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 vs. 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) - שמן 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

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

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. אילו 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

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 ← הסרקומר מתקצר.

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

מחזור הCross-Bridge (Cross-Bridge Cycle)

תנאי הכרחי להתחלה: $\ce{Ca^2+}$ קשור ל-TnC ← ה-Active Sites חשופים

שלבי המחזור:

1. קישור ATP לראש המיוזין ← שינוי קונפורמציה, ניתוק הראש מהאקטין
2. הידרוליזה של ATP ← ADP + Pi (עדיין מצומדים לראש) ← “טעינת הקפיץ” - הראש נמשך למצב “מוכן” (Cocked position)
3. קישור ראש המיוזין ל-Active Site על אקטין (קישור חלש ← חזק)
4. שחרור Pi ← Power Stroke - הקפיץ משתחרר, הראש מבצע תנועת “חתירה” ומזיז את האקטין; שחרור ADP
5. קישור ATP חדש ← ניתוק הראש ← חוזר 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 ← 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 הקצוות (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 אורך 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 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 שתן, מערכת נשימה

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

ההבדל המרכזי:

• 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 vs. שריר חלק