Spierfysiologie
Samenvatting
Je frist kennis op uit de eerstejaars cursussen met betrekking tot bouw en werking van
skeletspieren en je maakt kennis met enkele voor jou waarschijnlijk nieuwe eiwitten die
belangrijk zijn voor structuur van skeletspieren en pezen.
Celstructuren
Een cel bestaat uit de volgende onderdelen:
- Cytosol: intracellulaire vloeistof
- Mitochondriën: energieproductie (ATP)
- Ruw-endoplasmatisch reticulum: eiwitsynthese
- Golgiapparaat: eiwitmodificatie en transport
- Lysosomen: afbraak eiwitten
- Ribosomen: eiwitsynthese
- Celkern: bevat DNA
- Nucleaire poriën
- Chromatine: DNA + eiwitten in celkern
Spieropbouw
Een skeletspier bestaat uit duizenden spiervezels. Elke spiervezel is omgeven door het
sarcolemma, de gespecialiseerde plasmamembraan van de spiercel, dat een sleutelrol spilt
in het geleiden van actiepotentialen naar het interieur van de cel. Onder het sarcolemma
bevinden zich satelietcellen, stamcelachtige cellen die belangrijk zijn voor groei en herstel
van spierweefsel.
Elke spiervezels bevat myofibrillen (100-400 sarcomeren), die weer bestaan uit
sarcomeren (2-2,5 um). Een sarcomeer loopt van z-lijn tot z-lijn en bevat de
verschillende filamenten:
- Actine (dunne filamenten), gestabiliseerd door nebuline
o 1 actine = contact met 3 myosinefilamenten
- Myosine (dikke filamenten), gestabiliseerd door het elastische eiwit titine.
o 1 myosine = contact met 6 actinefilamenten
- Titine: verantwoordelijk voor rustspanning en stabiliteit van het sarcomeer
- Tropomyosine en Troponine: reguleren de contractie
o TnC: bindt aan calcium
o TnT: bindt aan tropomyosine
o TnI: remt actine-myosine interactie
- M-lijn: ondersteunt de centrale organisatie van de myosinefilamenten, is het midden
van een sarcomeer
- Z-lijn: is de grens tussen sarcomeren
o Type I: dikker, -actinine-2, langzame spieren
o Type 2: dunner, -actinine-3, snelle spieren
- Myomesin: verbindt myosinefilamenten met elkaar in de m-lijn.
- Desmine: koppelt z-lijnen van aangrenzende myofibrillen
- I-band: kan veranderen (actine)
- A-band: constant (myosine)
- H-zone: A-band zonder overlap
Myosine bestaat uit twee heavy chains die bestaan uit een kop (s1) en een staart
(s2) en uit vier light chains die bestaan uit een regulatoire keten (RLC) en een
,essentiële keten (ELC). De RLC reguleert myosine activiteit via calciumbinding en de ELC
zorgt voor structurele stabiliteit van myosine kop en helpt bij actine binding. De kop zorgt
voor ATP-ase activiteit en binding van actine en de staart vormen de dikke filamenten.
Rondom de myofibrillen ligt het sarcoplasmatisch reticulum (SR), een netwerk van
membranen dat calcium opslaat en vrijgeeft. Calciumafgifte vanuit het SR wordt geactiveerd
via de T-tubuli: instulpingen van het sarcolemma die elektrische signalen diep in de cel
brengen en daarmee gecoördineerde contractie mogelijk maken.
De extracellulaire matrix in en rond een spiervezel is een netwerk van eiwitten buiten de
cel dat zorgt voor stevigheid, ondersteuning en krachtgeleiding. In spieren bestaat de ECM
vooral uit collageen, laminine, proteoglycanen en andere eiwitten. Om de ECM te koppelen
aan de binnenkant van de spiercel gebruikt het lichaam integrines (transmembraaneiwitten
die binnen en buiten verbinden, rekgevoelige sensoren), Focal Adhesion Kinase (onderdeel
van signaaltransductie) en dystrofine (koppelt contractiele eiwitten aan het celmembraan, bij
schade minder stevige spiercellen (Duchenne)).
Rond individuele spiervezels ligt het endomysium (fibroblasen produceren collageen), rond
een groep spiervezels ligt het perimysium (bevat bloedvaten, motorische axonen,
spierspoeltjes) en rond de hele spier ligt het epimysium (ondersteunt structuur en omgeving
voor contractie).
Spiercontractie
Wanneer calcium bindt aan troponine C (TnC) verschuift het tropomyosine. Hierdoor komt de
bindingplaats op actine vrije waardoor het myosine kopje kopje (S1) kan binden aan actine.
Dit vormt een crossbridge waardoor er kracht ontstaat. Wanneer ATP aan de myosinekop
bindt verbreekt de verbinding.
Je verdiept je kennis met betrekking tot het begrip isometrische contractie, de
krachtsnelheidsrelatie en het begrip vermogen
Soorten contracties
Er zijn drie soorten contracties, isometrische contractie, excentrische contractie en
concentrische contractie.
- Concentrische contractie: de spier verkort terwijl er kracht geleverd wordt.
- Excentrische contractie: de spier verlengd terwijl er kracht geleverd wordt.
- Isometrische contractie: de spier verandert niet van lengte terwijl er kracht geleverd
wordt.
Bij een isometrische contractie levert de spier kracht zonder dat de totale lengte verandert.
Het contractiele element (CE) probeert actief te verkorten, maar omdat de spier niet mag
bewegen, wordt deze verkorting opgevangen door het series elastisch element (SEC),
zoals pezen en titine, die uitrekken. Zo blijft de totale spierlengte gelijk, terwijl er toch kracht
wordt opgebouwd. De spier verkort van binnen, de elastische onderdelen rekken mee, en de
lengte blijft constant. Tijdens relaxatie verkorten de SEC’s en wordt CE weer langer. Tijdens
isometrische contractie op optimum lengte gaat 10% van de ATP op aan de Na+/K+-pomp,
60% aan myosine-ATPase en 30% aan de Ca2+-ATPase.
Krachtlengterelatie
Een spiervezel bestaat uit sarcomeren met actine- en myosinefilamenten.
De kracht die een spier kan leveren hangt af van hoeveel cross-bridges
, kunnen worden gevormd. De overlap bepaalt de kracht. Hoe groter de overlap, hoe meer
myosinekoppen met actine kunnen binden wat leidt tot een grotere totale kracht. Een
sarcomeer levert maximale kracht bij optimale overlap tussen actine en myosine. Dit is op
ongeveer 2,2 um.
- Te korte spier: De filamenten overlappen te veel, myosine kan niet optimaal binden
waardoor er minder ruimte is voor effectieve cross-bridges lage kracht
- Te lange spier: de filamenten raken elkaar nauwelijks, hierdoor vindt myosine weinig
of geen actinebindingsplaatsen lage kracht.
De krachtlengterelatie bestaat uit actieve kracht-lengte (de kracht die de spier zelf levert
als die maximaal aanspant) en passieve kracht-lengte (weerstand tegen kracht van buiten
af)
Krachtsnelheidsrelatie
De krachtsnelheidsrelatie beschrijft hoe de snelheid waarmee een spier zich verkort of
verlengt invloed heeft op de hoeveelheid kracht die geleverd kan worden.
Bij een concentrische contractie verkort de spier en neemt de kracht af
bij hogere snelheden, omdat myosinekoppen minder tijd hebben om zich
aan actine te binden. Bij een excentrische contractie verlengt de spier
terwijl er kracht geleverd wordt, en kan er meer kracht genererend
worden doordat externe krachten myosine losrukken en titine extra
spanning levert.
Snel verkorten leidt tot een lagere kracht. Bij isometrische kracht is de snelheid nul en op
Vmax is er geen kracht. Hoe meer sarcomeren in serie, hoe groter de verkortingssnelheid
(mens: 4 spierlengtes per seconde).
Vermogen
Vermogen is de kracht * snelheid. Bij 0 snelheid is het vermogen ook 0, ook al is de kracht
hoog. Bij maximale snelheid is de kracht bijna nul, dus het vermogen ook nul. Het vermogen
is maximaal bij 1/3 van de Vmax.
Korte, dikke spieren hebben een hoge kracht maar lage snelheid. Lange, dunne spieren
hebben een lage kracht mar een hoge snelheid.
Het maximaal vermogen dat een maximaal geactiveerde spier kan leveren is een functie van
het spiervolume.
Je begrijpt de bouw en werking van cross-bridges en kan uitleggen hoe cross-bridge functie
gerelateerd is aan isometrische, concentrische en excentrische spiercontracties.
Cross-bridges
Tijdens spiercontractie werkt de myosinekop samen met ATP in een cyclisch proces. Stel je
een myosinekop voor als een gespannen springveer. Nadat ATP is gehydrolyseerd tot ADP +
Pi, staat de myosinekop in een hoge-energiepositie, bijna recht omhoog, klaar om aan actine
te grijpen. Zodra hij een bindingsplaats op actine vindt, klikt hij vast en staat de opgeslagen
energie in de kop klaar voor actie. Dan komt het moment van de powerstroke: wanneer
Samenvatting
Je frist kennis op uit de eerstejaars cursussen met betrekking tot bouw en werking van
skeletspieren en je maakt kennis met enkele voor jou waarschijnlijk nieuwe eiwitten die
belangrijk zijn voor structuur van skeletspieren en pezen.
