שיעור 3 שריר שלד ושריר חלק

תוכן העניינים:

1. שריר שלד
2. Force-Length Relationship
3. Force-Length Relationship של שריר שלם
4. Force-Velocity Relationship
5. סוגי התכווצות
6. אקטיבציה של שריר - Excitation-Contraction Coupling
7. שריר חלק
8. סיכום השוואתי - שריר שלד לעומת שריר חלק

התוכן הוא לפי חומרי הלימוד Guyton and Hall, Physiology, 14th edition, chap 6-8.

שריר שלד

תפקידים

שריר שלד משמש ל:

• ייצור תנועה - הזזת גפיים ועצמות
• שמירת טונוס - גם במנוחה שרירים שומרים על מתח בסיסי המחזיק אותנו בתנוחה
• רגולציה תרמית - ייצור חום, בעיקר דרך רעידות שריר בקור

מכניקת תנועה

בדרך כלל, שריר שלד מחובר לשתי עצמות ועובר דרכן:

• Origin (מוצא) - נקודת חיבור לקצה עצם אחת
• Insertion (נקודת אחיזה/היאחזות) - נקודת חיבור ליד המפרק של העצם השנייה

כשהשריר מתכווץ, ה־Insertion נמשך לכיוון ה־Origin ונוצרת תנועת קיפול במפרק. לדוגמה: כיווץ ה־Biceps מרים את היד, בעוד ה־Triceps נמתח פסיבית. בתרגיל יד אחורית - ההפך.

סוגי שרירים ומבנים

בהתאם לתפקיד השריר, ישנם מבנים חיצוניים שונים:

• Fusiform (ציר) - רחב באמצע ומחודד בקצוות, כמו ה־Biceps; מבנה סימטרי
• Multipennate - כמו ה־Deltoid בכתף; רחב, ארוך, ומכיל קבוצות שריר שונות שכל פעם קבוצה אחרת פעילה
• Circular (סרקולרי) - סביב פתחים כמו עין ושפתיים
• Parallel - אזור הירך הקדמי; עובי דומה ב־Insertion וב־Origin

למרות ההבדלים החיצוניים, המבנה הפנימי של כל השרירים זהה.

שריר לבן ושריר אדום (לידיעה כללית, מחוץ לסקופ הבחינה)

• שריר לבן (גליקוליטי/אנאירובי) - מהיר, מתפרץ, תלוי גליקוליזה; אופייני לשרירי חזה עוף
• שריר אדום (אירובי) - סיבולת, צריכת חמצן, עשיר במיוגלובין; אופייני לשרירי הרגליים

היחס בין סוגי הסיבים ניתן לשינוי על ידי אימון ומשפיע על ביצועי השריר.

המבנה ההיררכי של שריר שלד

• שריר שלם
• Fascicles (חבילות מוקפות בפסיה)
• Muscle Fibers/Myocytes (תאי שריר)
• Myofibrils (סיבונים תוך־תאיים)

Muscle Fiber - תא שריר בודד

• Multinucleated - מכיל מספר גרעינים בפריפריה של התא (נוצר מ־fusion של מיובלסטים בהתפתחות)
• קוטר: 80-10 מיקרון
• מכיל Myofibrils רבים הממלאים את נפחו
• מוקף בSarcolemma - הממברנה הייחודית של תא שריר

Myofibril - יחידה תת־תאית

• חוט דק וארוך המורכב מאקטין וממיוזין
• ניתן לבודד אותו (בצורה כימית) ולצפות בו כחוט בודד
• כולם שוכנים בתוך Sarcoplasm (הציטוזול של תא שריר) משותף, עטופים בממברנה אחת

בהתפתחות, מיובלסטים בודדים עוברים Fusion ויוצרים את תא השריר הרב־גרעיני. תאי לוויין (Satellite cells) בתוך נישות של כל שריר משמשים כמאגר לצמיחה ולהתחדשות.

