فیزیولوژی پزشکی گایتون و هال؛ انقباض ماهیچه اسکلتی

---

---

---

---

About 40% of the body is skeletal muscle, and perhaps another 10% is smooth and cardiac muscle. Some of the same basic principles of contraction apply to all these muscle types. In this chapter, we mainly consider skeletal muscle function; the specialized functions of smooth muscle are discussed in Chapter 8, and cardiac muscle is discussed in Chapter 9.

حدود ۴۰ درصد از بدن را ماهیچه‌های اسکلتی تشکیل می‌دهند و شاید ۱۰ درصد دیگر را ماهیچه‌های صاف و قلبی تشکیل دهند. برخی از همان اصول اولیه انقباض برای همه این انواع ماهیچه اعمال می‌شود. در این فصل، ما عمدتاً عملکرد ماهیچه‌های اسکلتی را در نظر می‌گیریم. عملکردهای تخصصی ماهیچه صاف در فصل ۸ و عضله قلبی در فصل ۹ مورد بحث قرار گرفته است.

PHYSIOLOGICAL ANATOMY OF SKELETAL MUSCLE

Figure 6-1 shows that skeletal muscles are composed of numerous fibers ranging from 10 to 80 micrometers in diameter. Each of these fibers is made up of successively smaller subunits, also shown in Figure 6-1, and described in subsequent paragraphs.

آناتومی فیزیولوژیکی عضله اسکلتی

شکل ۶-۱ نشان می‌دهد که ماهیچه‌های اسکلتی از فیبرهای متعددی با قطر ۱۰ تا ۸۰ میکرومتر تشکیل شده اند. هر یک از این فیبرها از زیر واحدهای متوالی کوچکتری تشکیل شده است که در شکل ۶-۱ نیز نشان داده شده است و در پاراگراف‌های بعدی توضیح داده شده است.

In most skeletal muscles, each fiber extends the entire length of the muscle. Except for about 2% of the fibers, each fiber is usually innervated by only one nerve ending, located near the middle of the fiber.

در اکثر ماهیچه‌های اسکلتی، هر فیبر تمام طول عضله را گسترش می‌دهد. به جز حدود ۲ درصد از فیبرها، هر فیبر معمولاً تنها توسط یک انتهای عصبی که در نزدیکی وسط فیبر قرار دارد، عصب دهی می‌شود.

The Sarcolemma Is a Thin Membrane Enclosing a Skeletal Muscle Fiber. The sarcolemma consists of a true cell membrane, called the plasma membrane, and an outer coat made up of a thin layer of polysaccharide material that contains numerous thin collagen fibrils. At each end of the muscle fiber, this surface layer of the sar- colemma fuses with a tendon fiber. The tendon fibers, in turn, collect into bundles to form the muscle tendons that then connect the muscles to the bones.

سارکولما غشایی نازک است که یک فیبر عضلانی اسکلتی را در بر می‌گیرد. سارکولما از یک غشای سلولی واقعی به نام غشای پلاسما و یک پوشش بیرونی تشکیل شده از یک لایه نازک از مواد پلی ساکارید که حاوی فیبرهای نازک کلاژن متعددی است، تشکیل شده است. در هر انتهای فیبر عضلانی، این لایه سطحی سارکولم با یک فیبر تاندون ترکیب می‌شود. فیبرهای تاندون به نوبه خود به صورت دسته‌هایی جمع می‌شوند تا تاندون‌های عضلانی را تشکیل دهند که سپس ماهیچه‌ها را به استخوان‌ها متصل می‌کنند.

Myofibrils Are Composed of Actin and Myosin Filaments. Each muscle fiber contains several hun- dred to several thousand myofibrils, which are illus- trated in the cross-sectional view of Figure 6-1C. Each myofibril (Figure 6-1D and E) is composed of about 1500 adjacent myosin filaments and 3000 actin fila- ments, which are large polymerized protein molecules that are responsible for the muscle contraction. These filaments can be seen in longitudinal view in the elec- tron micrograph of Figure 6-2 and are represented diagrammatically in Figure 6-1E through L. The thick filaments in the diagrams are myosin, and the thin fila- ments are actin.

میوفیبریل‌ها از رشته‌های اکتین و میوزین تشکیل شده اند. هر فیبر عضلانی حاوی چند صد تا چند هزار میوفیبریل است که در نمای مقطعی شکل ۶-1C نشان داده شده است. هر میوفیبریل (شکل ۶-1D و E) از حدود ۱۵۰۰ رشته میوزین مجاور و ۳۰۰۰ رشته اکتین تشکیل شده است که مولکول‌های پروتئین پلیمریزه بزرگی هستند که مسئول انقباض عضلانی هستند. این رشته‌ها را می‌توان در نمای طولی در میکروگراف الکترونی شکل ۶-۲ مشاهده کرد و به صورت نموداری در شکل ۶-۱ E تا L نشان داده شده است. رشته‌های ضخیم در نمودارها میوزین هستند و رشته‌های نازک اکتین هستند.

Note in Figure 6-1E that the myosin and actin fila- ments partially interdigitate and thus cause the myofibrils to have alternate light and dark bands, as illustrated in Figure 6-2. The light bands contain only actin filaments and are called I bands because they are isotropic to polar- ized light. The dark bands contain myosin filaments, as well as the ends of the actin filaments, where they over- lap the myosin, and are called A bands because they are anisotropic to polarized light. Note also the small projec- tions from the sides of the myosin filaments in Figure 6-1E and L. These projections are cross-bridges. It is the interaction between these cross-bridges and the actin fila- ments that causes contraction (Video 6-1).

در شکل ۶-1E توجه داشته باشید که رشته‌های میوزین و اکتین تا حدی در هم قرار می‌گیرند و در نتیجه باعث می‌شوند که میوفیبریل‌ها نوارهای روشن و تاریک متناوب داشته باشند، همانطور که در شکل ۶-۲ نشان داده شده است. نوارهای نوری فقط حاوی رشته‌های اکتین هستند و به آنها باند I می‌گویند زیرا همسانگرد نسبت به نور قطبی شده هستند. نوارهای تیره حاوی رشته‌های میوزین و همچنین انتهای رشته‌های اکتین هستند که روی میوزین روی هم قرار می‌گیرند و به دلیل ناهمسانگرد بودن با نور پلاریزه، نوارهای A نامیده می‌شوند. همچنین به برجستگی‌های کوچک از کناره‌های رشته‌های میوزین در شکل ۶-1E و L توجه کنید. این برجستگی‌ها پل‌های متقاطع هستند. این برهمکنش بین این پل‌های متقاطع و رشته‌های اکتین است که باعث انقباض می‌شود (ویدئو ۶-۱).

Figure 6-1E also shows that the ends of the actin filaments are attached to a Z disk. From this disk, these filaments extend in both directions to interdigitate with the myosin filaments. The Z disk, which is composed of filamentous proteins different from the actin and myo- sin filaments, passes crosswise across the myofibril and also crosswise from myofibril to myofibril, attaching the myofibrils to one another all the way across the muscle fiber. Therefore, the entire muscle fiber has light and dark bands, as do the individual myofibrils. These bands give skeletal and cardiac muscle their striated appearance.

شکل ۶-1E همچنین نشان می‌دهد که انتهای رشته‌های اکتین به یک دیسک Z متصل است. از این دیسک، این رشته‌ها در هر دو جهت گسترش می‌یابند تا با رشته‌های میوزین درگیر شوند. دیسک Z که از پروتئین‌های رشته ای متفاوت از رشته‌های اکتین و میوسین تشکیل شده است، به صورت ضربدری از میوفیبریل و همچنین به صورت ضربدری از میوفیبریل به میوفیبریل عبور می‌کند و میوفیبریل‌ها را در تمام طول فیبر عضلانی به یکدیگر متصل می‌کند. بنابراین، کل فیبر عضلانی مانند میوفیبریل‌های منفرد دارای نوارهای روشن و تیره است. این نوارها به ماهیچه‌های اسکلتی و قلبی ظاهر مخطط می‌دهند.

The portion of the myofibril (or of the whole muscle fiber) that lies between two successive Z disks is called a sarcomere. When the muscle fiber is contracted, as shown at the bottom of Figure 6-5, the length of the sarcomere is about 2 micrometers. At this length, the actin filaments completely overlap the myosin filaments, and the tips of the actin filaments are just beginning to overlap one another. As discussed later, at this length, the muscle is capable of generating its greatest force of contraction.

بخشی از میوفیبریل (یا کل فیبر عضلانی) که بین دو دیسک Z متوالی قرار دارد، سارکومر نامیده می‌شود. هنگامی‌که فیبر عضلانی منقبض می‌شود، همانطور که در پایین شکل ۶-۵ نشان داده شده است، طول سارکومر حدود ۲ میکرومتر است. در این طول، رشته‌های اکتین کاملاً روی رشته‌های میوزین همپوشانی دارند و نوک رشته‌های اکتین تازه شروع به همپوشانی با یکدیگر کرده‌اند. همانطور که بعداً بحث شد، در این طول، عضله قادر است بیشترین نیروی انقباض خود را ایجاد کند.

Figure 6-1.
A-E, Organization of skeletal muscle, from the gross to the molecular level. F-I, Cross sections at the levels indicated.

شکل ۶-۱.
A-E، سازماندهی عضلات اسکلتی، از سطح ناخالص تا مولکولی. F-I، مقاطع عرضی در سطوح نشان داده شده است.

Figure 6-2.
Electron micrograph of muscle myofibrils showing the detailed organization of actin and myosin filaments. Note the mito- chondria lying between the myofibrils. (From Fawcett DW: The Cell. Philadelphia: WB Saunders, 1981.)

شکل ۶-۲.
میکروگراف الکترونی میوفیبریل‌های عضلانی که سازماندهی دقیق رشته‌های اکتین و میوزین را نشان می‌دهد. به میتوکندری که بین میوفیبریل‌ها قرار دارد توجه کنید. (از Fawcett DW: The Cell. Philadelphia: WB Saunders, 1981.)

Titin Filamentous Molecules Keep the Myosin and Actin Filaments in Place. The side-by-side relationship between the myosin and actin filaments is maintained by a large number of filamentous molecules of a protein called titin (Figure 6-3). Each titin molecule has a mo- lecular weight of about 3 million, which makes it one of the largest protein molecules in the body. Also, because it is filamentous, it is very springy. These springy titin mol- ecules act as a framework that holds the myosin and ac- tin filaments in place so that the contractile machinery of the sarcomere will work. One end of the titin molecule is elastic and is attached to the Z disk, acting as a spring and changing length as the sarcomere contracts and re- laxes. The other part of the titin molecule tethers it to the myosin thick filament. The titin molecule may also act as a template for the initial formation of portions of the con- tractile filaments of the sarcomere, especially the myosin filaments.

مولکول‌های رشته ای تیتین رشته‌های میوزین و اکتین را در جای خود نگه می‌دارند. رابطه جانبی بین رشته‌های میوزین و اکتین توسط تعداد زیادی مولکول رشته ای پروتئینی به نام تیتین حفظ می‌شود (شکل ۶-۳). هر مولکول تیتین دارای وزن مولکولی حدود ۳ میلیون است که آن را به یکی از بزرگترین مولکول‌های پروتئین در بدن تبدیل می‌کند. همچنین به دلیل رشته ای بودن بسیار فنری است. این مولکول‌های فنری تیتین به‌عنوان چارچوبی عمل می‌کنند که رشته‌های میوزین و اکتین را در جای خود نگه می‌دارد تا دستگاه انقباضی سارکومر کار کند. یک سر مولکول تیتین الاستیک است و به دیسک Z متصل است، به عنوان فنر عمل می‌کند و با انقباض و شل شدن سارکومر، طول آن تغییر می‌کند. بخش دیگر مولکول تیتین آن را به رشته ضخیم میوزین متصل می‌کند. مولکول تیتین همچنین ممکن است به عنوان الگویی برای تشکیل اولیه بخش‌هایی از رشته‌های انقباضی سارکومر، به ویژه رشته‌های میوزین عمل کند.

Figure 6-3 Organization of proteins in a sarcomere.
Each titin mol- ecule extends from the Z disk to the M line. Part of the titin molecule is closely associated with the myosin thick filament, whereas the rest of the molecule is springy and changes length as the sarcomere con- tracts and relaxes.

شکل ۶-۳ سازماندهی پروتئین‌ها در یک سارکومر.
هر مولکول تیتین از دیسک Z تا خط M گسترش می‌یابد. بخشی از مولکول تیتین ارتباط نزدیکی با رشته ضخیم میوزین دارد، در حالی که بقیه مولکول فنری است و با انقباض و شل شدن سارکومر طول آن تغییر می‌کند.

Sarcoplasm Is the Intracellular Fluid Between Myofibrils. Many myofibrils are suspended side by side in each muscle fiber. The spaces between the myofibrils are filled with intracellular fluid called sarcoplasm, contain- ing large quantities of potassium, magnesium, and phos- phate, plus multiple protein enzymes. Also present are tre- mendous numbers of mitochondria that lie parallel to the myofibrils. These mitochondria supply the contracting my- ofibrils with large amounts of energy in the form of adeno- sine triphosphate (ATP) formed by the mitochondria.

سارکوپلاسم مایع درون سلولی بین میوفیبریل‌ها است. بسیاری از میوفیبریل‌ها در کنار هم در هر فیبر عضلانی معلق هستند. فضاهای بین میوفیبریل‌ها با مایع درون سلولی به نام سارکوپلاسم پر شده است که حاوی مقادیر زیادی پتاسیم، منیزیم و فسفات به علاوه چندین آنزیم پروتئینی است. همچنین تعداد زیادی میتوکندری وجود دارد که به موازات میوفیبریل‌ها قرار دارند. این میتوکندری‌ها مقادیر زیادی انرژی را به شکل آدنوزین تری فسفات (ATP) که توسط میتوکندری تشکیل می‌شود، به myofibrils منقبض می‌کنند.

Sarcoplasmic Reticulum Is a Specialized Endoplasmic Reticulum of Skeletal Muscle. Also, in the sarcoplasm surrounding the myofibrils of each muscle fiber, is an extensive reticulum (Figure 6-4), called the sarcoplas-mic reticulum. This reticulum has a special organization that is extremely important in regulating calcium stor- age, release, reuptake and therefore muscle contraction, as discussed in Chapter 7. The rapidly contracting types of muscle fibers have especially extensive sarcoplasmic reticula.

