[Sinh lý Guyton số 8] Sự kích thích và co cơ trơn

So với cơ vân, cơ trơn bé hơn rất nhiều với đường kính 1-5 micrometer, dài chỉ 20-500 micrometer. Ngược lại, cơ vân có đường kính lớn gấp 30 lần, chiều dài gấp hàng trăm lần sợi cơ trơn. Nhìn chung, cơ chế co cơ của 2 loại như nhau, là do lực liên kết giữa sợi myosin và sợi actin. Tuy nhiên, sự sắp xếp cơ học bên trong mới tạo ra sự khác biệt.

I.PHÂN LOẠI CƠ TRƠN

Cơ trơn ở mỗi cơ quan có các đặc điểm khác nhau: (1) kích thước (2) sự sắp xếp trong các bó (3) đáp ứng với các kích thích khác nhau (4) đặc điểm phân bố thần kinh (5) chức năng. Tuy nhiên, để đơn gian, cơ trơn được chia làm 2 loại: Cơ trơn nhiều đơn vị và cơ trơn một đơn vị Cơ trơn nhiều đơn vị. Cơ trơn nhiều đơn vị gồm nhiều sợi cơ trơn riêng rẽ, mỗi sợ hoạt động  hoàn toàn độc lập, được điều khiển bởi tận cùng thần kinh riêng như cơ vân. Mặt ngoài của sợi cơ, giống như cơ vân, được phủ một lớp mỏng là hỗn hợp của collagen và glycoprotein, có tác dụng tách rời các sợi cơ. Đặc điểm của sợi cơ trơn nhiều đơn vị là mỗi sợi cơ hoạt động độc lập với nhau, do các sợi thần kinh riêng rẽ chi phối. Ví dụ: cơ mi mắt, cơ co đồng tử, cơ dựng lông.

Cơ trơn một đơn vị: có nghĩa là toàn bộ hàng trăm đến hàng triệu sợi cơ cùng co đồng thời một lúc. Các sợi cơ thường tập trung lại thành từng lớp hoặc bó, màng của chúng dính nhau ở nhiều điểm, do đó lực sinh ra trong một sợi cơ có thể truyền sang sợi bên cạnh. Các màng sợi cơ còn nối với nhau bởi các cầu nối qua đó các ion truyền tự do qua các sợi cơ làm cho các sợi cơ cùng co đồng thời. Loại cơ trơn này được gọi là cơ trơn hợp bào, thường gặp ở các tạng rỗng như ruột, ống mật, niệu quản, tử cung, mạch máu, do đó cũng được gọi là cơ trơn tạng.

II.CƠ CHẾ CO CƠ

Thành phần

Cơ trơn có các sợi actin và myosin, tính chất hóa học tương tự như sợi actin và myosin của cơ vân. Tuy nhiên, nó không chứa phức hợp troponin- thành phần kiểm soát co cơ ở cơ vân, vì vậy cơ chế kiểm soát co cơ 2 loại khác nhau. Vấn đề này sẽ được giải thích sau một cách rõ hơn.

Các nghiên cứu chỉ ra rằng, sợi actin và myosin trong cơ trơn hoạt động như cơ chế của cơ vân. Cụ thể là, quá trình này được hoạt hóa bởi ion Ca và adenosine triphosphate (ATP) bị phân giải thành adenosine diphosphate (ADP) để cung cấp năng lượng cho sự co cơ.

Tuy nhiên, có những khác nhau chủ yếu giữa giữa cấu trúc cơ trơn và cơ vân, như khác nhau giữa kích thích-co cơ, cách kênh Ca, duy trì co cơ và năng lượng tiêu hao do co cơ.

Hình 8.2

Đặc điểm cấu tạo

Sự sắp xếp các sợi actin và myosin là khác nhau giữa cơ trơn khác cơ vân. Dưới kính hiển vi điện tử, một lượng lớn các sợi actin bị bó lại bởi các dense bodies. Một vài dense bodies gắn vào màng tế bào, một số khác nằm trong tế bào cơ. Các dense bodies trên màng tế bào gắn với nhau thông qua các cầu nối protetin nội bào, đây là cơ sở truyền lực co cơ giữa các tế bào.