הסרקומר - היחידה הפונקציונלית

כל Myofibril מורכב מרצף ארוך של סרקומרים (Sarcomeres) שמסודרים בטור. כל סרקומר הוא יחידה פונקציונלית אחת - המרחק בין שני Z-Disks עוקבים.

מרכיבי הסרקומר

חשוב: בהתכווצות, ה־I-Band מתקצר (ה־Z-Disk מתקרבים), ה־A-Band נשאר קבוע (אורך המיוזין לא משתנה).

ה־Z-Disk ומחלות שריר

מוטציות בחלבונים של ה־Z-Disk פוגעות בעיגון המכני של האקטין לקירות ובצימוד בין סרקומרים ← Myopathies (מחלות שריר הגורמות לחולשה ולפגיעה ביכולת בניית שריר).

טיטין (Titin)

חלבון ענק (אחד הגדולים בגוף, כ־4,000-3,000 ק”ד) המחבר את פילמנט המיוזין ל־Z-Disk. מצוייר כקפיץ - ולא בכדי:

• תפקיד מכני פסיבי: מקנה לשריר את האלסטיות הפסיבית שלו - קובע את הקשיחות הפסיבית הבסיסית
• הגנה על מיוזין: מחזיק את פילמנטי המיוזין במרכז הסרקומר ומונע מהם להיסחף
• תפקידים רגולטוריים: אתרים על טיטין מאפשרים קישור חלבונים נוספים המווסתים תכונות שריר

טיטין הוא פסיבי - לא משתתף אקטיבית בהתכווצות, אך קובע את תכונות השריר בהיעדר אקטיבציה.

T-Tubules והרשת הסרקופלסמית (Sarcoplasmic Reticulum - SR)

Sarcolemma

הממברנה הייחודית של תא שריר. יש עליה:

• פוטנציאל ממברנה ותעלות יונים
• T-Tubules - שקעים שנוצרים מהממברנה ונכנסים לעומק התא

T-Tubules - מדוע הם נחוצים?

תא שריר יכול להגיע לקוטר של כ־80 מיקרון ומכיל מיופיברילים רבים. אם העירור החשמלי היה מתפשט רק על פני הממברנה החיצונית, היה לוקח זמן עד שהוא היה מגיע לעומק התא. ה־T-Tubules מוליכים את גל הדפולריזציה אל תוך עומק התא, וכך מאפשרים הפעלה מהירה, אחידה ומתואמת של כל המיופיברילים.

Sarcoplasmic Reticulum (SR)

רשת של אורגנל תוך־תאי עם ממברנה משלו - מאגר סידן ($\ce{Ca^2+}$) תוך־תאי. מאפיינים:

• ריכוז $\ce{Ca^2+}$ גבוה מאוד בתוכו
• משאבות SERCA (ATP-dependent) על הממברנה - מחזירות $\ce{Ca^2+}$ פנימה אחרי האקטיבציה
• נפרס לאורך כל הסרקומרים בסמוך ל־T-Tubules

ה־T-Tubule ממוקם בין שני ה־SR הסמוכים, ומשפעל אותם בצורה מקומית ← $\ce{Ca^2+}$ משתחרר לציטוזול ומפעיל את הפילמנטים.

חיבור מכני לגיד

Glycocalyx (ג’ל עשיר ב־ECM וקולגן) על פני הממברנה יוצר סיבי חיבור שמעגנים את סיבי השריר ומחברים אותם לגיד ← הגיד מתחבר לעצם. קולגן הוא קריטי לבריאות הגידים.

פילמנט המיוזין (Thick Filament)

כל פילמנט מיוזין מורכב מכ־200 מולקולות מיוזין.

מבנה מולקולת מיוזין - שישה פפטידים

• 2 Heavy Chains - יוצרות את ה”זנב” הארוך (מלופפות בהליקס); הזנב מרכיב את גוף הפילמנט
• 4 Light Chains - שתיים לכל ראש; תפקיד רגולטורי בבקרת מחזור ה־Cross-Bridge (להלן)

Cross-Bridge

הכינוי לצמד צוואר + ראש גלובולרי שיוצא מהפילמנט לכיוון האקטין. מאפיינים:

• ראש גלובולרי - אתר קטליטי להידרוליזה של ATP
• תכונות קפיץ - הקרוס-בריג’ יכול להיטען באנרגיה כקפיץ נמתח ולשחרר אותה ב־Power Stroke
• שני צירי תנועה (Hinges): אחד בחיבור הזרוע לפילמנט, שני בחיבור הצוואר לראש

אורך פילמנט המיוזין: 1.6 מיקרון (קבוע!)