شبکه سارکوپلاسمی‌یک شبکه آندوپلاسمی‌تخصصی عضلات اسکلتی است. همچنین، در سارکوپلاسم احاطه کننده میوفیبریل‌های هر فیبر عضلانی، یک شبکه گسترده (شکل ۶-۴) به نام شبکه سارکوپلاسمیک وجود دارد. این شبکه دارای سازماندهی خاصی است که در تنظیم ذخیره کلسیم، آزادسازی، بازجذب و در نتیجه انقباض عضلانی، همانطور که در فصل ۷ بحث شد، بسیار مهم است.

Figure 6-4.
Sarcoplasmic reticulum in the spaces between the myofi- brils, showing a longitudinal system paralleling the myofibrils. Also shown in cross section are T tubules (arrows) that lead to the exterior of the fiber membrane and are important for conducting the electri- cal signal into the center of the muscle fiber. (From Fawcett DW: The Cell. Philadelphia: WB Saunders, 1981.)

شکل ۶-۴.
شبکه سارکوپلاسمی‌در فضاهای بین میوفیبریل‌ها، نشان دهنده یک سیستم طولی موازی با میوفیبریل‌ها. همچنین در مقطع عرضی لوله‌های T (فلش) نشان داده شده است که به قسمت بیرونی غشای فیبر منتهی می‌شود و برای هدایت سیگنال الکتریکی به مرکز فیبر عضلانی مهم است. (از Fawcett DW: The Cell. Philadelphia: WB Saunders, 1981.)

GENERAL MECHANISM OF MUSCLE CONTRACTION

The initiation and execution of muscle contraction occur in the following sequential steps.

مکانیسم عمومی‌انقباض عضلانی

شروع و اجرای انقباض عضلانی در مراحل متوالی زیر انجام می‌شود.

۱. An action potential travels along a motor nerve to its endings on muscle fibers.
2. At each ending, the nerve secretes a small amount of the neurotransmitter acetylcholine.
3. Acetylcholine acts on a local area of the muscle fiber membrane to open acetylcholine-gated cation channels through protein molecules floating in the membrane.
4. The opening of acetylcholine-gated channels al- lows large quantities of sodium ions to diffuse to the interior of the muscle fiber membrane. This ac- tion causes a local depolarization that in turn leads to the opening of voltage-gated sodium channels, which initiates an action potential at the membrane.
5. the action potential travels along the muscle fiber membrane in the same way that action potentials travel along nerve fiber membranes.
6. The action potential depolarizes the muscle mem- brane, and much of the action potential electricity flows through the center of the muscle fiber. Here it causes the sarcoplasmic reticulum to release large quantities of calcium ions that have been stored within this reticulum.
7. The calcium ions initiate attractive forces between the actin and myosin filaments, causing them to slide alongside each other, which is the contractile process.
8. After a fraction of a second, the calcium ions are pumped back into the sarcoplasmic reticulum by a Ca2+ membrane pump and remain stored in the re- ticulum until a new muscle action potential comes along; this removal of calcium ions from the myofi- brils causes the muscle contraction to cease.

۱. یک پتانسیل عمل در امتداد عصب حرکتی به انتهای آن بر روی فیبرهای عضلانی حرکت می‌کند.
2. در هر انتهای عصب مقدار کمی‌از انتقال دهنده عصبی استیل کولین ترشح می‌کند.
3. استیل کولین بر روی یک ناحیه محلی از غشای فیبر عضلانی عمل می‌کند تا کانال‌های کاتیونی دردار استیل کولین را از طریق مولکول‌های پروتئین شناور در غشاء باز کند.
4. باز شدن کانال‌های دریچه ای استیل کولین باعث می‌شود که مقادیر زیادی یون سدیم به داخل غشای فیبر عضلانی منتشر شود. این عمل باعث دپلاریزاسیون موضعی می‌شود که به نوبه خود منجر به باز شدن کانال‌های سدیم دارای ولتاژ می‌شود که باعث ایجاد پتانسیل عمل در غشاء می‌شود.
5. پتانسیل عمل در امتداد غشای فیبر عضلانی به همان روشی حرکت می‌کند که پتانسیل عمل در امتداد غشای فیبر عصبی حرکت می‌کند.
6. پتانسیل عمل غشای عضلانی را دپولاریزه می‌کند و بیشتر الکتریسیته پتانسیل عمل از مرکز فیبر عضلانی جریان می‌یابد. در اینجا باعث می‌شود که شبکه سارکوپلاسمی‌مقادیر زیادی یون کلسیم را که در این شبکه ذخیره شده است آزاد کند.
7. یون‌های کلسیم، نیروهای جذابی را بین رشته‌های اکتین و میوزین آغاز می‌کنند و باعث می‌شوند که آنها در کنار یکدیگر بلغزند که فرآیند انقباض است.
8. پس از کسری از ثانیه، یون‌های کلسیم توسط یک پمپ غشایی Ca2+ به شبکه سارکوپلاسمی‌پمپ می‌شوند و تا زمانی که پتانسیل عمل عضلانی جدیدی ایجاد شود، در شبکه ذخیره می‌شوند. این حذف یون‌های کلسیم از میوفیبریل‌ها باعث توقف انقباض عضلانی می‌شود.

We now describe the molecular machinery of the muscle contractile process.

اکنون ماشین آلات مولکولی فرآیند انقباض عضلانی را شرح می‌دهیم.

MOLECULAR MECHANISM OF MUSCLE CONTRACTION

Muscle Contraction Occurs by a Sliding Filament Mechanism. Figure 6-5 demonstrates the basic mecha- nism of muscle contraction. It shows the relaxed state of a sarcomere (top) and the contracted state (bottom). In the relaxed state, the ends of the actin filaments extending from two successive Z disks barely overlap one another. Conversely, in the contracted state, these actin filaments have been pulled inward among the myosin filaments, so their ends overlap one another to their maximum extent. Also, the Z disks have been pulled by the actin filaments up to the ends of the myosin filaments. Thus, muscle con- traction occurs by a sliding filament mechanism.

مکانیسم مولکولی انقباض عضلانی

انقباض عضلانی توسط یک مکانیسم رشته لغزنده رخ می‌دهد. شکل ۶-۵ مکانیسم اساسی انقباض عضلانی را نشان می‌دهد. حالت آرام یک سارکومر (بالا) و حالت انقباض (پایین) را نشان می‌دهد. در حالت آرام، انتهای رشته‌های اکتین که از دو دیسک Z متوالی امتداد می‌یابند، به سختی با یکدیگر همپوشانی دارند. برعکس، در حالت انقباض، این رشته‌های اکتین در میان رشته‌های میوزین به سمت داخل کشیده شده‌اند، بنابراین انتهای آن‌ها تا حداکثر میزان خود روی یکدیگر همپوشانی دارند. همچنین دیسک‌های Z توسط رشته‌های اکتین به سمت انتهای رشته‌های میوزین کشیده شده اند. بنابراین، انقباض عضلانی توسط یک مکانیسم رشته لغزنده رخ می‌دهد.