Xen giữa các sợi actin là các sợi myosin. Sợi myosin có đường kính gấp đôi sợi actin. Dưới kính hiển vi điện tử, số lượng sợi actin gấp 5-10 lần sợi myosin.

     Hình 8.2 bên phải miêu tả một đơn vị cơ trơn. Nhiều sợi actin tỏa ra từ các dense bodies. Tận cùng các sợi actin nằm chồng chéo lên các sợi myosin. Cấu trúc này tương tự như cơ vân nhưng không theo quy luật của cơ vân. Thực tế, các dense bodies đóng vai trò tương tự như các đĩa Z của cơ vân.

Một sự khác biệt nữa là các sợi myosin có các cầu nối “sidepolar” được sắp xếp sao cho mỗi bên gắn với một phía cầu nối. Sự sắp xếp này cho phép các sợi myosin kéo một sợi actin theo một hướng và kéo các sợi actin khác theo hướng ngược lại. Việc này giúp các sợi cơ trơn co ngắn được 80% tổng chiều dài của chúng trong khi ở cơ vân chưa được 30%.

III.So sánh sự co cơ ở cơ trơn và cơ vân

Trong khi cơ vân co và giãn rất nhanh thì cơ vân co rất chậm, có thể kéo dài nhiều giờ hoặc thậm chí nhiều ngày. Vì vậy, rõ ràng cấu trúc và thành phần giữa 2 loại cơ sẽ khác nhau.

    Cầu nối Myosin chậm. Vận tốc của các cầu nối Myosin trong cơ trơn là sự gắn rồi nhả sợi các sợi actin, và  lại gắn rồi nhả, chậm nhiều lần so với cơ vân. Thực tế, tần số này ở cơ vân là 1/10 đến 1/300. Tuy nhiên, chính sự gắn chậm này làm tăng lực co cơ ở cơ trơn. Một lý do khác cho sự gắn chậm này là các cầu nối Myosin ở cơ trơn sử dụng ít năng lượng ATP hơn. 

    Nhu cầu năng lượng để duy trì co cơ thấp. Nhu cầu năng lượng này chỉ bằng 1/10 đến 1/300 so với cơ vân do quá trình gắn và nhả myosin với actin chỉ sử dụng 1 ATP, dù thời gian co cơ trơn kéo dài bao lâu. Điều này có vai trò quan trọng với tổng năng lượng cơ thể bởi các cơ quan như ruột, bàng quang, túi mật… co cơ gần như liên tục.

    Thời gian từ lúc kích thích đến khi co và giãn kéo dài. Nhìn chung, khoảng thời gian này từ 0- 100 mili giây, co tối đa sau 0.5 giây tiếp, giãn trong 1-2 giây, tổng thời gian 1-3 giây, dài gấp 30 lần so với cơ vân. Tuy nhiên, thời gian kích thích này tùy thuộc từng loại cơ trơn, có thể từ 0.2- 30 giây tùy loại. Điều này được giải thích là do các cầu nối Myosin chậm và đáp ứng với ion Ca chậm hơn cơ vân.

    Lực co tối đa của cơ trơn mạnh hơn nhiều lần cơ vân. Mặc dù cơ trơn có ít sợi myosin hơn và do các cầu nối Myosin chậm, lực co tối đa của cơ trơn mạnh hơn cơ vân nhiều lần. Ví dụ cùng một cm ² cơ trơn kéo được 4-6kg trong khi cơ vân chỉ kéo được 2-3kg. Nguyên nhân là do khả năng duy trì liên kết giữa sợi actin và myosin.

    The “Latch” Mechanism Facilitates Prolonged Holding of Contractions of Smooth Muscle. Once  smooth muscle has developed full contraction, the amount of continuing excitation can usually be reduced to far less than the initial level even though the muscle maintains its full force of contraction. Further, the energy consumed to maintain contraction is often minuscule, sometimes as little as 1/300 the energy required for comparable sustained skeletal muscle contraction. This  mechanism is called the “latch” mechanism. The importance of the latch mechanism is that it can maintain prolonged tonic contraction in smooth muscle for hours with little use of energy. Little continued excitatory signal is required from nerve fibers or hormonal sources.

