CHƯƠNG 6. CO BÓP CỦA CƠ VÂN

Khoảng 40% của cơ thể là cơ vân, và có lẽ thêm 10% là cơ trơn và cơ tim. Một số nguyên tắc cơ bản của sự co bóp áp dụng cho tất cả các loại cơ. Trong chương này, chúng ta chủ yếu xem xét chức năng cơ vân; các chức năng chuyên biệt của cơ trơn được thảo luận trong Chương 8, và cơ tim được thảo luận trong Chương 9.

GIẢI PHẪU SINH LÝ CỦA CƠ VÂN

SỢI CƠ VÂN

Hình 6-1

Hình 6-1 cho thấy tổ chức của cơ vân, biểu thị rằng tất cả các cơ vân là bao gồm của nhiều các sợi phạm vi từ 10 đến 80µm đường kính. Mỗi một sợi của các sợi được tạo thành từ các tiểu đơn vị kế tiếp nhỏ hơn, cũng được thể hiện trong Hình 6-1 và được mô tả trong các phần tiếp theo.

Trong hầu hết các cơ vân, mỗi sợi kéo dài trên toàn bộ chiều dài của cơ. Ngoại trừ cho khoảng 2% của sợi, mỗi sợi thường được phân bố bởi chỉ một tận cùng thần kinh, nằm gần giữa của sợi.

Màng sợi cơ vân là một màng mỏng bao quanh một sợi cơ vân. Màng sợi cơ gồm có một màng tế bào thực sự, gọi là màng sinh chất, và một lớp áo bên ngoài tạo thành một lớp mỏng của polysaccharide quan trọng mà có chứa nhiều sợi collagen mỏng… Tại mỗi điểm cuối của sợi cơ, lớp bề mặt của màng sợi cơ này hợp nhất với một sợi gân. Các sợi gân lần lượt tập hợp thành các bó để tạo thành các gân cơ mà sau đó kết nối các cơ với xương.

Các tơ cơ bao gồm các sợi Actin và Myosin. Mỗi sợi cơ chứa vài trăm đến vài ngàn các tơ cơ, được minh họa trong hình mặt cắt ngang của Hình 6-1C. Mỗi tơ cơ (Hình 6-1D và E) bao gồm của khoảng 1500 các sợi myosin và 3000 các sợi actin kề nhau, đó là những phân tử protein lớn polyme hoá chịu trách nhiệm cho sự co cơ thực tế. Các sợi này có thể nhìn thấy trong chế độ xem theo chiều dọc trong ảnh chụp hiển vi điện tử của Hình 6-2 và được trình bày trong sơ đồ Hình 6-1, các phần của E thông qua L. Các sợi dày trong sơ đồ là myosin, và các sợi mỏng là actin.

Hình 6-2

Chú thích trong Hình 6-1E rằng các sợi myosin và actin đan vào nhau một phần và do đó gây ra các tơ cơ có các dải sáng và tối xen kẽ, như minh họa trong Hình 6-2. Các dải sáng chứa chỉ các sợi actin và được gọi là các băng I bởi vì chúng đẳng hướng với ánh sáng phân cực. Các dải tối chứa các sợi myosin, cũng như các đầu tận cùng của các sợi actin nơi chúng chồng lên myosin, và được gọi là các băng A bởi vì chúng dị hướng với ánh sáng phân cực. Cũng lưu ý các chỗ nhô ra nhỏ từ các mặt của sợi myosin trong Hình 6-1E và L. Những chỗ nhô ra này là các cầu nối chéo. Chính sự sự tương tác giữa các cầu nối chéo này và các sợi actin mà gây ra sự co cơ.

Hình 6-1E cũng cho thấy rằng các đầu tận cùng của các sợi actin được gắn vào một đĩa Z. Từ đĩa này, các sợi actin kéo dài ở cả hai hướng để đan vào với các sợi myosin. Đĩa Z, trong đó bao gồm các protein có dạng sợi khác nhau từ các sợi actin và myosin, đi ngang qua tơ cơ và cũng ngang từ tơ cơ đến tơ cơ, gắn các tơ cơ tất cả với nhau qua các hướng trên sợi cơ. Vì vậy, toàn bộ sợi cơ có các dải sáng và tối, cũng như các tơ cơ riêng lẻ. Những dải này làm cho cơ vân và cơ tim xuất hiện vân của chúng.

Một phần của tơ cơ (hoặc của toàn bộ sợi cơ) mà nằm giữa hai đĩa Z kế tiếp được gọi là một đơn vị co cơ. Khi sợi cơ đã co, như thể hiện ở dưới của Hình 6-5, chiều dài của đơn vị co cơ là khoảng 2µm. Ở chiều dài này, các sợi actin hoàn toàn chồng lên các sợi myosin, và các đầu của các sợi actin vừa mới bắt đầu chồng lên nhau. Được thảo luận sau, ở chiều dài này cơ có khả năng tạo ra lực co bóp lớn nhất của nó.

Hình 6-3

Hình 6-4

Các phân tử sợi nhỏ Titin giữ các sợi Myosin và Actin tại chỗ. Mối quan hệ gắn kết giữa các sợi myosin và actin được duy trì bởi một số lượng lớn các phân tử có dạng sợi của một loại protein được gọi là titin (Hình 6-3). Mỗi phân tử titin có trọng lượng phân tử khoảng 3 triệu, khiến cho nó một trong những phân tử protein lớn nhất trong cơ thể. Ngoài ra, bởi vì nó là có dạng sợi, nó rất là co giãn. Những phân tử titin co giãn hoạt động như một khung mà giữ các sợi myosin và actin tại chỗ sao cho cơ chế co bóp của đơn vị co cơ sẽ làm việc. Một đầu của phân tử titin là co giãn và được gắn vào đĩa Z, hoạt động như một lò xo và thay đổi chiều dài như đơn vị co cơ co và giãn. Phần khác của phân tử titin buộc nó với sợi dày myosin. Phân tử titin cũng xuất hiện để hoạt động như một khuôn mẫu cho sự hình thành ban đầu các phần của các sợi co bóp của đơn vị co cơ, đặc biệt là các sợi myosin.

Cơ tương là dịch nội bào giữa các tơ cơ. Nhiều các tơ cơ của mỗi sợi cơ lơ lửng cạnh nhau trong sợi cơ. Không gian giữa các tơ cơ được lấp đầy với dịch trong nội bào gọi là cơ tương, có chứa một lượng lớn kali, magiê và phosphat, cộng với nhiều các enzyme protein. Cũng có mặt là số lượng to lớn của ti thể mà nằm song song với các tơ cơ. Các ty thể cung cấp cho sự co các tơ cơ với một lượng lớn năng lượng ở dưới dạng các adenosine triphosphate (ATP) được hình thành bởi ty thể.

Lưới cơ tương là một lưới nội bào tương chuyên biệt của cơ vân. Cũng trong cơ tương xung quanh các tơ cơ của mỗi sợi cơ là một lưới rộng (Hình 6-4), được gọi là lưới cơ tương. Lưới này có một tổ chức đặc biệt mà vô cùng quan trọng trong việc điều tiết dự trữ, phát hành, và tái hấp thu canxi và do đó làm cơ co, như đã thảo luận trong Chương 7. Các loại của sợi cơ co nhanh có lưới cơ tương đặc biệt phong phú.

CƠ CHẾ CHUNG CỦA SỰ CO CƠ

Sự khởi đầu và thực hiện của co cơ xảy ra theo các bước tuần tự sau đây.

1. Một điện thế hoạt động di chuyển dọc theo một dây thần kinh vận động đến kết thúc của nó trên sợi cơ.
2. Tại mỗi tận cùng, dây thần kinh tiết ra một lượng nhỏ của chất dẫn truyền thần kinh acetylcholine.
3. Acetylcholine hoạt động trên một khu vực cục bộ của màng sợi cơ để mở các kênh cation có “cổng acetylcholine” thông qua các phân tử protein lơ lửng trong màng.
4. Việc mở của các kênh có cổng acetylcholine cho phép lượng lớn các ion natri đến khuếch tán vào bên trong của màng sợi cơ. Hoạt động này gây ra một khử cực cục bộ mà sẽ dẫn đến việc mở các kênh natri có cổng mở theo điện áp, khởi đầu một điện thế hoạt động ở màng.
5. Điện thế hoạt động di chuyển dọc theo màng sợi cơ trong cùng một cách mà các điện thế hoạt động đi dọc theo các màng sợi thần kinh.
6. Điện thế hoạt động khử cực màng tế bào cơ, và nhiều hoạt động điện điện thế chạy qua trung tâm của sợi cơ. Tại đây nó khiến lưới cơ tương giải phóng lượng lớn các ion canxi mà đã được dự trữ trong lưới này.
7. Các ion canxi khởi đầu lực hấp dẫn giữa các sợi actin và myosin, khiến chúng trượt dọc theo nhau, đó là quá trình co bóp.
8. Sau một phần nhỏ của một giây, các ion canxi được bơm trở lại vào lưới cơ tương bởi một bơm Ca ++ của màng và được dự trữ lại ở lưới cho đến khi một điện thế hoạt động cơ mới xuất hiện; loại bỏ các ion canxi từ các tơ cơ gây nên chấm dứt sự co cơ.