מגביל את אורך הסרקומר המינימאלי: כשה־Z-Disk מגיעים ל־1.6 מיקרון, הסרקומר מתקפל לחלוטין (אין קיצור פיזיולוגי נוסף מתחת לאורך הזה).

פילמנט האקטין (Thin Filament)

מבנה

• שתי שרשראות אקטין מלופפות בהליקס כפול
• בשקע שבין השרשראות - Active Sites (אתרי קישור למיוזין), מסודרים במרחקים שווים
• אורך: כ־1 מיקרון מכל צד של ה־Z-Disk
• מחובר ל־Z-Disk בצורה קשיחה (בניגוד למיוזין שמחובר דרך הטיטין הגמיש)

Tropomyosin - מולקולת חסימה

מולקולה ארוכה שנכרכת לאורך האקטין. תפקיד במנוחה: חוסמת את ה־Active Sites - מונעת מהמיוזין להיקשר לאקטין גם אם ירצה.

קומפלקס הטרופונין - מנגנון הבקרה

הטרופונין יושב על ה־Tropomyosin במרחקים שווים לאורך הפילמנט. מורכב משלוש יחידות משנה:

מנגנון הפעולה:

1. עליית $\ce{Ca^2+}$ ציטוזולי ← נקשר ל־TnC (אפיניות גבוהה)
2. שינוי קונפורמציה בקומפלקס ← Tropomyosin נמשך ומסתובב
3. ה־Active Sites נחשפים ← מיוזין יכול להיקשר לאקטין

משוב חיובי: ברגע שסידן מתחיל להיקשר ל־TnC, האפיניות של TnC לסידן עולה עוד יותר - גורם לפרופגציה מהירה מאוד של הקישור לכל אורך הפילמנט. המנגנון הזה, יחד עם ה־SR שנפרס לאורך הסרקומרים, מאפשר הפעלה אחידה ומהירה של כל תא השריר.

מנגנון ההתכווצות - Sliding Filament Theory

בהתכווצות, פילמנטי האקטין “מחליקים” על פני פילמנטי המיוזין, ה־Z-Disks מתקרבים והסרקומר מתקצר.

• הפילמנטים עצמם לא מתקצרים - רק החפיפה ביניהם גדלה
• ה־A-Band (אורך מיוזין) - קבוע
• ה־I-Band וה־H-Zone - מתקצרים

מחזור ה־Cross-Bridge (Cross-Bridge Cycle)

תנאי הכרחי להתחלה: סידן $\ce{Ca^2+}$ קשור ל־TnC (ה־Active Sites חשופים)

שלבי המחזור (לא בסדר שהם מוצגים בתרשים):

1. קישור ATP לראש המיוזין: שינוי קונפורמציה, ניתוק הראש מהאקטין
2. הידרוליזה של ATP אל ADP + Pi (עדיין מצומדים לראש): “טעינת הקפיץ” - הראש נמשך למצב “מוכן” (Cocked position)
3. קישור ראש המיוזין ל־Active Site על אקטין (מקישור חלש לחזק)
4. שחרור Pi: שחרור פופסט לא אורגני מוביל ל־Power Stroke - הקפיץ משתחרר, הראש מבצע תנועת “חתירה” ומזיז את האקטין; שחרור ADP
5. קישור ATP חדש: ניתוק הראש וחזרה לשלב 1

הפעולה חוזרת כל עוד יש $\ce{Ca^2+}$ על הפילמנטים ו־ATP זמין. כאשר $\ce{Ca^2+}$ מוחזר ל־SR, Tropomyosin חוזר לחסום ומכאן ניתוק ורלקסציה.

