํ างานขององคประกอบที่เกี่ยวของกบัการหดตัวตอแคลเซียม

- Positive inotropic effect ทํ าใหแรงหดตัวของกลามเนื้อเพิ่ม แตไมเปลี่ยนแปลงความยาวของกลามเนื้อ

3. การควบคมุแคลเซียมออกจากเซลล (Ca efflux)

กลามเนื้อเรียบ (Smooth muscle)

1. ชนิดหลายหนวย (multi-unit smooth muscle)2. ชนิดหนวยเดียว (unitary or visceral smooth

muscle)- Pacemaker cell- Syncytium

โครงสรางของกลามเนื้อเรียบ

- SR ไมพัฒนา มีขนาดเล็ก- ไมมี triad- actin เทากลามเนื้อลาย แต myosin นอยกวากลามเนื้อลาย 5 เทา

- dense bodies เปนโปรตีน alpha actinin คลายที่ Zline

คุณสมบัติทางไฟฟาของกลามเนื้อเรียบ

1. slow sinusoidal wave : Na+-K+ pump2. action potential

- เกดิจากการเคลื่อนของ Ca2+ ผานเขา-ออกเซลล

- กลามเนื้อเรียบไมมีชองโซเดียมชนิดปด-เปดเร็ว (fast Na+ channel)

การเราและการหดตัวของกลามเนื้อ

• เนื่องจาก SR ไมพัฒนา แหลงของ Ca2+ จึงสะสมในเซลล, sarcolemma และชองวางนอกเซลล (extracellular space)

กลามเนื้อถูกกระตุนCa2+ เคลื่อนเขาสูเซลล

รวมตัวกับโปรตีน calmodulin

ทํ าใหเอนไซม myosin light chain kinase เคลื่อนยายฟอสเฟตจาก ATP ไปให ไมโอซินชนิดเบา

myosin จับตัวกับ actin

กลามเนื้อหดตัว

กลามเนื้อคลายตัว• ไมโอซินชนิดเบาปลอยฟอสเฟตโดยเอนไซม

myosin light chain phosphatase

• ขบวนการเคลื่อนยายฟอสเฟตของไมโอซินเรียกวา myosin linked regulation

คุณสมบัติทางกลศาสตรของกลามเนื้อเรียบ

- เนือ้เยื่อเกี่ยวพันจํ ากัดการยึดตัวของกลามเนื้อเรียบ

- การหดตัวแบบโทนิค หรือโทน (tonic or tonecontraction) เปนสภาวะที่กลามเนื้อหดตัวดวยแรงไมเต็มที่ และหดตัวติดตอกันเปนเวลานาน

การควบคุมระดับแคลเซียมของกลามเนื้อเรียบ

- Ca2+ เคลื่อนผาน voltage-gated Ca2+ channel- สารสื่อประสาท ฮอรโมน หรือยาบางชนิดสามารถเปดชอง Ca2+ ได

ปจจัยที่มีอิทธิพลตอการหดตัวของกลามเนื้อเรียบ

- ประสาทอัตโนมัติSympathetic Nervous SystemParasympatheic Nervous System

- สารสื่อประสาท