Bây giờ chúng ta mô tả cơ chế phân tử của quá trình co cơ.

CƠ CHẾ PHÂN TỬ CỦA SỰ CO CƠ

Hình 6-5

Co cơ xảy ra bởi một cơ chế sợi trượt. Hình 6-5 cho thấy cơ chế cơ bản của co cơ. Nó cho thấy trạng thái giãn của một đơn vị co cơ (ở trên) và trạng thái co (ở dưới). Trong trạng thái giãn, các đầu của các sợi actin kéo từ hai đĩa Z liên tiếp chỉ vừa đủ chồng lên nhau. Ngược lại, ở trạng thái co, các sợi actin này đã được kéo vào bên trong các sợi myosin, do đó hai đầu của chúng chồng lên nhau đến mức độ tối đa. Ngoài ra, các đĩa Z đã được kéo bởi các sợi actin đến tận đầu cuối của các sợi myosin. Như vậy, sự co cơ xảy ra bởi một cơ chế sợi trượt.

Nhưng cái gì gây ra các sợi actin trượt vào bên trong các sợi myosin? Hoạt động này được gây ra bởi lực tạo ra từ sự tương tác của các cầu nối ngang từ các sợi myosin với các sợi actin. Dưới điều kiện nghỉ ngơi, các lực này bất hoạt, nhưng khi một điện thế hoạt động di chuyển dọc theo sợi cơ, điều này gây cho lưới cơ tương giải phóng lượng lớn các ion canxi một cách nhanh chóng từ quanh các tơ cơ. Các ion canxi lần lượt kích hoạt các lực giữa các sợi myosin và actin, và sự co bóp bắt đầu. Tuy nhiên, năng lượng là cần thiết cho quá trình co bóp được tiến hành. Năng lượng này đến từ liên kết cao năng trong phân tử ATP, mà được giáng hóa thành adenosine diphosphate (ADP) để giải phóng năng lượng. Trong các phần tiếp theo, chúng ta sẽ mô tả các quá trình phân tử của co bóp.

ĐẶC ĐIỂM PHÂN TỬ CỦA CÁC SỢI CO BÓP

Hình 6-6

Các sợi myosin là bao gồm của các phân tử myosin kép. Mỗi một phân tử myosin, thể hiện trong Hình 6-6A, có trọng lượng phân tử khoảng 480.000. Hình 6-6B cho thấy tổ chức của nhiều phân tử để tạo thành một sợi myosin, cũng như sự tương tác của sợi này trên một mặt với các đầu tận của hai sợi actin.

Phân tử myosin (xem Hình 6-6A) bao gồm sáu chuỗi polypeptide – hai chuỗi nặng, mỗi chuỗi có trọng lượng phân tử khoảng 200.000, và bốn chuỗi nhẹ với trọng lượng phân tử khoảng 20.000 mỗi chuỗi. Hai chuỗi nặng quấn xoắn quanh nhau để tạo thành một chuỗi xoắn kép, được gọi là đuôi của phân tử myosin. Một đầu của mỗi chuỗi được gấp song phương thành một cấu trúc polypeptide hình cầu gọi là một đầu myosin. Như vậy, có hai đầu tự do ở một đầu của chuỗi xoắn kép phân tử myosin. Bốn chuỗi nhẹ cũng là một phần của đầu myosin, hai ở mỗi đầu. Các chuỗi nhẹ này giúp kiểm soát chức năng của đầu trong quá trình co cơ.

Sợi myosin được tạo thành từ 200 hoặc nhiều hơn các phân tử myosin riêng lẻ. Phần trung tâm của một trong các sợi này được thể hiện trong hình Hình 6-6B, sự xuất hiện các đuôi của các phân tử myosin bó lại với nhau để hình thành phần thân của sợi, trong khi nhiều đầu của các phân tử treo bên ngoài đến các bên của thân. Ngoài ra, một phần của thân của mỗi phân tử myosin treo đến bên cạnh cùng với đầu, do đó cấp một nhánh gửi tới đầu ngoài từ thân, như thể hiện trong hình. Các nhánh nhô ra và các đầu cùng nhau được gọi là các cầu nối chéo. Mỗi cầu nối chéo linh hoạt ở hai điểm gọi là khớp nối-một trong những nơi nhánh rời khỏi thân của sợi myosin, và khác nơi mà đầu gắn vào nhánh. Các nhánh có khớp nối cho phép các đầu được hoặc kéo dài xa ra ngoài từ thân của sợi myosin hoặc đưa lại gần tới thân. Các đầu có khớp nối lần lượt tham gia vào quá trình co bóp thực tế, như thảo luận trong các phần sau đây.

Tổng chiều dài của mỗi sợi myosin là không đổi – gần như chính xác 1,6µm. Lưu ý, tuy nhiên, không có cầu nối ngang các đầu ở trung tâm của sợi myosin cho một khoảng cách khoảng 0,2µm vì các nhánh có khớp nối kéo dài đi xa từ trung tâm.

Bây giờ, để hoàn thành bức tranh, sợi myosin xoắn lại do đó mỗi cặp liên tiếp của các cầu nối chéo có trục di dời từ cặp trước đó bằng 120 độ. Việc xoắn này đảm bảo rằng các cầu nối ngang kéo dài ở tất cả các hướng xung quanh sợi.

Adenosine Triphosphatase hoạt động của đầu myosin. Một đặc tính khác của đầu myosin mà cần thiết cho sự co cơ là nó có chức năng như một enzyme adenosine triphosphatase (ATPase). Như giải thích sau, đặc tính này cho phép đầu tách ra ATP và sử dụng năng lượng có nguồn gốc từ liên kết cao năng phosphat của ATP để nạp năng lượng cho quá trình co bóp.

Hình 6-7

Các sợi Actin bao gồm có actin, tropomyosin, và troponin. Trụ cột của sợi actin là một phân tử protein F-actin sợi kép, được miêu tả bởi hai sợi màu sáng hơn trong Hình 6-7. Hai sợi được quấn trong một chuỗi xoắn theo cách tương tự như phân tử myosin.

Mỗi sợi của chuỗi xoắn kép F-actin bao gồm các phân tử G-actin polyme hóa, mỗi cái có một trọng lượng phân tử khoảng 42.000. Kèm theo mỗi một của các phân tử G-actin là một phân tử ADP. Các phân tử ADP này được tin là các điểm hoạt động trên các sợi actin mà cùng các cầu nối chéo của các sợi myosin tương tác để gây co cơ. Các điểm hoạt động trên hai sợi F-actin của chuỗi xoắn kép xen kẽ nhau, cho một điểm hoạt động trên toàn bộ sợi actin là khoảng 2,7nm mỗi điểm.

Mỗi sợi actin dài khoảng 1µm. Nền của các sợi actin được chèn mạnh vào trong các đĩa Z; các đầu của các sợi nhô ra ở cả hai chiều nằm trong không gian giữa các các phân tử myosin, như thể hiện trong Hình 6-5.

Các phân tử Tropomyosin. Sợi actin cũng chứa một loại protein khác, tropomyosin. Mỗi phân tử của tropomyosin có trọng lượng phân tử là 70.000 và chiều dài là 40 nm. Những phân tử này được quấn xoắn xung quanh các mặt của chuỗi xoắn F-actin. Ở trạng thái nghỉ, các phân tử tropomyosin nằm trên đầu của các điểm hoạt động của các sợi actin bởi vậy không thể xảy ra thu hút giữa các sợi actin và myosin để gây ra co bóp.