    Stress-Relaxation of Smooth Muscle. Another important characteristic of smooth muscle, especially the visceral unitary type of smooth muscle of many hollow organs, is its ability to return to nearly its original force of contraction seconds or minutes after it has been elongated or shortened. For example, a sudden increase in fluid volume in the urinary bladder, thus stretching the smooth muscle in the bladder wall, causes an immediate large increase in pressure in the bladder. However, during the next 15 seconds to a minute or so, despite continued stretch of the bladder wall, the pressure returns almost exactly back to the original level. Then, when the volume is increased by another step, the same effect occurs again. Conversely, when the volume is suddenly decreased, the pressure falls drastically at first but then rises in another few seconds or minutes to or near to the original level. These phenomena are called stress-relaxation and reverse stress-relaxation. Their importance is that, except for short periods, they allow a hollow organ to maintain about the same amount of pressure inside its lumen despite sustained, large changes in volume.

Advertisement

VI.VAI TRÒ ION CANXI TRONG CO CƠ

Giống như cơ vân, việc tăng nồng độ Ca nội bào dẫn đến quá trình co cơ. Mức tăng này khác nhau ở từng tế bào cơ trơn, phụ thuộc thần kinh kích thích, hormone, sức căng của sợi cơ và nồng độ chất hóa học trong sợi.

Cơ trơn không có troponin- protein được hoạt hóa bởi Ca gây ra co cơ ở cơ vân. Ion Ca kết hợp với Calmodulin để hoạt hóa Myosin Kinase và photphorin hóa Myosin Thay vì troponin, cơ trơn chứa lượng lớn một protein gọi là calmodulin. Mặc dù cấu tạo tương tự nhau nhưng khác về cơ chế kích hoạt co cơ. Calmodulin kích hoạt co cơ bằng cách hoạt hóa các cầu nối myosin theo các bước như sau:

    Hình 8-3. Nồng độ Ca nội bào tăng khi Ca⁺⁺ đi vào trong tế bào qua kênh Ca trên màng tế bào hoặc được giải phóng từ lưới cơ tương. Ca⁺⁺ gắn với camodulin (CaM) trở thành phức hợp Ca⁺⁺ –  CaM, hoạt hóa chuỗi nhẹ myosin kinase (MLCK). Chuỗi MLCK sau khi được  photphoryl hóa sẽ làm gắn các đầu myosin với actin, gây co cơ trơn.

1. Nồng độ Ca trong dịch cytosolic tăng làm Ca đi từ ngoài bào vào qua kênh Ca và hoặc giải phóng Ca từ lưới cơ tương.
2. Ca kết hợp với calmodulin
3. Phức hợp Canxi-calmodulin kích hoạt chuỗi nhẹ myosin kinase- một loại enzyme được photphoryl hóa
4. Các đầu myosin được photphoryl hóa có khả năng gán với actin

Phân loại Ca

Mặc dù quá trình co cơ của cơ trơn giống như cơ vân, bị hoạt hóa bởi ions Ca, nhưng nguồn gốc khác nhau. Cơ vân chủ yếu lấy Ca từ lưới cơ tương, cơ trơn lấy Ca chủ yếu từ dịch ngoại bào, xảy ra khi có điện thế hoạt động hoặc các kích thích khác. Đó là do nồng độ ions Ca trong dịch ngoài bào cao (10^-3 molar) trong khi trong tế bào cơ trơn chưa đến 10^-7 molar, việc này làm khuếch tán nhanh chóng Ca từ dịch ngoài bào vào trong tế bào khi các kênh Ca mở ra. Thời gian khuếch tán từ 200-300 mili giây và được gọi là giai đoạn muộn trước co cơ. Giai đoạn này kéo dài hơn ở cơ vân 50 lần.

Nguồn: Guyton and Hall textbook of Medical Physiology.Chapter 8:Excitation and Contraction of Smooth Muscle