But what causes the actin filaments to slide inward among the myosin filaments? This action is caused by forces generated by interaction of the cross-bridges from the myosin filaments with the actin filaments. Under resting conditions, these forces are inactive, but when an action potential travels along the muscle fiber, this causes the sarcoplasmic reticulum to release large quantities of calcium ions that rapidly surround the myofibrils. The calcium ions, in turn, activate the forces between the myo- sin and actin filaments, and contraction begins. However, energy is needed for the contractile process to proceed. This energy comes from high-energy bonds in the ATP molecule, which is degraded to adenosine diphosphate (ADP) to liberate the energy. In the next few sections, we describe these molecular processes of contraction.

اما چه چیزی باعث می‌شود که رشته‌های اکتین در بین رشته‌های میوزین به سمت داخل بلغزند؟ این عمل توسط نیروهای ایجاد شده توسط برهمکنش پل‌های متقاطع از رشته‌های میوزین با رشته‌های اکتین ایجاد می‌شود. در شرایط استراحت، این نیروها غیرفعال هستند، اما وقتی یک پتانسیل عمل در امتداد فیبر عضلانی حرکت می‌کند، این امر باعث می‌شود که شبکه سارکوپلاسمی‌مقادیر زیادی یون کلسیم را آزاد کند که به سرعت میوفیبریل‌ها را احاطه می‌کند. یون‌های کلسیم به نوبه خود نیروهای بین رشته‌های میوسین و اکتین را فعال می‌کنند و انقباض شروع می‌شود. با این حال، انرژی برای ادامه فرآیند انقباضی مورد نیاز است. این انرژی از پیوندهای پرانرژی در مولکول ATP می‌آید که برای آزادسازی انرژی به آدنوزین دی فسفات (ADP) تجزیه می‌شود. در چند بخش بعدی، این فرآیندهای مولکولی انقباض را شرح می‌دهیم.

Figure 6-5.
Relaxed and contracted states of a myofibril showing (top) sliding of the actin filaments (pink) into the spaces between the myosin filaments (red) and (bottom) pulling of the Z membranes toward each other.

شکل ۶-۵.
حالت‌های آرام و منقبض یک میوفیبریل که لغزش (بالا) رشته‌های اکتین (صورتی) را به فضاهای بین رشته‌های میوزین (قرمز) و (پایین) کشیدن غشاهای Z به سمت یکدیگر نشان می‌دهد.

Molecular Characteristics of the Contractile Filaments

ویژگی‌های مولکولی رشته‌های انقباضی

Myosin Filaments Are Composed of Multiple Myosin Molecules. Each of the myosin molecules, shown in Figure 6-6A, has a molecular weight of about 480,000. Figure 6-6B shows the organization of many molecules to form a myosin filament, as well as interaction of this filament on one side with the ends of two actin filaments.

رشته‌های میوزین از چندین مولکول میوزین تشکیل شده اند. هر یک از مولکول‌های میوزین، که در شکل ۶-۶ الف نشان داده شده است، دارای وزن مولکولی حدود ۴۸۰۰۰۰ است. شکل ۶-6B سازماندهی بسیاری از مولکول‌ها برای تشکیل یک رشته میوزین و همچنین برهمکنش این رشته در یک طرف با انتهای دو رشته اکتین را نشان می‌دهد.

The myosin molecule (see Figure 6-6A) is composed of six polypeptide chains-two heavy chains, each with a molecular weight of about 200,000; and four light chains, with molecular weights of about 20,000 each. The two heavy chains wrap spirally around each other to form a double helix, which is called the tail of the myosin mol- ecule. One end of each of these chains is folded bilaterally into a globular polypeptide structure called a myosin head. Thus, there are two free heads at one end of the double- helix myosin molecule. The four light chains are also part of the myosin head, two to each head. These light chains help control the function of the head during muscle contraction.

مولکول میوزین (نگاه کنید به شکل ۶-6A) از شش زنجیره پلی پپتیدی – دو زنجیره سنگین، هر یک با وزن مولکولی حدود ۲۰۰۰۰۰ تشکیل شده است. و چهار زنجیره سبک با وزن مولکولی حدود ۲۰۰۰۰ هر کدام. دو زنجیر سنگین به صورت مارپیچی به دور یکدیگر پیچیده شده و یک مارپیچ مضاعف را تشکیل می‌دهند که به آن دم مولکول میوزین می‌گویند. یک انتهای هر یک از این زنجیره‌ها به صورت دو طرفه به یک ساختار پلی پپتیدی کروی به نام سر میوزین تا می‌شود. بنابراین، دو سر آزاد در یک انتهای مولکول میوزین دو مارپیچ وجود دارد. چهار زنجیره سبک نیز بخشی از سر میوزین هستند، دو تا در هر سر. این زنجیرهای سبک به کنترل عملکرد سر در هنگام انقباض عضلانی کمک می‌کند.

The myosin filament is made up of 200 or more individ- ual myosin molecules. The central portion of one of these filaments is shown in Figure 6-6B, displaying the tails of the myosin molecules bundled together to form the body of the filament, while many heads of the molecules hang outward to the sides of the body. Also, part of the body of each myosin molecule hangs to the side along with the head, thus providing an arm that extends the head out- ward from the body, as shown in the figure. The protrud- ing arms and heads together are called cross-bridges. Each cross-bridge is flexible at two points called hinges-one where the arm leaves the body of the myosin filament and the other where the head attaches to the arm. The hinged arms allow the heads either to be extended far outward from the body of the myosin filament or brought close to the body. The hinged heads, in turn, participate in the con- traction process, as discussed in the following sections.

رشته میوزین از ۲۰۰ یا بیشتر مولکول منفرد میوزین تشکیل شده است. بخش مرکزی یکی از این رشته‌ها در شکل ۶-6B نشان داده شده است، که دم مولکول‌های میوزین را نشان می‌دهد که با هم ترکیب شده اند تا بدنه رشته را تشکیل دهند، در حالی که بسیاری از سرهای مولکول‌ها به سمت بیرون به طرفین بدن آویزان هستند. همچنین، بخشی از بدن هر مولکول میوزین به همراه سر به پهلو آویزان است، بنابراین بازویی را فراهم می‌کند که سر را به سمت بیرون از بدن، همانطور که در شکل نشان داده شده است، ایجاد می‌کند. بازوها و سرهای بیرون زده در کنار هم پل متقاطع نامیده می‌شوند. هر پل متقاطع در دو نقطه به نام لولا انعطاف پذیر است – یکی جایی که بازو از بدن رشته میوزین خارج می‌شود و دیگری جایی که سر به بازو متصل می‌شود. بازوهای لولایی به سرها این امکان را می‌دهند که یا به سمت بیرون از بدنه رشته میوزین کشیده شوند یا به بدن نزدیک شوند. سرهای لولایی به نوبه خود در فرآیند انقباض شرکت می‌کنند، همانطور که در بخش‌های بعدی بحث شد.

The total length of each myosin filament is uniform, almost exactly 1.6 micrometers. Note, however, that there are no cross-bridge heads in the center of the myosin fila- ment for a distance of about 0.2 micrometer because the hinged arms extend away from the center.

طول کل هر رشته میوزین یکنواخت است، تقریباً دقیقاً ۱.۶ میکرومتر. البته توجه داشته باشید که هیچ سر پل متقاطع در مرکز رشته میوزین برای فاصله حدود ۰.۲ میکرومتر وجود ندارد زیرا بازوهای لولایی از مرکز دور می‌شوند.