Troponin và vai trò của nó trong sự co cơ. Gắn không liên tục dọc theo hai bên của các phân tử tropomyosin là những phân tử protein bổ sung được gọi là troponin. Các phân tử protein này thực chất là phức hợp của ba tiểu đơn vị protein liên kết lỏng lẻo, mỗi một trong số đó đóng một vai trò đặc thù trong việc kiểm soát sự co cơ. Một trong những tiểu đơn vị (troponin I) có ái lực mạnh với actin, tiểu đơn vị khác (troponin T) với tropomyosin, và cái thứ ba (troponin C) với các ion canxi. Phức hợp này được cho là gắn tropomyosin với actin. Ái lực mạnh của troponin với các ion canxi được cho là khởi đầu quá trình co bóp, như được giải thích trong phần tiếp theo.

Sự tương tác của một sợi myosin, hai sợi actin, và các ion canxi để gây ra co bóp

Sự ức chế của sợi Actin bởi phức hợp Troponin – Tropomyosin. Một actin sợi hoàn toàn không có sự hiện diện của phức hợp troponin-tropomyosin (nhưng có sự hiện diện của các ion magiê và ATP) liên kết ngay lập tức và mạnh với các đầu của các phân tử myosin. Sau đó, nếu phức hợp troponin-tropomyosin được thêm vào các sợi actin, sự liên kết giữa myosin và actin không diễn ra. Do đó, người ta tin rằng các điểm hoạt động trên sợi actin bình thường của cơ giãn là bị ức chế hoặc bị che phủ vị trí bởi phức hợp troponintropomyosin. Do đó, các điểm không thể gắn với các đầu của các sợi myosin để gây ra co bóp. Trước khi co bóp có thể xảy ra, tác dụng ức chế của chính phức hợp troponin-tropomyosin phải bị ức chế.

Sự hoạt hóa của sợi Actin bởi các ion canxi. Trong sự hiện diện của một lượng lớn của các ion canxi, tác dụng ức chế của troponin-tropomyosin trên các sợi actin chính nó lại bị ức chế. Cơ chế của sự ức chế này chưa được biết, nhưng có một giả thiết như sau: Khi các ion canxi kết hợp với troponin C, mỗi phân tử có thể liên kết mạnh với tối đa bốn ion canxi, phức hợp troponin được cho là trải qua một sự thay đổi về hình dạng mà trong một số cách kéo trên phân tử tropomyosin và di chuyển sâu hơn vào các rãnh giữa hai sợi actin. Hoạt động này “bộc lộ” các vị trí hoạt động của actin, do đó cho phép các vị trí hoạt động này thu hút các đầu của cầu nối chéo myosin và khiến sự co bóp được tiến hành. Mặc dù cơ chế này là giả thuyết, nó nhấn mạnh rằng mối quan hệ bình thường giữa phức hợp troponintropomyosin và actin bị thay đổi bởi các ion canxi, sinh ra một điều kiện mới dẫn đến sự co bóp.

Hình 6-8

Sự tương tác của sợi Actin “hoạt hóa” và các cầu nối chéo Myosin—Lý thuyết “đi bộ dọc” của sự co bóp. Ngay sau khi sợi actin được hoạt hóa bởi các ion canxi, đầu của các cầu nối chéo từ các sợi myosin trở nên thu hút với các vị trí hoạt động của sợi actin, và điều này, theo cách nào đó, khiến sự co bóp xảy ra. Mặc dù cách thức chính xác mà sự tương tác giữa các cầu nối chéo và actin gây ra sự co bóp vẫn còn phần nào là lý thuyết, một giả thuyết mà có bằng chứng đáng kể tồn tại là lý thuyết “đi bộ dọc” (hoặc “chốt cài”) của sự co bóp. Hình 6-8 chứng tỏ giả thiết cơ chế đi bộ dọc với sự co bóp. Hình cho thấy đầu của hai cầu nối chéo gắn vào và tách ra khỏi các vị trí hoạt động của một sợi actin. Khi một đầu gắn vào một vị trí hoạt động, sự liên kết này đồng thời gây ra những thay đổi sâu sắc trong năng lượng nội phân tử giữa đầu và nhánh cầu chéo của nó. Sự điều chỉnh mới của năng lượng làm cho đầu nghiêng về phía nhánh và kéo theo sợi actin cùng với nó. Sự nghiêng này của đầu được gọi là sinh công (power stroke). Ngay sau khi nghiêng, đầu sau đó tự động tách ra khỏi vị trí hoạt động. Tiếp theo, đầu trở lại hướng kéo dài của nó. Ở vị trí này, nó kết hợp với một vị trí hoạt động mới xa hơn xuống dọc theo sợi actin; đầu sau đó nghiêng một lần nữa để gây ra một sinh công mới, và sợi actin di chuyển thêm một bước. Do đó, đầu của các cầu chéo uốn cong trở lại và về phía trước và từng bước đi bộ dọc sợi actin, kéo hai đầu của hai sợi actin liên tiếp về phía trung tâm của sợi myosin.

Mỗi một của các cầu nối chéo được cho là hoạt động độc lập với tất cả các cầu nối khác, từng sự gắn và kéo trong một chu kỳ lặp đi lặp lại liên tục. Vì vậy, số cầu nối chéo tiếp xúc với sợi actin tại bất kỳ thời điểm nhất định nào càng lớn, lực của co bóp càng lớn.

ATP như nguồn năng lượng cho sự co bóp—Các sự kiện hóa học trong chuyển động của các đầu Myosin.

Khi một cơ co, làm việc được thực hiện và năng lượng là cần thiết. Một lượng lớn ATP được tách ra để tạo thành ADP trong suốt quá trình co bóp, và khối lượng công việc được thực hiện bởi cơ càng nhiều, lượng ATP được tách ra càng nhiều; hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Fenn. Các sự kiện nối tiếp dưới đây được cho là phương pháp để mà hiệu ứng này xảy ra:

1. Trước khi sự co bóp bắt đầu, đầu của các cầu chéo gắn với ATP. ATPase hoạt động của đầu myosin ngay lập tức sẽ tách ATP nhưng để lại sản phẩm tách, ADP cộng ion phosphate, liên kết với đầu. Trong trạng thái này, hình dáng của đầu bởi vậy mà nó mở rộng đường vuông góc về phía sợi actin nhưng vẫn chưa gắn vào actin.
2. Khi phức hợp troponin-tropomyosin liên kết với các ion canxi, các vị trí hoạt động trên sợi actin được bộc lộ và các đầu myosin sau đó liên kết với các vị trí này, như thể hiện trong Hình 6-8.
3. Sự liên kết giữa đầu của các cầu nối chéo và vị trí hoạt động của sợi actin gây ra một sự thay đổi về hình dạng tại đầu, khiến đầu nghiêng về phía nhánh của cầu nối chéo và thực hiện sinh công cho sự kéo sợi actin. Năng lượng mà kích hoạt sinh công là năng lượng đã được dự trữ, giống như một lò xo “vểnh lên”, bởi sự thay đổi về hình dạng mà đã xảy ra trong đầu khi phân tử ATP được tách ra trước đó.
4. Một khi đầu của cầu nối chéo nghiêng, sự giải phóng của ADP và ion phosphate mà trước đó gắn vào đầu được cho phép. Tại vị trí của giải phóng của ADP, một phân tử mới của ATP liên kết. Liên kết này của ATP mới gây ra tách rời của đầu khỏi actin.
5. Sau khi đầu đã tách ra khỏi actin, phân tử mới của ATP được tách ra để bắt đầu cho chu kỳ tiếp theo, dẫn tới một sinh công mới. Đó là, năng lượng “vểnh lên” lần nữa để đầu trở về trạng thái vuông góc của nó, sẵn sàng để bắt đầu chu kỳ sinh công mới.
6. Khi đầu vểnh lên (với năng lượng dự trữ của nó bắt nguồn từ ATP tách ra) liên kết với một vị trí hoạt động mới trên sợi actin, nó trở nên không vểnh lên và một lần nữa thực hiện một sinh công mới.

Như vậy, quá trình được tiến hành hết lần này đến lần khác cho đến khi các sợi actin kéo màng Z gần sát với các đầu của các sợi myosin hoặc cho đến khi mức tải trên cơ trở nên quá lớn để có thêm sự kéo xảy ra.

