Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

20.8: Overbruggingscyclus
INHOUDSOPGAVE

JoVE Core
Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
Cross-bridge Cycle
 
TRANSCRIPT

20.8: Cross-bridge Cycle

20.8: Overbruggingscyclus

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.

Naarmate spieren samentrekken, neemt de overlap tussen de dunne en dikke filamenten toe, waardoor de lengte van het sarcomeer - de contractiele eenheid van de spier - afneemt met behulp van energie in de vorm van ATP. Op moleculair niveau is dit een cyclisch, meerstaps proces dat binding en hydrolyse van ATP en beweging van actine door myosine omvat.

Wanneer ATP, dat is vastgemaakt aan de myosinekop, wordt gehydrolyseerd tot ADP, beweegt myosine zich in een hoge energietoestand gebonden aan actine, waardoor een kruisbrug ontstaat. Wanneer ADP wordt vrijgegeven, beweegt de myosinekop naar een lage energietoestand, waarbij actine naar het midden van het sarcomeer beweegt. Binding van een nieuw ATP-molecuul scheidt myosine van actine. Wanneer dit ATP wordt gehydrolyseerd, zal de myosinekop binden aan actine, dit keer aan een portie actine dichter bij het einde van het sarcomeer. Regulerende eiwitten troponine en tropomyosine, samen met calcium, werken samen om de myosine-actine-interactie te beheersen. Wanneer troponine aan calcium bindt, wordt tropomyosine weggeleid van de myosin-bindingsplaats op actine, waardoor myosine en actine kunnen interageren en spiercontractie kan optreden.

Calcium

Als regulator van spiercontractie wordt de calciumconcentratie in spiervezels zeer nauw gecontroleerd. Spiervezels staan in nauw contact met motorneuronen. Actiepotentialen in motorneuronen veroorzaken de afgifte van de neurotransmitter acetylcholine in de buurt van spiervezels. Dit genereert een actiepotentiaal (depolarisatie) in de spiercel, dat wordt gedragen langs het plasmamembraan en door invaginaties van het plasmamembraan die transversaal of T-tubuli worden genoemd.

T-tubuli lopen diep in de spier en grenzen aan gespecialiseerde endoplasmatisch reticulumorganellen genaamd sarcoplasmatisch reticulum of SR. Calcium dat in de SR is gesekwestreerd, komt vrij wanneer spanningsafhankelijke ionkanalen (ionkanalen die openen en sluiten op basis van lokale ladingen) openen als reactie op depolarisatie, waardoor calciumionen het cytoplasma kunnen binnendringen en spieren kunnen samentrekken.

Wanneer het signaleren van motorneuronen stopt, begint de ontspanning van de spier wanneer calcium terug in de SR wordt gepompt, waardoor de cytoplasmatische calciumspiegels worden verlaagd en de SR-calciumvoorraden worden aangevuld ter voorbereiding op de volgende contractie.

Spier degeneratie

Gezonde spieren kunnen samentrekken, maar zieke spieren verliezen dit vermogen vaak. Ziekten zoals myasthenia gravis voorkomen motorneuronstimulatie van spieren, wat resulteert in spieratrofie en afname van spiermassa. Amyotrofische laterale sclerose (ALS of de ziekte van Lou Gehrig) zorgt ervoor dat motorneuronen degenereren, wat op dezelfde manier leidt tot spierdegeneratie en -atrofie.


Aanbevolen Lectuur

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter