Van zenuwsignaal tot dwarsbrug

Elke krachtslag van een myosinekop verplaatst het dunne filament ongeveer 10 nanometer, en elke cyclus gebruikt ATP.

Het signaal komt aan

Het besluit om te bewegen begint in de hersenen, maar het bevel dat een skeletspiervezel bereikt, komt van een motorisch neuron. De meeste van deze neuronen hebben hun cellichaam in het ruggenmerg, en hun axonen kunnen tot ongeveer 90 cm lang zijn om de spier te bereiken. De ontmoetingsplaats tussen het axonuiteinde en de vezel is de neuromusculaire overgang. Daar geeft het uiteinde een chemische boodschapper af, acetylcholine (ACh). Die steekt een piepkleine kloof over, de synaptische spleet, en bindt aan receptoren op het vezelmembraan bij de motorische eindplaat. De receptoren zijn kanalen: als ACh bindt, gaan ze open en stromen positief geladen ionen naar binnen, waardoor de binnenkant van de vezel minder negatief wordt.

Die verandering opent spanningsafhankelijke natriumkanalen, natrium stroomt naar binnen en een actiepotentiaal trekt over het hele membraan. Ondertussen breekt een enzym, acetylcholinesterase, het ACh af dat in de spleet is achtergebleven, zodat het de vezel niet steeds opnieuw kan prikkelen.

Van membraan naar calcium

Een spiervezel kan 100 micrometer dik zijn, te breed om een signaal aan het oppervlak snel het midden te laten bereiken. Daarom duikt het membraan de cel in via smalle buisjes die T-tubuli heten (T van transversaal) en die de actiepotentiaal diep naar binnen voeren. Elke T-tubulus loopt tussen twee verwijde zakken van het sarcoplasmatisch reticulum, de calciumvoorraad; de drie samen vormen een triade. Als de actiepotentiaal passeert, gaan kanalen in het sarcoplasmatisch reticulum open en stromen calciumionen (Ca2+) het sarcoplasma in. Deze koppeling tussen een elektrisch signaal en een mechanische trekkracht heet excitatie-contractiekoppeling.

Vijf stappen van de dwarsbrugcyclus

In rust ligt een streng tropomyosine langs het actine en bedekt de plekken waar myosine zou kunnen binden, en troponine houdt haar daar vast. Stap 1: Ca2+ bindt aan troponine, waardoor tropomyosine van de bindingsplekken schuift. Stap 2: een myosinekop, al gespannen en nog met ADP en fosfaat uit de vorige cyclus, bindt aan actine. Deze verbinding is een dwarsbrug. Stap 3, de krachtslag: het fosfaat komt vrij, de kop grijpt steviger vast en draait naar de M-lijn, waarbij hij het dunne filament ongeveer 10 nanometer trekt. Dan komt het ADP los, maar de kop blijft vastzitten. Stap 4: een nieuw ATP-molecuul bindt aan de kop en laat hem actine loslaten. Stap 5: de kop splitst het ATP in ADP en fosfaat en gebruikt de energie om terug te zwaaien naar de gespannen stand, klaar om verderop weer te binden.

Kies elke stap uit de lijst Stap in het model en kijk naar de oranje kop. Druk dan op Afspelen. Veel koppen doorlopen de cyclus op verschillende momenten, dus sommige houden altijd vast terwijl andere naar voren reiken, een beetje als een team dat hand over hand aan een touw trekt.

Waarom ATP twee keer telt

ATP is op twee punten in de cyclus nodig. Het zorgt ervoor dat de kop actine loslaat, en de energie uit het splitsen ervan spant de kop opnieuw. ATP drijft ook de pompen die calcium terug het sarcoplasmatisch reticulum in brengen. Zonder ATP blijven myosinekoppen aan actine vastzitten. Dat is de oorzaak van rigor mortis, de stijfheid van de spieren kort na de dood: er kan geen nieuw ATP meer worden gemaakt, dus de dwarsbruggen laten nooit los. Zet ATP uit in het model en elke kop die actine kan bereiken, blijft vastzitten.

Uitschakelen

De samentrekking stopt als het motorische neuron ophoudt ACh af te geven. Het membraan keert terug naar rust, de calciumkanalen sluiten en pompen brengen Ca2+ terug in het sarcoplasmatisch reticulum. Troponine laat zijn calcium los, tropomyosine schuift terug over de bindingsplekken, en omdat er geen nieuwe dwarsbruggen ontstaan, ontspant de vezel. Gladde spier gebruikt ook calcium, maar op een andere manier. Ze heeft geen troponine, dus calcium bindt aan een eiwit dat calmoduline heet, dat een enzym inschakelt dat de myosinekoppen activeert.

Eén signaal, één trekking

Eén enkele actiepotentiaal geeft één korte samentrekking die een schok heet en die, afhankelijk van de spier, enkele milliseconden tot ongeveer 100 milliseconden duurt. Signalen die aankomen voordat de vezel is ontspannen, tellen op tot een sterkere trekkracht, en bij hoog genoeg tempo gaan de schokken over in één gladde, aanhoudende samentrekking die tetanus heet. Het zenuwstelsel regelt de kracht ook door te kiezen hoeveel motorische eenheden het gebruikt. Een motorische eenheid is één motorisch neuron met alle vezels die het aanstuurt. In de spieren die het oog bewegen, stuurt één neuron maar ongeveer zes vezels aan, wat zeer fijne controle mogelijk maakt. In grote dij- en rugspieren kan één neuron er duizenden aansturen.

Dit is lesmateriaal over hoe het lichaam is gebouwd en werkt. Het is geen medisch advies en is niet bedoeld om iemand te diagnosticeren of te behandelen.