Now, to complete the picture, the myosin filament is twisted so that each successive pair of cross-bridges is axi- ally displaced from the previous pair by 120 degrees. This twisting ensures that the cross-bridges extend in all direc- tions around the filament.

اکنون، برای تکمیل تصویر، رشته میوزین پیچ خورده است به طوری که هر جفت پل متقابل متوالی به صورت محوری ۱۲۰ درجه از جفت قبلی جابه جا می‌شود. این چرخش باعث می‌شود که پل‌های متقاطع در تمام جهات اطراف رشته گسترش پیدا کنند.

Figure 6-6
A, Myosin molecule. B, Combination of many myosin molecules to form a myosin filament. Also shown are thousands of myosin cross-bridges and interaction between the heads of the cross- bridges with adjacent actin filaments.

شکل ۶-۶
الف، مولکول میوزین. ب، ترکیب بسیاری از مولکول‌های میوزین برای تشکیل یک رشته میوزین. همچنین هزاران پل متقاطع میوزین و تعامل بین سر پل‌های متقاطع با رشته‌های اکتین مجاور نشان داده شده است.

Adenosine Triphosphatase Activity of the Myosin Head. Another feature of the myosin head that is es- sential for muscle contraction is that it functions as an adenosine triphosphatase (ATPase) enzyme. As explained later, this property allows the head to cleave ATP and use the energy derived from the ATP’s high-energy phosphate bond to energize the contraction process.

فعالیت آدنوزین تری فسفاتاز سر میوزین. یکی دیگر از ویژگی‌های سر میوزین که برای انقباض عضلانی ضروری است این است که به عنوان آنزیم آدنوزین تری فسفاتاز (ATPase) عمل می‌کند. همانطور که بعدا توضیح داده شد، این ویژگی به سر اجازه می‌دهد تا ATP را جدا کند و از انرژی حاصل از پیوند فسفات پرانرژی ATP برای انرژی بخشیدن به فرآیند انقباض استفاده کند.

Actin Filaments Are Composed of Actin, Tropomyosin, and Troponin. The backbone of the actin filament is a double-stranded F-actin protein molecule, represented by the two lighter-colored strands in Figure 6-7. The two strands are wound in a helix in the same manner as the myosin molecule.

رشته‌های اکتین از اکتین، تروپومیوزین و تروپونین تشکیل شده اند. ستون فقرات رشته اکتین یک مولکول پروتئین F-اکتین دو رشته ای است که با دو رشته با رنگ روشن تر در شکل ۶-۷ نشان داده شده است. این دو رشته مانند مولکول میوزین در یک مارپیچ پیچیده می‌شوند.

Each strand of the double F-actin helix is composed of polymerized G-actin molecules, each having a molecu- lar weight of about 42,000. Attached to each one of the G-actin molecules is one molecule of ADP. These ADP molecules are believed to be the active sites on the actin filaments with which the cross-bridges of the myosin fila- ments interact to cause muscle contraction. The active sites on the two F-actin strands of the double helix are staggered, giving one active site on the overall actin fila- ment about every 2.7 nanometers.

هر رشته از مارپیچ دوگانه F-اکتین از مولکول‌های G-اکتین پلیمریزه شده تشکیل شده است که وزن مولکولی هر کدام حدود ۴۲۰۰۰ است. به هر یک از مولکول‌های G-actin یک مولکول ADP متصل است. اعتقاد بر این است که این مولکول‌های ADP مکان‌های فعالی بر روی رشته‌های اکتین هستند که پل‌های متقاطع رشته‌های میوزین با آن‌ها برای ایجاد انقباض عضلانی در تعامل هستند. مکان‌های فعال روی دو رشته F-اکتین مارپیچ دوتایی به‌هم‌پیوسته هستند، و تقریباً در هر ۲.۷ نانومتر، یک مکان فعال در رشته اکتین کلی ایجاد می‌شود.

Each actin filament is about 1 micrometer long. The bases of the actin filaments are inserted strongly into the Z disks; the ends of the filaments protrude in both direc- tions to lie in the spaces between the myosin molecules, as shown in Figure 6-5.

هر رشته اکتین حدود ۱ میکرومتر طول دارد. پایه‌های رشته‌های اکتین به شدت در دیسک‌های Z قرار می‌گیرند. همانطور که در شکل ۶-۵ نشان داده شده است، انتهای رشته‌ها در هر دو جهت بیرون زده تا در فضاهای بین مولکول‌های میوزین قرار بگیرند.

Figure 6-7
Actin filament composed of two helical strands of F-actin molecules and two strands of tropomyosin molecules that fit in the grooves between the actin strands. Attached to one end of each tro- pomyosin molecule is a troponin complex that initiates contraction.

شکل ۶-۷
رشته اکتین متشکل از دو رشته مارپیچ مولکول‌های F-اکتین و دو رشته مولکول تروپومیوزین است که در شیارهای بین رشته‌های اکتین قرار می‌گیرند. به یک انتهای هر مولکول تروپومیوزین یک کمپلکس تروپونین متصل است که انقباض را آغاز می‌کند.

Tropomyosin Molecules. The actin filament also con- tains another protein, tropomyosin. Each molecule of tro- pomyosin has a molecular weight of 70,000 and a length of 40 nanometers. These molecules are wrapped spirally around the sides of the F-actin helix. In the resting state, the tropomyosin molecules lie on top of the active sites of the actin strands so that attraction cannot occur between the actin and myosin filaments to cause contraction. Con- traction occurs only when an appropriate signal causes a conformation change in tropomyosin that “uncovers” ac- tive sites on the actin molecule and initiates contraction, as explained later.

مولکول‌های تروپومیوزین.  رشته اکتین همچنین حاوی پروتئین دیگری به نام تروپومیوزین است. هر مولکول تروپومیوزین دارای وزن مولکولی ۷۰۰۰۰ و طول ۴۰ نانومتر است. این مولکول‌ها به صورت مارپیچی در اطراف مارپیچ F-actin پیچیده شده اند. در حالت استراحت، مولکول‌های تروپومیوزین در بالای محل‌های فعال رشته‌های اکتین قرار می‌گیرند، به طوری که جاذبه بین رشته‌های اکتین و میوزین ایجاد نمی‌شود و باعث انقباض می‌شود. انقباض تنها زمانی اتفاق می‌افتد که یک سیگنال مناسب باعث تغییر ترکیب در تروپومیوزین شود که مکان‌های فعال مولکول اکتین را “کشف” کند و انقباض را آغاز کند، همانطور که بعدا توضیح داده شد.

Troponin and Its Role in Muscle Contraction. Attached intermittently along the sides of the tropomyosin mol- ecules are additional protein molecules called troponin. These protein molecules are actually complexes of three loosely bound protein subunits, each of which plays a specific role in controlling muscle contraction. One of the subunits (troponin I) has a strong affinity for actin, an- other (troponin T) for tropomyosin, and a third (troponin C) for calcium ions. This complex is believed to attach the tropomyosin to the actin. The strong affinity of the tro- ponin for calcium ions is believed to initiate the contrac- tion process, as explained in the next section.