LƯỢNG SỢI ACTIN VÀ MYOSIN CHỒNG LÊN NHAU QUYẾT ĐỊNH SỰ TĂNG LỰC CO BÓP BỞI SỰ CO CƠ

Hình 6-9

Hình 6-9 cho thấy ảnh hưởng của chiều dài đơn vị co cơ và lượng sợi myosin-actin chồng lên nhau trên kích hoạt sự tăng lực co bóp bởi một sợi cơ co. Bên phải là mức độ khác nhau của sự chồng lên nhau của các sợi myosin và actin ở các chiều dài khác nhau đơn vị co cơ. Tại điểm D trên biểu đồ, sợi actin đã được kéo hoàn toàn ra khỏi đầu của sợi myosin, không có actin-myosin chồng lên nhau. Tại điểm này, sự tăng lực co bóp bởi hoạt động cơ là bằng không. Sau đó, khi đơn vị co cơ rút ngắn và sợi actin bắt đầu chồng lên sợi myosin, lực co bóp tăng dần cho đến khi chiều dài đơn vị co cơ giảm đến khoảng 2,2μm. Tại điểm này, sợi actin đã chồng lên tất cả các cầu nối chéo của sợi myosin nhưng vẫn chưa đạt đến trung tâm của sợi myosin. Với sự rút ngắn hơn nữa, đơn vị co cơ duy trì nguyên lực co bóp cho đến khi đạt đến điểm B, ở đây một đơn vị co cơ có chiều dài khoảng 2μm. Tại điểm này, các đầu của hai sợi actin bắt đầu chồng lên nhau bên cạnh sự chồng lên các sợi myosin. Khi chiều dài đơn vị co cơ giảm từ 2μm xuống khoảng 1,65μm, tại điểm A, cường độ của co bóp giảm nhanh. Tại điểm này, hai đĩa Z của đơn vị co cơ tiếp xúc đầu của các sợi myosin. Sau đó, khi co bóp vẫn còn tiến hành với chiều dài đơn vị co cơ ngắn hơn, các đầu của các sợi myosin bị dúm lại và, như thể hiện trong hình, cường độ của co bóp tiến gần về không, nhưng đơn vị co cơ bây giờ đã co bóp đến chiều dài ngắn nhất của nó.

Ảnh hưởng của chiều dài cơ trên lực co bóp trong cơ nguyên vẹn toàn bộ. Đường cong phía trên của Hình 6-10 là tương tự như trong Hình 6-9, nhưng đường cong trong Hình 6-10 mô tả lực co bóp của cơ nguyên vẹn, toàn bộ cơ chứ không phải của một sợi cơ duy nhất. Toàn bộ cơ có một lượng lớn của mô liên kết ở trong nó; ngoài ra, các đơn vị co cơ trong các phần khác nhau của cơ không phải luôn luôn co bóp với cùng số lượng. Do đó, đường cong có chiều hơi khác so với các thể hiện cho sợi cơ riêng lẻ, nhưng nó thể hiện cùng một dạng tổng quát cho sườn dốc trong phạm vi bình thường của co bóp, như đã nêu trong Hình 6-10.

Hình 6-10

Lưu ý trong Hình 6-10 rằng khi cơ ở chiều dài nghỉ bình thường của nó, đó là tại một đơn vị co cơ có chiều dài khoảng 2μm, nó co vào lúc hoạt động với lực co bóp xấp xỉ tối đa. Tuy nhiên, sự tăng trong lực co bóp xảy ra trong suốt co bóp, gọi là lực co bóp hoạt động, giảm khi cơ bị kéo căng quá chiều dài bình thường của nó – đó là, đến một chiều dài của đơn vị co cơ lớn hơn khoảng 2,2μm. Hiện tượng này được chứng minh bởi sự giảm chiều dài của mũi tên trong hình tại chiều dài lớn hơn cơ bình thường.

Sự liên quan của tốc độ của co bóp với mức tải

Hình 6-11

Một cơ vân co bóp nhanh chóng khi nó co mà không phải chống lại mức tải – đến một trạng thái co bóp đầy đủ trong khoảng trung bình 0,1s cho cơ. Khi mức tải được áp dụng, tốc độ của co bóp dần dần trở nên ít hơn khi tăng mức tải, như thể hiện trong Hình 6-11. Đó là, khi mức tải được tăng lên đến bằng với lực tối đa mà cơ có thể huy động, tốc độ của co bóp trở thành số không và co bóp không có kết quả, mặc dù có sự kích hoạt của sợi cơ.

Sự giảm tốc độ này của co bóp với mức tải gây ra bởi thực tế là một mức tải trên một cơ co bóp là một lực ngược lại mà đối kháng với lực co bóp gây ra bởi sự co cơ. Do đó, lực thực tế mà dùng được để gây ra tốc độ bị giảm ngắn lại vì lẽ đó.

NĂNG LƯỢNG CỦA SỰ CO BÓP CƠ

HIỆU SUẤT HOẠT ĐỘNG TRONG SUỐT SỰ CO CƠ

Khi một cơ co bóp chống lại một mức tải, nó thực hiện hoạt động. Để thực hiện hoạt động có nghĩa là năng lượng được truyền từ cơ đến ngoài mức tải để nâng một vật lên một độ cao lớn hơn hoặc để vượt qua cản trở chuyển động.

Trong thuật ngữ toán học, hiệu suất hoạt động được xác định bằng phương trình sau:

W = L x D

trong đó W là hiệu suất hoạt động, L là mức tải, và D là khoảng cách của chuyển động chống lại mức tải. Năng lượng cần thiết để thực hiện hoạt động được bắt nguồn từ các phản ứng hóa học trong các tế bào cơ trong khi co, như mô tả trong các phần sau.

BA NGUỒN CỦA NĂNG LƯỢNG CHO SỰ CO CƠ

Hầu hết năng lượng cần thiết cho sự co cơ được sử dụng để vận hành cơ chế đi bộ dọc theo đó các cầu nối chéo kéo các sợi actin, nhưng một lượng nhỏ là cần thiết cho ((1) bơm các ion canxi từ cơ tương vào lưới cơ tương sau khi co bóp kết thúc và (2) bơm các ion natri và kali qua màng sợi cơ để duy trì một môi trường ion thích hợp cho sự lan truyền điện thế hoạt động của sợi cơ.

Nồng độ của ATP trong sợi cơ, vào khoảng 4mmol, là đủ để duy trì đầy đủ sự co bóp cho nhiều nhất chỉ trong 1-2 giây. ATP bị tách ra để hình thành ADP, cái mà truyền năng lượng từ phân tử ATP tới bộ máy co bóp của sợi cơ. Sau đó, như đã mô tả ở Chương 2, ADP được tái phosphoryl hóa để hình thành ATP mới trong một phần nhỏ của một giây, điều này cho phép cơ tiếp tục sự co bóp của nó. Có ba nguồn năng lượng cho tái phosphoryl hóa này.

Nguồn thứ nhất của năng lượng mà được sử dụng để tái lập ATP là chất phosphocreatine, cái mà mang một liên kết phosphate cao năng tương tự như liên kết của ATP. Liên kết phosphate cao năng của phosphocreatine có một lượng năng lượng tự do cao hơn một chút so với mỗi một liên kết ATP, như được thảo luận chi tiết hơn trong Chương 68 và 73. Do đó, phosphocreatine ngay lập tức bị phân cắt, và năng lượng giải phóng của nó gây ra liên kết của một ion phosphate mới cho ADP để tái lập ATP. Tuy nhiên, tổng số lượng của phosphocreatine trong sợi cơ cũng là nhỏ – chỉ lớn như khoảng năm lần ATP. Vì vậy, nguồn năng lượng kết hợp của cả ATP dự trữ và phosphocreatine trong cơ có khả năng gây ra sự co cơ tối đa chỉ 5-8 giây.

Nguồn quan trọng thứ hai của năng lượng, được sử dụng để tái lập cả ATP và phosphocreatine, là “quá trình đường phân” cúa glycogen trước đó dự trữ trong các tế bào cơ. Enzyme nhanh chóng phân nhỏ glycogen thành acid pyruvic và acid lactic giải phóng năng lượng mà được sử dụng để chuyển đổi ADP thành ATP; ATP sau đó có thể được sử dụng trực tiếp để tiếp sức thêm cho sự co cơ và cũng để tái tạo dự trữ của phosphocreatine.