שתי מערכות תהליכים דורשות ATP בשריר:

1. מחזור ה־Cross-Bridge (כולל התנועה/ה־Power Stroke של ראש המיוזין)
2. החזרת $\ce{Ca^2+}$ ל־SR באמצעות משאבות SERCA

בהיעדר ATP (מוות) - ראשי המיוזין “נתקעים” על האקטין ← Rigor Mortis (קשיון המוות).

Force-Length Relationship

הכוח שסרקומר מסוגל לייצר תלוי באורך ההתחלתי שלו (מידת החפיפה בין אקטין למיוזין):

אורך הסרקומר במנוחה (פיזיולוגי): $\sim 1.8-1.9 \, \mathrm{μm}$ - תחום עבודה נמצא לאורך הפלטו, קרוב לאופטימום.

מצבי הקצה (קצר מאוד / ארוך מאוד) אינם פיזיולוגיים - הם מצבים ניסיוניים בלבד.

Force-Length Relationship של שריר שלם

ברמת השריר השלם נוספת עקומת הפסיביות:

• עקומה כחולה (פסיבית) - מתח שריר ללא אקטיבציה חשמלית (תכונת רקמת החיבור, הגידים, הממברנה); עולה עם המתיחה
• עקומה אדומה (אקטיבית) - סכום התכונות האקטיביות + הפסיביות
• גם נצפה בשריר הלב - ככל שנפח מילוי גדל, כוח הפליטה עולה (חוק פרנק-סטארלינג)

דוגמה: קפיצה במקום - “טעינה אחורית” של השריר לפני הניתור מגדילה את האורך ההתחלתי ומאפשרת כוח מתפרץ גדול יותר.

Force-Velocity Relationship

מהירות ההתכווצות של שריר קשורה לעומס שהוא נושא:

• עומס נמוך / אפסי (Unloaded) ← מהירות מקסימלית
• עומס גבוה ← מהירות יורדת
• עומס מקסימלי ← מהירות = אפס (Isometric)

אימון משנה את העקומה:

• אימון כוח (Resistance) - מושך את העקומה ימינה ← שריר מסוגל לשאת משקל גבוה יותר
• אימון מהירות/כוח מתפרץ - מעלה את ה־Unloaded Velocity (חיתוך עם ציר Y)
• אימון משולב - העקומה כולה עולה

השינויים האלה מתאפשרים בשל שינוי ביחסי האיזופורמים של מיוזין - שינויים קלים ב־Heavy/Light Chains משנים את קינטיקת הידרוליזת ATP ואת תכונות השריר.

סוגי התכווצות

פעילות Eccentric נחשבת מאתגרת יותר מבחינה שרירית ואחראית ל־DOMS (כאב שרירים מושהה).

אקטיבציה של שריר - Excitation-Contraction Coupling

יחידה מוטורית (Motor Unit)

יחידה פונקציונלית המורכבת מ:

• נוירון מוטורי אחד (גוף תא + אקסון)
• קבוצת תאי שריר שהוא מעצבב

כל תאי השריר ביחידה מוטורית אחת הם מאותו סוג סיב (לבן / אדום).

שרירים שדורשים בקרה עדינה (כמו שרירי העין) - יחידות מוטוריות קטנות (1:1 עד 1:3). שרירים גסים (כמו Gastrocnemius) - יחידות מוטוריות גדולות.

Neuromuscular Junction (NMJ) - לוחית מוטורית

מקום הפגישה בין קצה הנוירון לממברנת השריר:

• Synaptic Cleft - מרווח של 30-20 ננומטר בין הטרמינל לממברנה; קריטי להעברת הסיגנל בצורה מהירה ומדויקת
• הטרמינל אינו מכוסה במיאלין (המיאלין נגמר לפני ה־NMJ)
• הטרמינל עשיר במיטוכונדריות, ובו גם מתבצעים סינתזה ואריזה של ACh בשלפוחיות סינפטיות.
• Synaptic Vesicles - שלפוחיות ממברנליות מכילות Acetylcholine (ACh) מוכן לשחרור