تروپونین و نقش آن در انقباض عضلانی. مولکول‌های پروتئینی اضافی به نام تروپونین به طور متناوب در امتداد طرفین مولکول‌های تروپومیوزین متصل می‌شوند. این مولکول‌های پروتئینی در واقع کمپلکس‌هایی از سه زیرواحد پروتئینی هستند که به صورت آزاد متصل شده اند، که هر کدام نقش خاصی در کنترل انقباض عضلانی ایفا می‌کنند. یکی از زیرواحدها (تروپونین I) تمایل زیادی به اکتین، دیگری (تروپونین T) برای تروپومیوزین و سومی‌(تروپونین C) برای یون‌های کلسیم دارد. اعتقاد بر این است که این کمپلکس تروپومیوزین را به اکتین متصل می‌کند. همانطور که در بخش بعدی توضیح داده شد، اعتقاد بر این است که میل ترکیبی قوی تروپونین برای یون‌های کلسیم باعث شروع فرآیند انقباض می‌شود.

Interaction of One Myosin Filament, Two Actin Filaments, and Calcium lons to Cause Contraction

اثر متقابل یک رشته میوزین، دو رشته اکتین و کلسیم لون برای ایجاد انقباض

Inhibition of the Actin Filament by the Troponin- Tropomyosin Complex. A pure actin filament without the presence of the troponin-tropomyosin complex (but in the presence of magnesium ions and ATP) binds in- stantly and strongly with the heads of the myosin mol- ecules. Then, if the troponin-tropomyosin complex is added to the actin filament, the binding between myosin and actin does not take place. Therefore, it is believed that the active sites on the normal actin filament of the relaxed muscle are inhibited or physically covered by the troponin-tropomyosin complex. Consequently, the sites cannot attach to the heads of the myosin filaments to cause contraction. Before contraction can take place, the inhibitory effect of the troponin-tropomyosin complex must itself be inhibited.

مهار رشته اکتین توسط کمپلکس تروپونین-تروپومیوزین. یک رشته اکتین خالص بدون حضور کمپلکس تروپونین-تروپومیوزین (اما در حضور یون‌های منیزیم و ATP) فورا و به شدت با سر مولکول‌های میوزین متصل می‌شود. سپس، اگر کمپلکس تروپونین-تروپومیوزین به رشته اکتین اضافه شود، اتصال بین میوزین و اکتین صورت نمی‌گیرد. بنابراین، اعتقاد بر این است که مکان‌های فعال روی رشته اکتین طبیعی عضله شل شده توسط کمپلکس تروپونین-تروپومیوزین مهار شده یا از نظر فیزیکی پوشیده شده‌اند. در نتیجه، محل‌ها نمی‌توانند به سر رشته‌های میوزین بچسبند تا باعث انقباض شوند. قبل از اینکه انقباض صورت گیرد، باید اثر مهاری کمپلکس تروپونین-تروپومیوزین را مهار کرد.

Activation of the Actin Filament by Calcium lons. In the presence of large amounts of calcium ions, the inhibitory effect of the troponin-tropomyosin on the actin filaments is itself inhibited. The mechanism of this inhibition is not known, but one suggestion has been presented. When calcium ions combine with troponin C, each molecule of which can bind strongly with up to four calcium ions, the troponin complex then undergoes a conformational change that in some way tugs on the tropomyosin molecule and moves it deeper into the groove between the two actin strands. This action uncovers the active sites of the actin, thus allowing these active sites to attract the myosin cross- bridge heads and allow contraction to proceed. Al- though this mechanism is hypothetical, it emphasizes that the normal relationship between the troponin- tropomyosin complex and actin is altered by calcium ions, producing a new condition that leads to contrac- tion.

فعال سازی رشته اکتین توسط کلسیم لونز. در حضور مقادیر زیادی یون کلسیم، اثر بازدارندگی تروپونین-تروپومیوزین بر روی رشته‌های اکتین به خودی خود مهار می‌شود. مکانیسم این مهار مشخص نیست، اما یک پیشنهاد ارائه شده است. هنگامی‌که یون‌های کلسیم با تروپونین C ترکیب می‌شوند، هر مولکول آن می‌تواند به شدت با حداکثر چهار یون کلسیم متصل شود، کمپلکس تروپونین دچار یک تغییر ساختاری می‌شود که به نوعی مولکول تروپومیوزین را می‌کشد و آن را به عمق شیار بین دو رشته اکتین می‌برد. این عمل مکان‌های فعال اکتین را آشکار می‌کند، بنابراین به این مکان‌های فعال اجازه می‌دهد تا سر پل‌های متقاطع میوزین را جذب کرده و اجازه ادامه انقباض را بدهد. اگرچه این مکانیسم فرضی است، اما تاکید می‌کند که رابطه طبیعی بین کمپلکس تروپونین-تروپومیوزین و اکتین توسط یون‌های کلسیم تغییر می‌کند و شرایط جدیدی ایجاد می‌کند که منجر به انقباض می‌شود.

Interaction of the Activated Actin Filament and the Myosin Cross-Bridges The Walk-Along Theory of Contraction. As soon as the actin filament is activated by the calcium ions, the heads of the cross-bridges from the myosin filaments become attracted to the active sites of the actin filament and initiate contraction. Although the precise manner in which this interaction between the cross-bridges and the actin causes contraction is still partly theoretical, one hypothesis for which considerable evidence exists is the walk-along (or ratchet) theory of contraction.

برهمکنش رشته اکتین فعال و پل‌های متقاطع میوزین نظریه انقباض پیاده روی. به محض اینکه رشته اکتین توسط یون‌های کلسیم فعال می‌شود، سر پل‌های متقاطع از رشته‌های میوزین به سمت مکان‌های فعال رشته اکتین جذب شده و انقباض را آغاز می‌کند. اگرچه روش دقیقی که در آن این تعامل بین پل‌های متقاطع و اکتین باعث انقباض می‌شود هنوز تا حدی تئوری است، یک فرضیه که شواهد قابل توجهی برای آن وجود دارد، نظریه انقباض راه رفتن (یا ضامن دار) است.

Figure 6-8 demonstrates this postulated walk-along mechanism for contraction. The figure shows the heads of two cross-bridges attaching to and disengaging from active sites of an actin filament. When a head attaches to an active site, this attachment simultaneously causes profound changes in the intramolecular forces between the head and arm of its cross-bridge. The new align- ment of forces causes the head to tilt toward the arm and to drag the actin filament along with it. This tilt of the head is called the power stroke. Immediately after tilting, the head then automatically breaks away from the active site. Next, the head returns to its extended direction. In this position, it combines with a new active site farther down along the actin filament; the head then tilts again to cause a new power stroke, and the actin filament moves another step. Thus, the heads of the cross-bridges bend back and forth and, step by step, walk along the actin filament, pulling the ends of two successive actin filaments toward the center of the myosin filament.

شکل ۶-۸ این مکانیسم فرضی راه رفتن را برای انقباض نشان می‌دهد. شکل سر دو پل متقاطع را نشان می‌دهد که به مکان‌های فعال یک رشته اکتین متصل شده و از آن جدا می‌شوند. هنگامی‌که یک سر به یک محل فعال متصل می‌شود، این اتصال به طور همزمان باعث تغییرات عمیقی در نیروهای درون مولکولی بین سر و بازوی پل متقاطع آن می‌شود. تراز جدید نیروها باعث می‌شود سر به سمت بازو متمایل شود و رشته اکتین را به همراه خود بکشد. به این کج شدن سر، ضربه قدرتی می‌گویند. بلافاصله پس از کج کردن، سر به طور خودکار از سایت فعال جدا می‌شود. بعد، سر به جهت گسترش یافته خود باز می‌گردد. در این موقعیت، آن را با یک سایت فعال جدید دورتر در امتداد رشته اکتین ترکیب می‌شود. سپس سر مجدداً کج می‌شود تا یک سکته برقی جدید ایجاد کند و رشته اکتین یک مرحله دیگر حرکت می‌کند. بنابراین، سر پل‌های متقاطع به جلو و عقب خم می‌شوند و قدم به قدم در امتداد رشته اکتین راه می‌روند و انتهای دو رشته متوالی اکتین را به سمت مرکز رشته میوزین می‌کشند.

