34                                                                                                                                                      Principles of Neural Science

 

 

 

MOTOR BİRİM VE KAS HAREKETİ

 

Gerald E. Loeb & Claude Ghez

 

 

 

 

Motor Nöronlar Buyrukları Kas Liflerine İletir

 

Kas Liflerinin Kontraktil Mekanizması Sarkomerler ve Çapraz Köprüler Biçiminde Düzenlenmiştir

 

Sarkomerler Birbiri Arasına Girmiş Kalın ve İnce

Filamanların Bileşimidir

 

Kontraktil Güç Çapraz Köprüler Tarafından

Oluşturulur

 

Kasın Kontraktil Olmayan Bileşenleri, Kontraktil

Elemanlara Kararlılık Desteği Sağlar

 

Kontraktil Güç, Herbir Kas Lifi Aktivasyonuna, Uzunluk ve Hızına Bağlıdır

 

        Çapraz Köprü Oluşumu Kalsiyuma Bağlıdır

 

          Çapraz Köprülerin Sayısı, Aktin ve Miyozin

Filamanların Binişme Derecesine Bağlıdır

 

Çapraz Köprülerin Oluşturduğu Güç, Sarkomerin

Hızına Bağlıdır

 

Yinelenen Kas Etkinliği Yorgunluğa Neden Olur

 

Üç Tip Motor Birim, Hız, Kasılma Gücü ve Yorgunluk Geliştirme Yönünden Farklıdır

 

Motor Birim Belirli Bir Düzen İçinde Etkinliğe Katılır

 

        Motor Birimlerin Elektriksel Özellikleri, Onların

Sinaptik Girdilere Yanıtlarını Belirler

 

Kasılma Gücü, Etkinliğe Katılan Motor Birim Sayısına

Ve Bunların Ateşleme Hızlarına Bağlıdır

 

Hareketler, İskelet Eklemlerin Etkiyen Birçok Kasın Eşgüdümlü Çalışması ile Oluşur

 

        Kaslar, Herbir Eklemde Farklı Etkilere Yol Açar

 

          Eklemdeki Hızlı Tork Değişiklikleri, Agonist ve

Antagonist Kasların Sıralı Aktivasyonunu Gerektirir

 

Eylemsizliği Yenmek İçin Kas Gücü Gereklidir

 

Kas Gücü, Eklemlerde Sertlik Oluşturmak Üzere

Kullanılabilir

 

Kaslar Birden Fazla Sayıdaki Eklemde Etkili Olabilir

 

Genel Özet

 

 

“….insanoğlunun yapabileceğinin hepsi hareket ettirmektir; ister bir hece fısıldarken, ister bir orman devirirken tek eylemcisi kastır.”

 

                                        Charles Sherrington, 1924

 

 

 

Giriş

        Beyindeki mükemmel bilgi işlemin en temel sonucu / ürünü, iskelet kaslarını çalıştırmaktır. Hayvanlar, gövdelerinin bölümlerine istendik hareketleri yaptırabilme yetileri ile bitkilerden ayrılırlar. Ne zaman ve nasıl devinileceğine karar vermek sorunu ise büyük ölçüde, sinir sisteminin evrimleşmesinin sürücü gücü olmuştur. Bu bölümde, sinir sisteminde bilginin taşınmasını sağlayan elektriksel ve kimyasal sinyallerin nasıl olup da sonunda hareketi oluşturan güç ve yer değiştirmelere dönüştüğü incelenecektir.

          En ilkel hayvanlar dahil tüm hayvanlarda hareket özelleşmiş kas hücreleri tarafından oluşturulur. Üç genel tip kas vardır: 1) Düz kaslar – başlıca, peristalsis ve kan akımı kontrolünü sağlayan içsel işlerde kullanılır. 2) Kalb kası – özellikle kan pompalamak içindir. 3) İskelet kasları – başlıca, kemikleri hareket ettirmek için kullanılır. Bu bölümde, özellikle memeli iskelet kasının düzenlenme ve nöral kontrolu işlenecektir.