כיצד עובד ה־NMJ

1. פוטנציאל פעולה מתקדם באקסון (מצופה במיאלין) עד לטרמינל
2. בטרמינל - Voltage-Gated $\ce{Ca^2+}$ Channels נפתחות בתגובה לדפולריזציה
3. כניסת $\ce{Ca^2+}$ לטרמינל ← הוסיקולות נודדות לממברנה ועושות Fusion ← שחרור ACh לחריץ הסינפטי
4. ACh נקשר לNicotinic ACh Receptors על הממברנה של השריר - אלו הן תעלות יונים (Ligand-Gated) שנפתחות בקשירת ACh
5. כניסת Na⁺ ← End-Plate Potential (EPP) - דפולריזציה לוקלית
6. ה־EPP מפעיל Voltage-Gated Na⁺ Channels ← פוטנציאל פעולה המתפשט בכל הסרקולמה כולל T-Tubules
7. Acetylcholinesterase בחריץ הסינפטי מפרק את ה־ACh מיד - כדי לצמד “ירי אחד - טוויץ’ אחד” ולמנוע אקטיבציה נוספת ללא פקודה

All-or-Nothing: קיים סף לאקטיבציה - מספיק ACh / דפולריזציה מספקת חייבת להצטבר כדי להפעיל פוטנציאל פעולה.

E-C Coupling - מה קורה בתוך תא השריר

תהליך מקיף המחבר בין הגירוי החשמלי להתכווצות המכנית:

1. פוטנציאל פעולה ← מתקדם על הסרקולמה ← נכנס לT-Tubules
2. שינוי מתח לוקלי ב־T-Tubule ← מפעיל DHP Receptors (Dihydropyridine Receptors) - רצפטורים תלויי-מתח
3. DHP מתקשר פיזית לRyanodine Receptors (RyR) על ממברנת ה־SR ← נפתחים
4. שחרור מהיר של $\ce{Ca^2+}$ מה־SR (מרחק ריכוזים עצום: ה־SR מרוכז בערך פי 10,000 מהציטוזול)
5. $\ce{Ca^2+}$ נקשר לTroponin C ← הפעלת הפילמנטים ← Cross-Bridge Cycling ← התכווצות
6. לאחר מילי-שניות בודדות - SERCA pumps (ATP-dependent) מחזירות $\ce{Ca^2+}$ ל־SR
7. $\ce{Ca^2+}$ יורד ← TnC מאבד סידן ← Tropomyosin חוסם שוב ← רלקסציה

ריכוז $\ce{Ca^2+}$ ציטוזולי:

• מנוחה: ~10⁻⁷ M
• אקטיבציה: ~10⁻⁴ M (עלייה של 3 סדרי גודל בתוך מילי-שניות)

ב־SR קיים Calsequestrin - חלבון שקושר בערך 40 יוני $\ce{Ca^2+}$ למולקולה ומאפשר את ריכוז הסידן הגבוה ב־SR.

Twitch, Summation וטטנוס

Twitch - התכווצות אחת של שריר; נמשכת כ־100-80 מילי-שניות (תלוי בסוג השריר).

כיצד שריר מעלה כוח?

מסלול 1 - Summation (סכימה): אם גירוי חדש מגיע לפני שהטוויץ’ הקודם נגמר ← הכוחות מסתכמים. בתדר גבוה מספיק ← Tetanus (טטנוס/פעילות טטנית) - כוח מקסימלי, מתמשך ויציב.

שריר שלד אין לו תקופה רפלקטורית מכנית כמו שריר הלב - לכן ניתן לסכום טוויץ’ים ולהגיע לטטנוס. כמעט כל פעילות רצופה שלנו היא פעילות טטנית.

מסלול 2 - גיוס יחידות מוטוריות: הפעלה של יותר יחידות מוטוריות בו־זמנית ← יותר תאי שריר פעילים ← כוח כולל גדול יותר.