Each of the cross-bridges is believed to operate inde- pendently of all the others, with each attaching and pulling in a continuous repeated cycle. Therefore, the greater the number of cross-bridges in contact with the actin filament at any given time, the greater the force of contraction.

اعتقاد بر این است که هر یک از پل‌های متقاطع مستقل از پل‌های دیگر عمل می‌کنند و هر کدام در یک چرخه مکرر پیوسته وصل شده و کشیده می‌شوند. بنابراین، هر چه تعداد پل‌های متقاطع در تماس با رشته اکتین در هر زمان معین بیشتر باشد، نیروی انقباض بیشتر می‌شود.

Figure 6-8 The walk-along mechanism for contraction of the muscle.

شکل ۶-۸ مکانیسم پیاده روی برای انقباض عضله.

ATP Is the Energy Source for Contraction-Chemical Events in the Motion of the Myosin Heads. When a muscle contracts, work is performed, and energy is re- quired. Large amounts of ATP are cleaved to form ADP during the contraction process, and the more work per- formed by the muscle, the more ATP that is cleaved; this phenomenon is called the Fenn effect. The following se- quence of events is believed to be the means whereby this effect occurs:

ATP منبع انرژی برای رویدادهای انقباضی-شیمیایی در حرکت سرهای میوزین است. هنگامی‌که یک عضله منقبض می‌شود، کار انجام می‌شود و انرژی مورد نیاز است. مقادیر زیادی از ATP برای تشکیل ADP در طول فرآیند انقباض جدا می‌شود و هر چه کار بیشتری توسط عضله انجام شود، ATP بیشتری شکافته می‌شود. این پدیده اثر فن نامیده می‌شود. اعتقاد بر این است که توالی رویدادهای زیر وسیله ای است که از طریق آن این تأثیر رخ می‌دهد:

۱. Before contraction begins, the heads of the cross- bridges bind with ATP. The ATPase activity of the myosin head immediately cleaves the ATP but leaves the cleavage products, ADP plus phosphate ion, bound to the head. In this state, the conforma- tion of the head is such that it extends perpendic- ularly toward the actin filament but is not yet at- tached to the actin.
2. When the troponin-tropomyosin complex binds with calcium ions, active sites on the actin filament are uncovered, and the myosin heads then bind with these sites, as shown in Figure 6-8.
3. The bond between the head of the cross-bridge and the active site of the actin filament causes a confor- mational change in the head, prompting the head to tilt toward the arm of the cross-bridge and provid- ing the power stroke for pulling the actin filament. The energy that activates the power stroke is the energy already stored, like a cocked spring, by the conformational change that occurred in the head when the ATP molecule was cleaved earlier.
4. Once the head of the cross-bridge tilts, release of the ADP and phosphate ion that were previously attached to the head is allowed. At the site of re- lease of the ADP, a new molecule of ATP binds. This binding of new ATP causes detachment of the head from the actin.
5. After the head has detached from the actin, the new molecule of ATP is cleaved to begin the next cycle, leading to a new power stroke. That is, the energy again cocks the head back to its perpen- dicular condition, ready to begin the new power stroke cycle.
6. When the cocked head (with its stored energy de- rived from the cleaved ATP) binds with a new active site on the actin filament, it becomes uncocked and once again provides a new power stroke.

۱. قبل از شروع انقباض، سر پل‌های متقاطع با ATP متصل می‌شود. فعالیت ATPase سر میوزین بلافاصله ATP را می‌شکافد اما محصولات برش، ADP به اضافه یون فسفات را به سر متصل می‌کند. در این حالت، ساختار سر به گونه ای است که به طور عمودی به سمت رشته اکتین گسترش می‌یابد اما هنوز به اکتین متصل نشده است.
2. هنگامی‌که کمپلکس تروپونین-تروپومیوزین با یون‌های کلسیم متصل می‌شود، مکان‌های فعال روی رشته اکتین آشکار می‌شود و سرهای میوزین سپس با این مکان‌ها متصل می‌شوند، همانطور که در شکل ۶-۸ نشان داده شده است.
3. پیوند بین سر پل متقاطع و محل فعال رشته اکتین باعث یک تغییر ساختاری در سر می‌شود، که باعث می‌شود سر به سمت بازوی پل متقاطع متمایل شود و نیروی حرکتی را برای کشیدن رشته اکتین فراهم می‌کند. انرژی که سکته نیرو را فعال می‌کند، انرژی است که قبلاً ذخیره شده است، مانند یک فنر خمیده، توسط تغییر ساختاری که در سر رخ داد، زمانی که مولکول ATP زودتر شکافته شد.
4. هنگامی‌که سر پل متقاطع کج می‌شود، آزادسازی ADP و یون فسفات که قبلاً به سر متصل شده بودند مجاز است. در محل انتشار ADP، یک مولکول جدید ATP متصل می‌شود. این اتصال ATP جدید باعث جدا شدن سر از اکتین می‌شود.
5. پس از جدا شدن سر از اکتین، مولکول جدید ATP برای شروع چرخه بعدی شکافته می‌شود که منجر به یک سکته قدرت جدید می‌شود. یعنی انرژی دوباره سر را به حالت عمود برمی‌گرداند و آماده شروع چرخه ضربه‌ای نیرو است.
6. هنگامی‌که سر خمیده (با انرژی ذخیره شده آن که از ATP شکافته شده به دست می‌آید) به یک محل فعال جدید روی رشته اکتین متصل می‌شود، باز می‌شود و یک بار دیگر یک ضربه قدرت جدید ایجاد می‌کند.

Thus, the process proceeds again and again until the actin filaments pull the Z membrane up against the ends of the myosin filaments or until the load on the muscle becomes too great for further pulling to occur.

بنابراین، این فرآیند بارها و بارها ادامه می‌یابد تا زمانی که رشته‌های اکتین غشای Z را در مقابل انتهای رشته‌های میوزین به سمت بالا بکشند یا تا زمانی که بار روی عضله برای کشیدن بیشتر زیاد شود.