Celstructuren
Een cel bestaat uit de volgende onderdelen:
- Cytosol: intracellulaire vloeistof
- Mitochondriën: energieproductie (ATP)
- Ruw-endoplasmatisch reticulum: eiwitsynthese
- Golgiapparaat: eiwitmodificatie en transport
- Lysosomen: afbraak eiwitten
- Ribosomen: eiwitsynthese
- Celkern: bevat DNA
- Nucleaire poriën
- Chromatine: DNA + eiwitten in celkern
Spieropbouw
Een skeletspier bestaat uit duizenden spiervezels. Elke spiervezel is omgeven door het
sarcolemma, de gespecialiseerde plasmamembraan van de spiercel, dat een sleutelrol spilt
in het geleiden van actiepotentialen naar het interieur van de cel. Onder het sarcolemma
bevinden zich satelietcellen, stamcelachtige cellen die belangrijk zijn voor groei en herstel
van spierweefsel.
Elke spiervezels bevat myofibrillen (100-400 sarcomeren), die weer bestaan uit
sarcomeren (2-2,5 um). Een sarcomeer loopt van z-lijn tot z-lijn en bevat de
verschillende filamenten:
- Actine (dunne filamenten), gestabiliseerd door nebuline
o 1 actine = contact met 3 myosinefilamenten
- Myosine (dikke filamenten), gestabiliseerd door het elastische eiwit titine.
o 1 myosine = contact met 6 actinefilamenten
- Titine: verantwoordelijk voor rustspanning en stabiliteit van het sarcomeer
- Tropomyosine en Troponine: reguleren de contractie
o TnC: bindt aan calcium
o TnT: bindt aan tropomyosine
o TnI: remt actine-myosine interactie
- M-lijn: ondersteunt de centrale organisatie van de myosinefilamenten, is het midden
van een sarcomeer
- Z-lijn: is de grens tussen sarcomeren
o Type I: dikker, -actinine-2, langzame spieren
o Type 2: dunner, -actinine-3, snelle spieren
- Myomesin: verbindt myosinefilamenten met elkaar in de m-lijn.
- Desmine: koppelt z-lijnen van aangrenzende myofibrillen
- I-band: kan veranderen (actine)
- A-band: constant (myosine)
- H-zone: A-band zonder overlap
Myosine bestaat uit twee heavy chains die bestaan uit een kop (s1) en een staart
(s2) en uit vier light chains die bestaan uit een regulatoire keten (RLC) en een
,essentiële keten (ELC). De RLC reguleert myosine activiteit via calciumbinding en de ELC
zorgt voor structurele stabiliteit van myosine kop en helpt bij actine binding. De kop zorgt
voor ATP-ase activiteit en binding van actine en de staart vormen de dikke filamenten.
Rondom de myofibrillen ligt het sarcoplasmatisch reticulum (SR), een netwerk van
membranen dat calcium opslaat en vrijgeeft. Calciumafgifte vanuit het SR wordt geactiveerd
via de T-tubuli: instulpingen van het sarcolemma die elektrische signalen diep in de cel
brengen en daarmee gecoördineerde contractie mogelijk maken.
De extracellulaire matrix in en rond een spiervezel is een netwerk van eiwitten buiten de
cel dat zorgt voor stevigheid, ondersteuning en krachtgeleiding. In spieren bestaat de ECM
vooral uit collageen, laminine, proteoglycanen en andere eiwitten. Om de ECM te koppelen
aan de binnenkant van de spiercel gebruikt het lichaam integrines (transmembraaneiwitten
die binnen en buiten verbinden, rekgevoelige sensoren), Focal Adhesion Kinase (onderdeel
van signaaltransductie) en dystrofine (koppelt contractiele eiwitten aan het celmembraan, bij
schade minder stevige spiercellen (Duchenne)).
Rond individuele spiervezels ligt het endomysium (fibroblasen produceren collageen), rond
een groep spiervezels ligt het perimysium (bevat bloedvaten, motorische axonen,
spierspoeltjes) en rond de hele spier ligt het epimysium (ondersteunt structuur en omgeving
voor contractie).
Spiercontractie
Wanneer calcium bindt aan troponine C (TnC) verschuift het tropomyosine. Hierdoor komt de
bindingplaats op actine vrije waardoor het myosine kopje kopje (S1) kan binden aan actine.