          Bu bölümün büyük bölümü, kas, tendon ve eklemlerin özellikleri ile ekstremite hareketlerini yöneten fizik yasaları ile ilgilidir. Bir işi yerine getirmek için beyin, bu özellik ve yasalara dayanan bir kontrol sorununu çözmek zorundadır. Çok sayıda bağlantılı segmentten oluşan bir sistemde kontrolün ne denli güç olduğunu (mükemel olması gerektiğini) anlamak (takdir etmek) için, endüstriyel robotlardaki muazzam bilgi işlem kapasitesine karşın, beklenmeyen durumlardaki (ki basit bir hayvan için bile sorun oluşturmaz) telafi edici davranış yetersizliklerini düşünmek yeterlidir. Çözümün en azından bir bölümü, kasların kendisi tarafından sağlanmaktadır. İskelet kaslarımız, hareketlerimizin akıcı, pürüzsüz ve güçlü olmasını sağlayan mekanik özelliklerle donatılmıştır.

 

Motor Birimler Buyrukları Kas Liflerine Taşır

 

          İskelet kasları, iplik benzeri fasikül demetlerinden, fasiküller de çok çekirdekli hücreler olan çok ince kas lifli demetlerinden oluşur. Tipik bir memeli kas lifi, 50-100 um çapında ve 2-6 cm uzunluğundadır. Böylece, tipik bir kas yüzbinlerce hatta milyonlarca bağımsız kontraktil elemandan oluşur; bunlar genellikle paralel, daha uzun kaslarda, hem de seri bağlanmıştır. Sinir sisteminin temel görevi bu elemanları an be an kontrol ederek, istendik hareketi oluşturacak doğru gerginliği iskelete uygulamaktır.

          Tipik bir kas, somaları beyin sapı veya omurilikte kümelenmiş yaklaşık yüz adet büyük motor nöron tarafından kontrol edilir (Şekil 34-1). Her motor nöronun aksonu, omuriliği ön kökten veya bir kranyal sinir ile terk eder ve giderek daha ince dallanmalar yaparak kasına ulaşır. Burada, 100-1000 kas lifini inerve etmek üzere geniş çapta dallanır. Gelişim süreci dışında, herbir kas lifi tek bir yerden (ortasında bir yerden) ve tek bir motor nöron tarafından inerve olur. Tek bir motor nöron tarafından inerve olan kas lifi topluluğuna motor birim denir. Motor birime düşen lif sayısı kastan kasa çok farklılık gösterir.

 

Şekil 34-1

 

 

          Bir motor nöron ile hedef kası arasındaki işlevsel bağlantı bir kimyasal sinaps olan uç plaktır. Uç plaklar, genellikle kasın tümü veya bir bölümünde band biçiminde uzanan kümeler oluşturur. Nöromüsküler kavşak büyük bir sinapstır; büyük, saydam asetilkolin vezikülleri içerir. Bu sinaps, öyle tasarımlanmıştır ki, motor nörondaki her aksiyon potansiyeli, presinaptik sonlanmadan (uç ayak) gereğinden fazla asetilkolin serbestleyerek (güvenlik etkeni), postsinaptik membranda mutlaka aksiyon potansiyeli oluşturabilecek depolarizasyon yaratır. Serbestlenen asetilkolin hemen asetilkolinesteraz ile hidrolizlenerek, kas lifini yeniden, bir sonraki aksiyon potansiyeli için hep veya hiç tarzı yanıt verebilecek duruma hazırlar. Aynı motor nöronun inerve ettiği kas lifleri “sadık” ve senkronize biçimde motor nöronun her aksiyon potansiyeline yanıt verirler.

          Nöromüsküler kavşak postsinaptik membranı, eşik değere ulaşan depolarizasyona uğrayınca, aksiyon potansiyeli, sarkolemma yüzeyinde her yöne doğru görece yavaş (3-5 m/s) yayılır. Kas lifi, büyük çaplı, miyelinsiz sinir lifi ile elektriksel benzerlik gösterir; yani, yayılma, yüksek transmembran akımlar gerektirir. Bu akımlar, görece büyük potansiyel gradyanları yaratır.