Sự quan trọng của cơ chế đường phân này gồm hai phần. Thứ nhất, các phản ứng phân hủy đường có thể xảy ra ngay cả trong điều kiện thiếu ôxy, bởi vậy sự co cơ có thể được duy trì trong nhiều giây và đôi khi lên đến hơn một phút, ngay cả khi sự cung cấp oxy từ máu là không có sẵn. Thứ hai, tốc độ hình thành của ATP bởi quá trình phân hủy đường là khoảng 2,5 lần nhanh như sự hình thành ATP ở đáp ứng của thực phẩm trong tế bào phản ứng với oxy. Tuy nhiên, rất nhiều sản phẩm cuối cùng của quá trình đường phân tích luỹ trong các tế bào cơ làm cho quá trình đường phân cũng mất đi khả năng của nó để duy trì sự co cơ tối đa sau khoảng 1 phút.

Nguồn thứ ba và cuối cùng của năng lượng là quá trình chuyển hóa oxy hóa, có nghĩa là kết hợp oxy với sản phẩm cuối cùng của quá trình đường phân và với các thức ăn khác nhau của tế bào để giải phóng ATP. Hơn 95% của tất cả năng lượng được sử dụng bởi các cơ bắp trong việc duy trì, sự co bóp dài hạn có nguồn gốc từ quá trình chuyển hóa oxy hóa. Loại thức ăn được tiêu thụ là carbohydrate, chất béo, và protein. Đối với cơ hoạt động rất lâu dài — trong khoảng thời gian nhiều giờ — cho đến nay tỷ lệ lớn nhất của năng lượng đến từ chất béo, nhưng trong khoảng thời gian từ 2 đến 4 giờ, nhiều như một nửa của năng lượng có thể đến từ carbohydrate dự trữ.

Cơ chế chi tiết của các quá trình năng lượng này được thảo luận trong Chương 67 đến 72. Ngoài ra, tầm quan trọng của các cơ chế khác nhau của giải phóng năng lượng trong quá trình thực hiện của các các môn thể thao khác nhau được thảo luận trong Chương 84.

Hiệu suất của sự co bóp cơ. Hiệu suất của một động cơ hay một vận động được tính bằng tỷ lệ phần trăm của năng lượng đầu vào mà được chuyển đổi thành hoạt động thay vì nhiệt. Tỷ lệ phần trăm của năng lượng đầu vào cho cơ (năng lượng hóa học trong các chất dinh dưỡng) mà có thể được chuyển đổi thành hoạt động, thậm chí theo các điều kiện tốt nhất, là ít hơn 25%, với phần còn lại trở thành nhiệt. Lý do cho hiệu suất thấp này là khoảng một nửa năng lượng trong thực phẩm bị mất trong sự hình thành ATP, và thậm chí sau đó chỉ 40-45% của năng lượng trong bản thân ATP sau này có thể được chuyển đổi thành hoạt động.

Hiệu suất tối đa có thể được thực hiện khi chỉ co bóp cơ ở một tốc độ vừa phải. Nếu co bóp cơ chậm hoặc không có bất kỳ chuyển động nào, một lượng nhỏ của nhiệt bảo dưỡng được giải phóng ra trong co bóp, mặc dù rất ít hoặc không có hoạt động được thực hiện, qua đó làm giảm hiệu suất chuyển đổi tới ít dần bằng không. Ngược lại, nếu co bóp quá nhanh, tỷ lệ lớn của năng lượng được sử dụng để vượt qua ma sát nhớt trong cơ của chính nó, và điều này cũng làm giảm hiệu suất của co bóp. Thông thường, hiệu suất tối đa được phát triển khi tốc độ của co bóp là khoảng 30% của mức tối đa.

ĐẶC ĐIỂM CỦA SỰ CO BÓP CƠ TOÀN BỘ

Nhiều đặc tính của sự co cơ có thể được chứng minh bằng gợi ra co giật cơ đơn độc. Điều này có thể được thực hiện bởi kích thích điện tức thời của thần kinh đến cơ hay bằng cách thông qua một kích thích điện ngắn thông qua chính cơ đó, hình thành nên một co bóp duy nhất, co bóp đột ngột kéo dài một phần nhỏ của một giây.

Co bóp đẳng trường không làm rút ngắn cơ, trong khi co bóp đẳng trương rút ngắn cơ tại một sức căng không đổi. Cơ co bóp được nói là đẳng trường khi cơ không bị rút ngắn trong suốt sự co bóp và là đẳng trương khi nó bị rút ngắn nhưng sức căng trên cơ vẫn không đổi trong suốt sự co bóp. Các hệ thống cho ghi lại hai loại của co cơ được thể hiện trong Hình 6-12.

Hình 6-12

Trong hệ thống đẳng trường, cơ co bóp chống lại một bộ chuyển đổi lực mà không làm giảm chiều dài cơ, như thể hiện trong bảng phía dưới của Hình 6-12. Trong hệ thống đẳng trương, cơ rút ngắn chống lại một mức tải cố định, mà được minh họa trong bảng trên cùng của hình, cho thấy một cơ đang nâng một trọng lượng. Các đặc điểm của co bóp đẳng trương phụ thuộc vào mức tải chống lại cái cơ co bóp, cũng như quán tính của mức tải. Tuy nhiên, hệ thống đẳng trường ghi lại những thay đổi trong lực của co cơ độc lập với quán tính mức tải. Do đó, hệ thống đẳng trường thường được sử dụng khi so sánh đặc điểm chức năng của các loại cơ khác nhau.

Đặc điểm của co giật đẳng trường ghi từ các cơ khác nhau. Cơ thể người có nhiều kích thước của các cơ vân – từ cơ bàn đạp nhỏ trong tai giữa, đo được chỉ dài một vài mm và một mm hay như vậy trong đường kính, lên đến lớn là cơ tứ đầu, lớn đến mức bằng một nửa triệu lần cơ bàn đạp. Hơn nữa, các sợi có thể nhỏ đến mức 10μm đường kính hoặc lớn đến 80μm. Cuối cùng, năng lượng của sự co cơ thay đổi đáng kể từ một cơ đến cơ khác. Vì vậy, không có gì ngạc nhiên rằn các đặc điểm cơ học của sự co cơ khác nhau giữa các cơ.

Hình 6-13

Hình 6-13 cho thấy bản ghi của co bóp đẳng trường của ba loại cơ vân: một cơ mắt, trong đó có một khoảng thời gian của co bóp đẳng trường ít hơn 1/50 giây; cơ sinh đôi cẳng chân, trong đó có một khoảng thời gian của co bóp khoảng 1/15 giây; và cơ dép, trong đó có một khoảng thời gian của co bóp khoảng 1/5 giây. Điều thú vị là những khoảng thời gian này của sự co bóp là để thích ứng với chức năng của từng cơ. Chuyển động mắt phải cực kỳ nhanh chóng để duy trì sự cố định của mắt vào đối tượng cụ thể để cung cấp chính xác về thị giác. Cơ sinh đôi cẳng chân phải co bóp nhanh chóng vừa phải để cung cấp đủ tốc độ của chuyển động chân tay cho chạy và nhảy, và cơ dép có liên quan chủ yếu với co bóp chậm mà liên tục, hỗ trợ lâu dài cho cơ thể chống lại trọng lực.

Các sợi cơ nhanh và chậm. Như sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong Chương 85 về sinh lý học thể thao, mọi cơ bắp của cơ thể bao gồm của một hỗn hợp của cái gọi là các sợi cơ nhanh và chậm, với các sợi khác vẫn sắp xếp giữa hai thái cực này. Các cơ bắp mà phản ứng nhanh chóng, bao gồm các cơ trước xương chày, được cấu tạo chủ yếu từ các sợi “nhanh” với chỉ số lượng nhỏ của loại chậm. Ngược lại, các cơ như cơ dép mà đáp ứng chậm, nhưng với sự co bóp kéo dài được cấu tạo chủ yếu từ các sợi “chậm”. Sự khác biệt giữa hai loại sợi được mô tả trong các phần sau đây.

Các sợi chậm (Loại 1, Cơ đỏ). Sau đây là những đặc điểm của các sợi chậm:

1. Các sợi chậm thì nhỏ hơn các sợi nhanh.
2. Các sợi chậm cũng được phân bố bởi các sợi thần kinh nhỏ.
3. So với các sợi nhanh, các sợi chậm có một hệ thống mạch máu phong phú hơn và nhiều các mao mạch hơn để cung cấp thêm lượng oxy.
4. Các sợi chậm đã tăng lên rất nhiều số lượng của ty thể để hỗ trợ mức độ cao của quá trình chuyển hóa oxy hóa.
5. Các sợi chậm có chứa một lượng lớn của myoglobin, một loại protein có chứa sắt tương tự với hemoglobin trong các tế bào hồng cầu. Myoglobin kết hợp với oxy và dự trữ cho tới khi cần thiết, nó còn tăng đáng kể tốc độ vận chuyển oxy đến ty thể. Myoglobin cung cấp cho cơ chậm một sự xuất hiện màu đỏ và do đó có tên cơ đỏ.