• פעולות עדינות (Fine Motor): יחידות מוטוריות בודדות בטטנוס
• פעולות גסות/חזקות: גיוס מסיבי של יחידות מוטוריות

שריר חלק

לעומת שריר מסורטט/מפוספס (שריר שלד) - שריר חלק אינו מפוספס (אין סרקומרים מסודרים) ולכן נקרא “חלק”.

היכן נמצא שריר חלק?

• דרכי אוויר - ספאזם בתגובה לאסטמה ואלרגיה; הרחבה/כיווץ של דרכי הנשימה
• כלי דם - שמירה על טונוס ולחץ דם; בקרת זרימת דם לפריפריה
• מערכת העיכול - פריסטלטיקה (כיווץ גלי להעברת מזון)
• האישון - פתיחה וסגירה של האישון
• רחם, שלפוחית השתן, מערכת הנשימה

כל השרירים האלה הם לא־רצוניים - אינם בשליטה מודעת.

מבנה שריר חלק

• תאים בודדים (לא Multinucleated!) - כל תא עם גרעין אחד
• אקטין ומיוזין קיימים אך לא מסודרים בסרקומרים (לכן אין מראה מפוספס במיקרוסקופ)
• בשריר חלק אין מערכת T-tubules מפותחת כמו בשריר שלד; במקום זאת קיימות caveolae.
• ה־SR קיים אך הרשת פחות מסועפת (התאים קטנים יותר ואקטיבציה מקומית מספיקה)
• תאים קטנים יותר - אין צורך בנטוורק עמוק כמו בשריר שלד

סוגי שריר חלק

Gap Junctions בשריר חלק יוניטרי דומים למה שקיים בשריר הלב - תעלות המחברות ציטוזול של שני תאים ומאפשרות מעבר חשמלי ישיר.

מנגנון ההתכווצות בשריר חלק - תפקיד הסידן

בשריר חלק אין טרופונין. הבקרה על ידי סידן מתבצעת דרך Calmodulin:

1. עליית $\ce{Ca^2+}$ ציטוזולי (משחרור מה־SR + כניסה מחוץ לתא דרך Voltage-Gated $\ce{Ca^2+}$ Channels)
2. $\ce{Ca^2+}$ נקשר לCalmodulin
3. קומפלקס $\ce{Ca^2+}$-Calmodulin מפעיל Myosin Light Chain Kinase (MLCK)
4. MLCK מבצע פוספורילציה של Light Chains על ראש המיוזין
5. פוספורילציה ← הפעלת ההידרוליזה של ATP בראש המיוזין ← Power Stroke ו־Cross-Bridge Cycling

הבדל מרכזי:

• בשריר שלד - בקרת הסידן היא על אקטין (דרך טרופונין).

• בשריר חלק - בקרת הסידן היא על מיוזין (דרך Calmodulin + MLCK).

רלקסציה בשריר חלק

• $\ce{Ca^2+}$ מוחזר ל־SR לאט יחסית
• ניתוק $\ce{Ca^2+}$ מ־Calmodulin - קינטיקה איטית יותר
• ← הרלקסציה ארוכה יותר מאשר בשריר שלד

משך ההתכווצות

היכולת של שריר חלק לשמור על התכווצות ארוכה ויציבה מאפשרת שמירה על טונוס כלי דם ופעילות פריסטלטית ממושכת.

סוגי התכווצות בשריר חלק

• Phasic Contraction - התכווצות קצרה יחסית; אופייני לשרירי העין, Arrector pili
• Tonic Contraction - שמירה על טונוס ממושך לאורך שניות ועשרות שניות; אופייני לכלי דם ולמעי

גורמי אקטיבציה של שריר חלק

1. עצבוב אוטונומי - Acetylcholine ו־Norepinephrine (בכלי דם)
2. גורמים הורמונליים
3. מכני - Stretch Activation - מתיחה מפעילה תעלות מכאנו־רגישות; לדוגמה: מילוי הקיבה באוכל מפעיל פריסטלטיקה

סיכום השוואתי - שריר שלד לעומת שריר חלק