Dit vormt een crossbridge waardoor er kracht ontstaat. Wanneer ATP aan de myosinekop
bindt verbreekt de verbinding.
Je verdiept je kennis met betrekking tot het begrip isometrische contractie, de
krachtsnelheidsrelatie en het begrip vermogen
Soorten contracties
Er zijn drie soorten contracties, isometrische contractie, excentrische contractie en
concentrische contractie.
- Concentrische contractie: de spier verkort terwijl er kracht geleverd wordt.
- Excentrische contractie: de spier verlengd terwijl er kracht geleverd wordt.
- Isometrische contractie: de spier verandert niet van lengte terwijl er kracht geleverd
wordt.
Bij een isometrische contractie levert de spier kracht zonder dat de totale lengte verandert.
Het contractiele element (CE) probeert actief te verkorten, maar omdat de spier niet mag
bewegen, wordt deze verkorting opgevangen door het series elastisch element (SEC),
zoals pezen en titine, die uitrekken. Zo blijft de totale spierlengte gelijk, terwijl er toch kracht
wordt opgebouwd. De spier verkort van binnen, de elastische onderdelen rekken mee, en de
lengte blijft constant. Tijdens relaxatie verkorten de SEC’s en wordt CE weer langer. Tijdens
isometrische contractie op optimum lengte gaat 10% van de ATP op aan de Na+/K+-pomp,
60% aan myosine-ATPase en 30% aan de Ca2+-ATPase.
Krachtlengterelatie
Een spiervezel bestaat uit sarcomeren met actine- en myosinefilamenten.
De kracht die een spier kan leveren hangt af van hoeveel cross-bridges
, kunnen worden gevormd. De overlap bepaalt de kracht. Hoe groter de overlap, hoe meer
myosinekoppen met actine kunnen binden wat leidt tot een grotere totale kracht. Een
sarcomeer levert maximale kracht bij optimale overlap tussen actine en myosine. Dit is op
ongeveer 2,2 um.
- Te korte spier: De filamenten overlappen te veel, myosine kan niet optimaal binden
waardoor er minder ruimte is voor effectieve cross-bridges lage kracht
- Te lange spier: de filamenten raken elkaar nauwelijks, hierdoor vindt myosine weinig
of geen actinebindingsplaatsen lage kracht.
De krachtlengterelatie bestaat uit actieve kracht-lengte (de kracht die de spier zelf levert
als die maximaal aanspant) en passieve kracht-lengte (weerstand tegen kracht van buiten
af)
Krachtsnelheidsrelatie
De krachtsnelheidsrelatie beschrijft hoe de snelheid waarmee een spier zich verkort of
verlengt invloed heeft op de hoeveelheid kracht die geleverd kan worden.
Bij een concentrische contractie verkort de spier en neemt de kracht af
bij hogere snelheden, omdat myosinekoppen minder tijd hebben om zich
aan actine te binden. Bij een excentrische contractie verlengt de spier
terwijl er kracht geleverd wordt, en kan er meer kracht genererend
worden doordat externe krachten myosine losrukken en titine extra
spanning levert.
Snel verkorten leidt tot een lagere kracht. Bij isometrische kracht is de snelheid nul en op
Vmax is er geen kracht. Hoe meer sarcomeren in serie, hoe groter de verkortingssnelheid
(mens: 4 spierlengtes per seconde).
Vermogen
Vermogen is de kracht * snelheid. Bij 0 snelheid is het vermogen ook 0, ook al is de kracht
hoog. Bij maximale snelheid is de kracht bijna nul, dus het vermogen ook nul. Het vermogen
is maximaal bij 1/3 van de Vmax.
Korte, dikke spieren hebben een hoge kracht maar lage snelheid. Lange, dunne spieren
hebben een lage kracht mar een hoge snelheid.
Het maximaal vermogen dat een maximaal geactiveerde spier kan leveren is een functie van
het spiervolume.
Je begrijpt de bouw en werking van cross-bridges en kan uitleggen hoe cross-bridge functie
gerelateerd is aan isometrische, concentrische en excentrische spiercontracties.
Cross-bridges
Tijdens spiercontractie werkt de myosinekop samen met ATP in een cyclisch proces. Stel je
een myosinekop voor als een gespannen springveer. Nadat ATP is gehydrolyseerd tot ADP +
Pi, staat de myosinekop in een hoge-energiepositie, bijna recht omhoog, klaar om aan actine
te grijpen. Zodra hij een bindingsplaats op actine vindt, klikt hij vast en staat de opgeslagen
energie in de kop klaar voor actie. Dan komt het moment van de powerstroke: wanneer