Các sợi nhanh (Loại II, Cơ trắng). Sau đây là những đặc điểm của các sợi nhanh:

1. Các sợi nhanh lớn cho cường độ lớn của co bóp.
2. Một lưới cơ tương phong phú có mặt cho sự giải phóng nhanh chóng của các ion canxi để bắt đầu co bóp.
3. Một lượng lớn của các enzym phân giải đường có mặt để giải phóng năng lượng bằng quá trình đường phân.
4. Các sợi nhanh có nguồn cung máu ít phong phú hơn so với các sợi chậm vì quá trình chuyển hóa oxy hóa có tầm quan trọng là thứ yếu.
5. Các sợi nhanh có ty thể ít hơn so với các sợi chậm, cũng bởi vì quá trình chuyển hóa oxy hóa là thứ yếu. Một thiếu hụt của myoglobin màu đỏ trong cơ nhanh cho nó có tên cơ trắng.

SỰ CO BÓP CƠ HỌC CỦA CƠ VÂN

Hình 6-14

Đơn vị vận động—Tất cả các sợi cơ phân bố bởi một sợi thần kinh duy nhất. Mỗi nơron vận động mà rời khỏi tủy sống được phân bố cho nhiều sợi cơ, với số lượng các sợi phân bố tùy thuộc vào loại cơ. Tất cả các sợi cơ phân bố bởi một sợi thần kinh duy nhất được gọi là một đơn vị vận động (Hình 6-14). Nhìn chung, các cơ nhỏ mà phản ứng nhanh chóng và có điều khiển chính xác phải được có các sợi thần kinh nhiều hơn cho ít các sợi cơ hơn (ví dụ, một vài như hai hoặc ba sợi cơ trên một đơn vị vận động ở một số của các cơ thanh quản). Ngược lại, các cơ lớn mà không đòi hỏi phải điều khiển tốt, chẳng hạn như cơ dép, có thể có vài trăm sợi cơ trong một đơn vị vận động. Một con số trung bình cho tất cả các cơ bắp của cơ thể là còn nghi vấn, nhưng một phỏng đoán tốt sẽ là khoảng 80-100 sợi cơ cho một đơn vị vận động.

Các sợi cơ ở mỗi đơn vị vận động không tụ lại tất cả trong cơ mà chồng lên các đơn vị vận động khác trong các vi bó của 3 đến 15 sợi. Sự cài vào nhau này cho phép các đơn vị vận động riêng biệt để co bóp hỗ trợ cho một số khác chứ không phải là các phân khúc hoàn toàn riêng biệt.

Sự co cơ của lực khác nhau—Tổng lực. Tổng có nghĩa là cộng với nhau của các co giật cơ riêng rẽ để tăng cường độ của co cơ tổng thể. Tổng diễn ra theo hai cách: (1) bằng cách tăng số lượng của các đơn vị vận động co bóp cùng một lúc, nó được gọi là tổng nhiều sợi, và (2) bằng cách tăng tần số của co bóp, được gọi là tổng tần số và có thể dẫn đến co cứng cơ.

Tổng nhiều sợi. Khi hệ thống thần kinh trung ương gửi một tín hiệu yếu để co bóp một cơ, các đơn vị vận động nhỏ hơn của cơ có thể được kích thích trong ưu tiên với các đơn vị vận động lớn hơn. Sau đó, khi cường độ của tín hiệu tăng, lớn hơn và các đơn vị vận động lớn hơn cũng bắt đầu được kích thích, với các đơn vị vận động lớn nhất thường có nhiều gấp 50 lần lực co bóp của các đơn vị nhỏ nhất. Hiện tượng này, được gọi là nguyên lý kích thước, rất quan trọng vì nó cho phép sự thay đổi từ từ lực của cơ trong khi co bóp yếu xảy ra trong các bước nhỏ, trong khi mà các bước trở nên dần dần lớn hơn khi một lượng lớn lực được yêu cầu. Nguyên lý kích thước này xảy ra bởi vì các đơn vị vận động nhỏ hơn được điều khiển bởi các sợi thần kinh vận động nhỏ, và các nơron vận động nhỏ trong tủy sống nhiều dễ bị kích thích hơn so với những nơron lớn hơn, nên tất nhiên chúng bị kích thích đầu tiên.

Một tính năng khác quan trọng của tổng nhiều sợi là các đơn vị vận động khác nhau được điều khiển không đồng bộ bởi tủy sống; kết quả là, luân phiên co bóp giữa các đơn vị vận động sau một đơn vị khác, do đó cung cấp co bóp nhịp nhàng ngay cả ở các tần số thấp của tín hiệu thần kinh.

Hình 6-15

Tần số tổng và sự co cứng. Hình 6-15 cho thấy các nguyên lý của tổng tần số và sự co cứng. Sự co thắt riêng lẻ xảy ra sau một co thắt khác ở tần số thấp của kích thích được hiển thị bên trái. Sau đó, khi tần số tăng, đến một điểm khi nào mỗi co bóp mới xảy ra trước co bóp ở trước là nhiều hơn. Kết quả là, co bóp thứ hai thêm một phần cho co bóp đầu tiên, và do đó tổng cường độ co bóp tăng dần với sự tăng tần số. Khi tần số đạt đến một mức độ giới hạn, các co bóp liên tiếp cuối cùng trở nên quá nhanh đến nỗi chúng hợp nhất với nhau và cả sự co cơ xuất hiện là hoàn toàn nhịp nhàng và liên tục, như thể hiện trong hình. Quá trình này được gọi là sự co cứng. Ở một tần số cao hơn một chút, cường độ của co bóp đạt mức tối đa của nó, và do đó bất kỳ sự tăng lên thêm trong tần số vượt quá điểm này không có hiệu quả thêm trong việc tăng lực co bóp. Tetani xảy ra bởi vì đủ các ion canxi được duy trì trong cơ tương của cơ, thậm chí giữa các điện thế hoạt động, do đó trạng thái đầy đủ co bóp được duy trì mà không cho phép bất kỳ sự nghỉ ngơi nào giữa các điện thế hoạt động.

Cường độ tối đa của co bóp. Cường độ tối đa của co cứng cơ của một cơ hoạt động ở một chiều dài cơ bình thường trung bình giữa 3 và 4 kg cho mỗi cm vuông của cơ, hay 50 pound cho mỗi inch vuông. Bởi vì một cơ tứ đầu có thể có đến 16 inch vuông của phần bụng cơ, nhiều như là 800 pound của sức căng có thể áp dụng cho gân bánh chè. Vì vậy, ta có thể dễ dàng hiểu được làm thế nào nó có thể cho cơ kéo các gân của chúng ra khỏi chỗ dính của chúng vào xương.

Những thay đổi trong cường độ cơm lúc bắt đầu của co bóp-Hiệu ứng bậc thang (Treppe). Khi một cơ bắt đầu co bóp sau một thời gian dài nghỉ ngơi, cường độ co bóp ban đầu của nó có thể ít hơn một nửa cường độ 10-50 co giật cơ của nó sau đó. Đó là, cường độ của co bóp tăng lên tới một cao nguyên, một hiện tượng gọi là hiệu ứng bậc thang, hoặc treppe.

Mặc dù tất cả nguyên nhân có thể của hiệu ứng bậc thang chưa được biết, nó được cho là gây ra chủ yếu bởi sự tăng các ion canxi trong bào tương vì sự giải phóng của ngày càng nhiều các ion từ lưới cơ tương với mỗi điện thế hoạt động cơ liên tiếp và thất bại của cơ tương để chiếm lại các ion ngay lập tức.

Trương lực cơ vân. Ngay cả khi lúc cơ nghỉ ngơi, một lượng nhất định của sức căng thường vẫn còn, mà được gọi là trương lực cơ. Vì các sợi cơ vân bình thường không co bóp mà không có một điện thế hoạt động để kích thích các sợi, trương lực cơ vân có kết quả hoàn toàn từ một tỷ lệ thấp của xung động thần kinh đến từ tủy sống. Các xung động thần kinh này, lần lượt, được kiểm soát một phần bởi các tín hiệu truyền từ não đến các nơron vận động thích hợp trước tủy sống và một phần bởi các tín hiệu có nguồn gốc trong các thoi cơ nằm trong chính cơ đó. Cả hai tín hiệu này được thảo luận trong quan hệ về thoi cơ và chức năng tủy sống trong Chương 55.