          Motor nöronun tek aksiyon potansiyeli, yüzlerce kas lifini senkronize harekete geçirebildiği için oluşan elektriksel sinyal kas dışından saptanabilir (ölçülebilir) düzeydedir. Ayrıca, asgari güçten daha fazlası gerektiğinde, birçok motor nöron, senkron olmayan aksiyon potansiyelleri üretir; ancak bunların arasında, örtüşerek, senkronize görünenleri de vardır. Sonuçta oluşan karmaşık örüntülü aksiyon potansiyelleri (tipik olarak 100 uM genlikli), elektromiyogram (EMG) adını verdiğimiz teknikle, deri yüzeyindeki elektrodlar arasından yazdırılabilir. Belirli kaslardan yazdırılan bu örüntülerin birbirlerine göre farklı zamanlama ve genlik özellikleri, her bir kası inerve eden motor nöronların “kümeleşme” (birlikte davranma) etkinliklerini yansıtır. Elektromiyografik sinyaller ve bu yöntem, motor kontrolü araştırmak ve motor sistemler ile kasların kendi patolojilerini tanımak yönünden değerli bir araçtır.

 

Kas Liflerinin Kontraktil Mekanizması Sarkomerler ve Çapraz Köprüler Olarak Düzenlenmiştir

 

        Işık mikroskobu ile incelendiğinde, tek bir kas lifinin, uzunlamasına yinelenen örüntüde yer almış açık ve koyu renkli çizgiler oluşturan pek çok miyofibril içerdiği görülür. Koyu olanlar uzunluklarını korurken, açık olanlar, kas etkinliği ve boyu değişikliklerini yansıtacak biçimde uzar veya kısalır.

 

Sarkomerler Binişmiş Kalın ve İnce Filamanların Bileşimidir

 

          Elektron mikroskopta, herbir miyofibrilin uzunlamasına sıralanmış sarkomer denen silindirik yapılar içerdiği görülür. Her sarkomerde binişmiş ince ve kalın kontraktil proteinler vardır; her birimi bir “Z” bandı sınırlandırır (Şekil 34-2). Band görünümünü değiştiren etkinlilk sırasındaki binişme derecesidir. Sarkomer, iskelet kasında uzunluğun işlevsel birimidir. Bir kasın tüm liflerindeki tüm miyofibriller, içerdikleri kontraktil olmayan elemanların mekanik bağlantıları nedeniyle, birarada uzunluk değişiklikleri sergilemeye yatkındır. Her sarkomerin fizyolojik genişlik sınırları 1.3 – 3.5 umdir. 4 cmlik dinlenim uzunluğu bulunan bir kas lifinde, bir dizide, yaklaşık 20,000 sarkomer bulunur.

 

Şekil 34-2

 

 

          İnce filamanlar, Z disklerinden her iki yöne doğru uzanırken, kalın filamanlar, kesintilidir ve sarkomerin ortasında “yüzer” durumdadır. Her ince filamanın temel bileşeni, heliks biçiminde düzenlenmiş bir çift polimerize aktin monomeridir (F aktin) (Şekil 34-2C). İnce filaman, aynı zamanda, tropomiyozin (aktin çiftinin oluğunda uzanan lifli protein) ve troponin (tropomiyozin filamanlarına belirli aralarla tutunmuş küçük moleküler kompleksler) içerir.

          Kalın filaman, hemen tüm uzunluğu boyunca biribirine dolanmış 250 miyozin molekülü içerir. Bunların, kısa saplarında yeralan globüler başları dışa doğru çıkıntı yapar (Şekil 34-2C).

 

Kontraktil Gücü Çapraz Köprüler Oluşturur

 

          Filamanlar kontraktil elemanlardır. Kasılan bir kasta, komşu kalın ve ince filamanlar, miyozin başları ve aktindeki bağlanm bölgeleri arasındaki siklik etkileşimlerden güç alarak, birbirleri arasında kayarlar. Bu duruma, A.F. Huxley ve Ark.nın 1950lerin başında geliştirdiği,“kayan filamanlar varsayımı” denir.

          Her globüler miyozin başı bir ATPaz içerir; ATPnin kimyasal enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür (bu arada miyozin baş deforme olur) (Şekil 34-3). Bu depolanmış mekanik enerji, ancak, miyozin başı, kalsiyum ile aktive edilmiş ince filaman bağlanma bölgesine bağlandığında serbestleşir. Tutunan baş veya çapraz köprü, bir kürek gibi hareket ederek, ince filamanı, kalın filamanın üzerine binecek biçimde (birimi kısaltacak biçimde) uzunlamasına çeker ve kas lifini de kısaltır.

 

 

Şekil 34-3