Back to chapter

20.8:

מחזור גשר-הצלבה

JoVE Core
Biology
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Biology
Cross-bridge Cycle

Languages

Share

השריר מתכווץ כאשר החפיפה בין הפילמנטים הדקים והעבים גדלה, מה שגורם להיקצרות הסרקומר. ברמה המולקולרית, ההתכווצות מתרחשת הקשור ATP כאשר לראש הכדורי של מיוזין, ADP-עובר הידרוליזה ל ומעביר את ראש המיוזין למצב של אנרגיה גבוהה שבו הראש נקשר לאקטין ויוצר גשר רוחב. גורם לראש המיוזין ADP שחרור לחזור למצב של אנרגיה נמוכה, מה שמניע את אקטין אל מרכז הסרקומר.ATP קישור מולקולת חדשה לראש המיוזין מנתק אותו מהאקטין. בפעם הבאה שראש המיוזין יקשר לאקטין, זה יהיה על החלק Z-הקרוב יותר לקו ה. תהליך קישור זה מבוקר על-ידי שני חלבוני בקרה, טרופומיוזין וטרופונין, ועל-ידי ריכוז הסידן אשר מאוחסן ומשוחרר מהרשתית הסרקופלסמית.טרופומיוזין מכסה את אתרי הקישור למיוזין שעל אקטין, והטרופונין נקשר לסידן כאשר הוא זמין, מה שמרחיק את הטרופומיוזין מאתר הקישור למיוזין שעל אקטין. סידור מרחבי זה מאפשר לגשר רוחב להיווצר ולשריר להתכווץ. מחזור זה נמשך עד שהסידן כבר לא נוכחים בסיבי השריר ATP-וה.

20.8:

מחזור גשר-הצלבה

As muscle contracts, the overlap between the thin and thick filaments increases, decreasing the length of the sarcomere—the contractile unit of the muscle—using energy in the form of ATP. At the molecular level, this is a cyclic, multistep process that involves binding and hydrolysis of ATP, and movement of actin by myosin.

When ATP, that is attached to the myosin head, is hydrolyzed to ADP, myosin moves into a high energy state bound to actin, creating a cross-bridge. When ADP is released, the myosin head moves to a low energy state, moving actin toward the center of the sarcomere. Binding of a new ATP molecule dissociates myosin from actin. When this ATP is hydrolyzed, the myosin head will bind to actin, this time on a portion of actin closer to the end of the sarcomere. Regulatory proteins troponin and tropomyosin, along with calcium, work together to control the myosin-actin interaction. When troponin binds to calcium, tropomyosin is moved away from the myosin-binding site on actin, allowing myosin and actin to interact and muscle contraction to occur.

Calcium

As a regulator of muscle contraction, calcium concentration is very closely controlled in muscle fibers. Muscle fibers are in close contact with motor neurons. Action potentials in motor neurons cause the release of the neurotransmitter acetylcholine in the vicinity of muscle fibers. This generates an action potential (depolarization) in the muscle cell, that is carried along the plasma membrane and through invaginations of the plasma membrane called transverse, or T-tubules.

T-tubules run deep into the muscle and are adjacent to specialized endoplasmic reticulum organelles called sarcoplasmic reticulum, or SR. Calcium sequestered inside the SR is released when voltage-gated ion channels (ion channels that open and close based on local charges) open in response to depolarization, allowing calcium ions to enter the cytoplasm, and muscles to contract.

When signaling from motor neurons stops, relaxation of the muscle begins as calcium is pumped back into the SR, decreasing the cytoplasmic levels of calcium and replenishing the SR calcium stores in preparation for the next contraction.

Muscle Degeneration

Healthy muscle can contract but diseased muscle often loses this ability. Diseases like myasthenia gravis prevent motor neuron stimulation of muscle which results in muscle atrophy and a decrease in muscle mass. Amyotrophic lateral sclerosis (ALS or Lou Gehrig’s disease) causes motor neurons to degenerate, which similarly leads to muscle degeneration and atrophy.

Suggested Reading

Guellich, Aziz, Elisa Negroni, Valérie Decostre, Alexandre Demoule, and Catherine Coirault. “Altered Cross-Bridge Properties in Skeletal Muscle Dystrophies.” Frontiers in Physiology 5 (October 14, 2014). [Source]

Debold, Edward P. “Recent Insights into Muscle Fatigue at the Cross-Bridge Level.” Frontiers in Physiology 3 (June 1, 2012). [Source]

Rall, Jack A. “What Makes Skeletal Muscle Striated? Discoveries in the Endosarcomeric and Exosarcomeric Cytoskeleton.” Advances in Physiology Education 42, no. 4 (November 15, 2018): 672–84. [Source]