Sự mỏi cơ. Co bóp kéo dài và mạnh của một cơ dẫn đến trạng thái được nhiều người biết đến của sự mỏi cơ. Các nghiên cứu ở các vận động viên chỉ ra rằng sự mỏi cơ tăng lên theo tỷ lệ gần như trực tiếp với tỷ lệ cạn kiệt của glycogen trong cơ. Vì vậy, mệt mỏi có kết quả chủ yếu từ sự bất lực của co bóp và các quá trình trao đổi chất của các sợi cơ để tiếp tục cung cấp sản lượng đầu ra tương tự. Tuy nhiên, các thí nghiệm cũng cho thấy rằng truyền tải của tín hiệu thần kinh thông qua khớp thần kinh cơ, đã được thảo luận trong Chương 7, có thể giảm ít nhất là một lượng nhỏ sau khi hoạt động cơ kéo dài ở cường độ cao, do đó tiếp tục làm giảm bớt sự co cơ. Gián đoạn của lưu lượng máu qua một cơ co bóp dẫn đến sự mỏi cơ gần như hoàn toàn trong vòng 1 hoặc 2 phút vì sự mất mát cung cấp dinh dưỡng, đặc biệt là sự mất mát của oxy.

Hình 6-16

Các hệ thống đòn bẩy của cơ thể. Các cơ hoạt động bằng cách áp dụng sức căng tới các điểm của chúng mà bám vào xương, và các xương lần lượt hình thành các loại khác nhau của hệ thống đòn bẩy. Hình 6-16 cho thấy hệ thống đòn bẩy kích hoạt bởi cơ nhị đầu để nâng cẳng tay. Nếu chúng ta giả định rằng một cơ nhị đầu lớn có diện tích mặt cắt ngang 6 inch vuông, lực tối đa của co bóp sẽ vào khoảng 300 pound. Khi cẳng tay vuông góc với cánh tay trên, gân bám của cơ nhị đầu là khoảng 2 inch phía trước với điểm tựa ở khuỷu tay, và tổng chiều dài của đòn bẩy cẳng tay khoảng 14 inch. Do đó, lượng của sức nâng của cơ nhị đầu ở tay sẽ chỉ là một phần bảy của 300 pound của lực cơ, hoặc khoảng 43 pound. Khi cánh tay hoàn toàn mở rộng, sự bám của cơ nhị đầu ít hơn nhiều so với 2 inch phía trước của điểm tựa, và lực mà bàn tay có thể đưa được về phía trước cũng ít hơn nhiều so với 43 pound.

Tóm lại, một phân tích của các hệ thống đòn bẩy của cơ thể phụ thuộc vào kiến thức về (1) điểm bám của cơ, (2) khoảng cách của nó từ điểm tựa của đòn bẩy, (3) chiều dài của cánh tay đòn bẩy, và (4) vị trí của đòn bẩy. Nhiều loại của chuyển động được yêu cầu trong cơ thể, một số trong đó cần cường độ rất lớn và những cái khác trong đó cần những khoảng cách lớn của chuyển động. Vì lý do này, có rất nhiều loại khác nhau của cơ; một số thì dài và co bóp một khoảng cách dài, và một số thì ngắn nhưng có diện tích mặt cắt ngang lớn và có thể cung cấp cường độ cực độ của co bóp trên khoảng cách ngắn. Nghiên cứu về các loại khác nhau của cơ, các hệ thống đòn bẩy, và chuyển động của chúng được gọi là vận động học và là một thành phần quan trọng của khoa học sinh lý giải phẫu người.

“Định vị” của một bộ phận cơ thể bằng co bóp của các cơ chủ vận và đối kháng trên các mặt đối diện của một khớp – “Đồng kích hoạt” của các cơ đối kháng. Hầu như tất cả các chuyển động cơ thể được gây ra bởi sự co đồng thời của các cơ chủ vận và đối kháng trên các mặt đối diện của các khớp. Quá trình này được gọi là đồng kích hoạt của các cơ chủ vận và đối kháng, và nó được điều khiển bởi trung tâm điều khiển vận động của não và tủy sống.

Vị trí của mỗi phần riêng biệt của cơ thể, chẳng hạn như một cánh tay hoặc một chân, được xác định bởi mức độ liên quan của co bóp của bộ chủ vận và đối kháng của các cơ. Ví dụ như, chúng ta hãy giả định rằng một cánh tay hoặc một chân là được đặt ở một vị trí tầm trung. Để đạt được vị trí này, các cơ chủ vận và đối kháng được kích thích đến khoảng một mức độ ngang nhau. Hãy nhớ rằng một cơ co bóp dài ra sẽ với lực nhiều hơn làm một cơ rút ngắn, mà đã được chứng minh trong Hình 6-10, cho thấy cường độ tối đa của co bóp ở chiều dài cơ chức năng đầy đủ và hầu như không có cường độ của co bóp lúc chiều dài một nửa bình thường. Do đó, cơ dài ra trên một mặt của một khớp có thể co bóp với lực lớn hơn nhiều so với cơ ngắn hơn ở mặt đối diện. Khi một cánh tay hoặc chân di chuyển về phía vị trí giữa của nó, cường độ của cơ dài hơn giảm xuống, trong khi đó cường độ của cơ ngắn hơn tăng lên cho đến khi hai cường độ tương đương với nhau. Tại điểm này, chuyển động của cánh tay hoặc chân dừng lại. Do đó, bằng cách thay đổi tỷ lệ của mức độ kích hoạt của các cơ chủ vận và đối kháng, hệ thần kinh chỉ đạo việc định vị của cánh tay hoặc chân.

Chúng ta tìm hiểu tại Chương 55 rằng hệ thống thần kinh vận động có cơ chế bổ sung quan trọng để bù đắp cho các mức tải cơ khác nhau khi chỉ đạo quá trình định vị này.

TỔ CHỨC LẠI CỦA CƠ ĐỂ PHÙ HỢP VỚI CHỨC NĂNG

Tất cả các cơ của cơ thể vẫn tiếp tục được tổ chức lại để phù hợp với các chức năng mà được yêu cầu của chúng. Các đường kính, chiều dài, cường độ, và cung cấp mạch máu của chúng bị thay đổi, và ngay cả các loại của sợi cơ cũng bị thay đổi ít nhất một chút. Quá trình tổ chức lại này thường khá là nhanh, xảy ra trong một vài tuần. Thật vậy, các thí nghiệm trên động vật đã chỉ ra rằng các protein co cơ ở một số các cơ nhỏ hơn, hoạt động hơn có thể được thay thế trong ít nhất là 2 tuần.

Phì đại cơ và teo cơ. Sự gia tăng của tổng khối lượng của một cơ được gọi là phì đại cơ. Khi tổng khối lượng giảm xuống, quá trình này được gọi là teo cơ.

Hầu như tất cả các kết quả phì đại cơ đến từ sự gia tăng về số lượng của các sợi actin và myosin trong mỗi sợi cơ, gây ra sự mở rộng của các sợi cơ riêng lẻ; tình trạng này gọi đơn giản là sợi phì đại. Phì đại xảy ra tới một mức độ lớn hơn nhiều khi cơ chịu tải trong suốt quá trình co bóp. Chỉ một ít co bóp mạnh mỗi ngày là yêu cầu quan trọng để gây ra phì đại trong vòng 6-10 tuần.

Cách mà trong đó co bóp mạnh mẽ dẫn tới phì đại không được biết. Nó được biết, tuy nhiên, tỷ lệ của tổng hợp các protein co cơ lớn hơn nhiều khi phì đại đang phát triển, cũng dẫn tới dần dần số lượng lớn hơn của cả các sợi actin và myosin trong tơ cơ, thường tăng nhiều đến 50%. Ngược lại, một số các tơ cơ chính chúng đã được quan sát với phân chia trong cơ phì đại để tạo thành tơ cơ mới, nhưng tầm quan trọng của quá trình này trong phì đại cơ thường vẫn chưa được làm rõ.

Cùng với sự gia tăng kích thước của các tơ cơ, các hệ thống enzym mà cung cấp năng lượng cũng tăng lên. Sự gia tăng này đặc biệt đúng với các enzym cho quá trình đường phân, cho phép cung cấp nhanh chóng của năng lượng trong quá trình co cơ mạnh mẽ trong ngắn hạn.

Khi một cơ vẫn không dùng đến trong nhiều tuần, tỷ lệ thoái triển của các protein co là nhanh hơn so với tỷ lệ thay thế. Do đó, sự teo cơ xảy ra. Con đường mà dường như giải thích cho sự thoái triển của nhiều protein trong một cơ đang trải qua teo cơ là ubiquitin phụ thuộc ATP – con đường proteasome. Proteasome là phức hợp protein lớn mà giáng hóa các protein hư hỏng hoặc không cần thiết bằng sự phân giải protein, một phản ứng hóa học mà phá vỡ liên kết peptide. Ubiquitin là một protein điều hòa mà cơ bản là đánh dấu các tế bào sẽ được nhắm mục tiêu cho thoái triển proteosomal.

Điều chỉnh của chiều dài cơ. Một loại khác của phì đại xảy ra khi cơ bị kéo dài đến chiều dài lớn hơn bình thường. Sự kéo dài này gây ra các đơn vị co cơ mới được bổ sung tại các đầu của các sợi cơ, nơi chúng bám vào dây chằng. Trên thực tế, các đơn vị co cơ mới có thể thêm vào nhanh chóng như một vài cái mỗi phút trong cơ mới đang phát triển, minh họa sự nhanh chóng cho loại này của phì đại.

Ngược lại, khi một cơ vẫn liên tục rút ngắn xuống ít hơn chiều dài bình thường của nó, các đơn vị co cơ tại các đầu của các sợi cơ có thể thực sự biến mất. Đó là bởi các quá trình này cho rằng các cơ liên tục được tổ chức lại để có chiều dài thích hợp cho sự co cơ chính xác.

Tăng sản của các sợi cơ. Dưới các điều kiện hiếm hoi của phát sinh cơ lực cực độ, con số thực tế các sợi cơ đã được quan sát thấy là tăng (nhưng chỉ bằng một vài phần trăm), ngoài ra là quá trình sợi phì đại. Sự tăng trong số lượng sợi này được gọi là tăng sản sợi. Khi nó xảy ra, cơ chế là tách theo chiều dài của các sợi bổ sung trước đây.

Cắt dây thần kinh cơ gây ra teo cơ nhanh chóng. Khi một cơ mất nguồn cấp dây thần kinh của nó, nó không còn nhận được các tín hiệu co bóp được yêu cầu để duy trì kích thước cơ bắp bình thường. Do đó, teo cơ bắt đầu gần như ngay lập tức. Sau khoảng 2 tháng, thay đổi thoái triển cũng bắt đầu xuất hiện trong các sợi cơ. Nếu nguồn cấp dây thần kinh tới cơ tăng trở lại nhanh chóng, sự trả lại đầy đủ của chức năng có thể xảy ra trong ít nhất là 3 tháng, nhưng từ thời điểm đó trở đi, khả năng của sự trở lại chức năng trở nên ngày càng ít hơn, không có sự trở lại nữa của chức năng sau 1-2 năm.

Trong giai đoạn cuối cùng của teo cơ do cắt dây thần kinh, hầu hết các sợi cơ bị phá hủy và thay thế bởi mô xơ và mô mỡ. Các sợi là vẫn còn bao gồm của màng tế bào dài với một hàng ngũ của nhân tế bào cơ, nhưng với rất ít hoặc không có đặc tính co bóp và rất ít hoặc không có khả năng tái sinh các tơ cơ nếu một dây thần kinh không tái tạo lại.

Mô sợi mà thay thế các sợi cơ trong do cắt dây thần kinh teo cơ cũng có xu hướng tiếp tục rút ngắn trong nhiều tháng, được gọi là co cứng. Do đó, một trong những vấn đề quan trọng nhất trong thực hành của vật lý trị liệu là để giữ các cơ teo khỏi sự phát triển suy nhược và biến dạng co cứng. Mục tiêu này đạt được bằng cách kéo căng hàng ngày của các cơ hoặc sử dụng các thiết bị mà giữ cho cơ kéo căng trong suốt quá trình teo cơ.

Phục hồi của sự co cơ trong bệnh bại liệt: Phát triển của các đơn vị macromotor. Khi một số nhưng không phải tất cả các sợi thần kinh đến một cơ bị phá hủy, như thường xảy ra trong bệnh bại liệt, các sợi thần kinh chi nhánh vẫn đi tới tạo thành sợi trục thần kinh mới mà sau đó kích thích nhiều các sợi cơ bị tê liệt. Quá trình này có kết quả trong các đơn vị vận động lớn gọi là các đơn vị macromotor, có thể chứa nhiều bằng năm lần số lượng bình thường của các sợi cơ cho mỗi nơron vận động đến từ tủy sống. Sự hình thành của các đơn vị vận động lớn làm giảm độ tinh vi trong kiểm soát co bóp có trên các cơ nhưng lại cho phép các cơ là lấy lại độ biến đổi của cường độ.

Cứng đơ tử thi. Vài giờ sau khi chết, tất cả các cơ của cơ thể đi vào trong một trạng thái của co cứng gọi là “cứng đơ tử thi”; đó là, các cơ co lại và trở nên cứng nhắc, ngay cả khi không có điện thế hoạt động. Sự cứng đơ này có kết quả từ sự mất mát của tất cả ATP, mà là cần thiết để gây ra tách của các cầu chéo từ các sợi actin trong suốt quá trình nghỉ ngơi. Các cơ vẫn trong sự cứng đơ cho đến khi các protein cơ bị hủy hoại khoảng 15 đến 25 giờ sau đó, mà có lẽ là kết quả từ sự tự tiêu gây ra bởi các enzym giải phóng từ lysosome. Tất cả những sự kiện này xảy ra nhanh hơn ở nhiệt độ cao hơn.

Loạn dưỡng cơ. Chứng loạn dưỡng cơ bao gồm một vài rối loạn di truyền mà gây ra yếu tiến triển và thoái triển của các sợi cơ, cái được thay thế bởi mô mỡ và collagen.

Một trong những dạng thường gặp nhất của loạn dưỡng cơ là bệnh loạn dưỡng cơ Duchenne (DMD). Bệnh này chỉ ảnh hưởng đến nam giới bởi nó được truyền như một gen lặn liên kết với NST X và gây ra bởi một đột biến của gen mã hóa cho một protein gọi là dystrophin, cái nối các actin với protein trong màng tế bào cơ. Dystrophin và các protein liên quan tạo thành một mặt phân cách giữa bộ máy co bóp trong tế bào và lưới liên kết ngoại bào.

Mặc dù các chức năng chính xác của dystrophin chưa hoàn toàn được hiểu, sự thiếu của dystrophin hoặc các dạng biến đổi của protein gây ra mất ổn định màng tế bào cơ, kích hoạt của nhiều quá trình sinh lý bệnh, bao gồm thay đổi xử lý canxi nội bào, và khiếm khuyết sửa chữa màng sau chấn thương. Một ảnh hưởng quan trọng của dystrophin bất thường là sự gia tăng tính thấm của màng với canxi, do đó cho phép các ion canxi ngoại bào đi vào sợi cơ và bắt đầu làm thay đổi trong các enzym nội bào mà cuối cùng dẫn đến sự phân giải protein và phá vỡ sợi cơ.

Các triệu chứng của bệnh DMD bao gồm yếu cơ mà bắt đầu trong thời thơ ấu và tiến triển nhanh chóng, do đó mà bệnh nhân thường trên xe lăn ở lứa tuổi 12 và thường chết vì suy hô hấp trước tuổi 30. Một dạng nhẹ hơn của bệnh này, được gọi là bệnh loạn dưỡng cơ Becker (BMD), cũng gây ra bởi đột biến của gen mã hóa cho dystrophin nhưng có một khởi phát muộn hơn và sống lâu hơn. Người ta ước tính rằng DMD và BMD tác động đến 1 trong mỗi 5.600 đến 7.700 nam giới khoảng tuổi từ 5 đến 24. Hiện nay không có điều trị hiệu quả nào cho DMD hay BMD, mặc dù đặc tính của cơ sở di truyền cho các bệnh này đã cung cấp tiềm năng cho liệu pháp gen trong tương lai.

Nguồn: Guyton and Hall textbook of Medical Physiology. Chapter 6: Contraction of Skeletal Muscle