Amount of Actin and Myosin Filament Overlap Determines Tension Developed by the Contracting Muscle

Figure 6-9 shows the effect of sarcomere length and the amount of myosin-actin filament overlap on the active ten- sion developed by a contracting muscle fiber. To the right are different degrees of overlap of the myosin and actin filaments at different sarcomere lengths. At point D on the diagram, the actin filament has pulled all the way out to the end of the myosin filament, with no actin-myosin over- lap. At this point, the tension developed by the activated muscle is zero. Then, as the sarcomere shortens, and the actin filament begins to overlap the myosin filament, the tension increases progressively until the sarcomere length decreases to about 2.2 micrometers. At this point, the actin filament has already overlapped all the cross-bridges of the myosin filament but has not yet reached the center of the myosin filament. With further shortening, the sarcomere maintains full tension until point B is reached, at a sar- comere length of about 2 micrometers. At this point, the ends of the two actin filaments begin to overlap each other in addition to overlapping the myosin filaments. As the sarcomere length decreases from 2 micrometers to about 1.65 micrometers at point A, the strength of contraction decreases rapidly. At this point, the two Z disks of the sar- comere abut the ends of the myosin filaments. Then, as contraction proceeds to still shorter sarcomere lengths, the ends of the myosin filaments are crumpled and, as shown in the figure, the strength of contraction approaches zero, but the sarcomere has now contracted to its shortest length.

مقدار همپوشانی رشته اکتین و میوزین تنش ایجاد شده توسط عضله منقبض را تعیین می‌کند.

شکل ۶-۹ اثر طول سارکومر و میزان همپوشانی رشته میوزین-اکتین را بر تنش فعال ایجاد شده توسط فیبر عضلانی منقبض نشان می‌دهد. در سمت راست درجات مختلفی از همپوشانی رشته‌های میوزین و اکتین در طول‌های مختلف سارکومر وجود دارد. در نقطه D روی نمودار، رشته اکتین تا انتهای رشته میوزین به بیرون کشیده شده است، بدون اینکه اکتین-میوزین همپوشانی داشته باشد. در این مرحله، تنش ایجاد شده توسط عضله فعال شده صفر است. سپس، با کوتاه شدن سارکومر، و شروع به همپوشانی رشته اکتین با رشته میوزین، کشش به تدریج افزایش می‌یابد تا زمانی که طول سارکومر به حدود ۲.۲ میکرومتر کاهش یابد. در این مرحله، رشته اکتین قبلاً تمام پل‌های متقاطع رشته میوزین را پوشانده است اما هنوز به مرکز رشته میوزین نرسیده است. با کوتاه شدن بیشتر، سارکومر کشش کامل را تا رسیدن به نقطه B، در طول سارکومر حدود ۲ میکرومتر حفظ می‌کند. در این مرحله، انتهای دو رشته اکتین علاوه بر همپوشانی روی رشته‌های میوزین، شروع به همپوشانی با یکدیگر می‌کنند. با کاهش طول سارکومر از ۲ میکرومتر به حدود ۱.۶۵ میکرومتر در نقطه A، قدرت انقباض به سرعت کاهش می‌یابد. در این نقطه، دو دیسک Z سارمر در انتهای رشته‌های میوزین قرار دارند. سپس، با ادامه انقباض تا طول سارکومرهای هنوز کوتاهتر، انتهای رشته‌های میوزین مچاله می‌شود و همانطور که در شکل نشان داده شده است، قدرت انقباض به صفر نزدیک می‌شود، اما سارکومر اکنون به کوتاه ترین طول خود منقبض شده است.

Figure 6-9
Length-tension diagram for a single fully contracted sar- comere showing the maximum strength of contraction when the sar- comere is 2.0 to 2.2 micrometers in length. At the upper right are the relative positions of the actin and myosin filaments at different sarcomere lengths from point A to point D. (Modified from Gordon AM, Huxley AF, Julian FJ: The length-tension diagram of single verte- brate striated muscle fibers. J Physiol 171:28P, 1964.)

شکل ۶-۹
نمودار کشش طول برای یک سارمر کاملا منقبض شده که حداکثر قدرت انقباض را در زمانی که سارمر ۲.۰ تا ۲.۲ میکرومتر طول دارد را نشان می‌دهد. در سمت راست بالا موقعیت‌های نسبی رشته‌های اکتین و میوزین در طول‌های مختلف سارکومر از نقطه A تا نقطه D وجود دارد.

Effect of Muscle Length on Force of Contraction in the Whole Intact Muscle. The top curve of Figure 6-10 is similar to that in Figure 6-9, but the curve in Figure 6-10 depicts tension of the intact whole muscle rather than of a single muscle fiber. The whole muscle has a large amount of connective tissue in it; in addition, the sarcomeres in different parts of the muscle do not always contract the same amount. Therefore, the curve has somewhat different dimensions from those shown for the individual muscle fiber, but it exhibits the same general form for the slope in the normal range of contrac- tion, as shown in Figure 6-10.

تأثیر طول عضله بر نیروی انقباض در کل عضله دست نخورده. منحنی بالای شکل ۶-۱۰ مشابه شکل ۶-۹ است، اما منحنی شکل ۶-۱۰ کشش کل عضله دست نخورده را به جای یک فیبر عضلانی منفرد نشان می‌دهد. کل عضله دارای مقدار زیادی بافت همبند در آن است. علاوه بر این، سارکومرها در قسمت‌های مختلف عضله همیشه به یک اندازه منقبض نمی‌شوند. بنابراین، منحنی تا حدودی ابعاد متفاوتی با ابعاد نشان داده شده برای فیبر عضلانی دارد، اما همان شکل کلی را برای شیب در محدوده نرمال انقباض نشان می‌دهد، همانطور که در شکل ۶-۱۰ نشان داده شده است.

Note in Figure 6-10 that when the muscle is at its normal resting length, which is at a sarcomere length of about 2 micrometers, it contracts on activation with the approximate maximum force of contraction. However, the increase in tension that occurs during contraction, called active tension, decreases as the muscle is stretched beyond its normal length-that is, to a sarcomere length greater than about 2.2 micrometers. This phenomenon is demonstrated by the decreased length of the arrow in the figure at greater than normal muscle length.

در شکل ۶-۱۰ توجه داشته باشید که وقتی عضله در طول استراحت طبیعی خود قرار دارد که در طول سارکومر حدود ۲ میکرومتر است، در هنگام فعال شدن با حداکثر نیروی تقریبی انقباض منقبض می‌شود. با این حال، افزایش کشش که در طول انقباض رخ می‌دهد، به نام تنش فعال، با کشیده شدن عضله از طول طبیعی خود – یعنی به طول سارکومر بیشتر از حدود ۲.۲ میکرومتر – کاهش می‌یابد. این پدیده با کاهش طول فلش در شکل بیشتر از طول عضله طبیعی نشان داده می‌شود.

Figure 6-10
Relationship of muscle length to tension in the muscle both before and during muscle contraction.

شکل ۶-۱۰
رابطه طول عضله با تنش عضله قبل و حین انقباض عضله.

Relation of Velocity of Contraction to Load

A skeletal muscle contracts rapidly when it contracts against no load to a state of full contraction in about 0.1 second for the average muscle. When loads are applied, the velocity of contraction decreases progressively as the load increases, as shown in Figure 6-11. When the load has been increased to equal the maximum force that the muscle can exert, the velocity of contraction becomes zero, and no contraction results, despite activation of the muscle fiber.

رابطه سرعت انقباض به بار

یک عضله اسکلتی زمانی که بدون بار منقبض می‌شود به سرعت منقبض می‌شود و در حدود ۰.۱ ثانیه برای عضله متوسط ​​​​به حالت انقباض کامل می‌رسد. هنگامی‌که بار اعمال می‌شود، سرعت انقباض به تدریج با افزایش بار کاهش می‌یابد، همانطور که در شکل ۶-۱۱ نشان داده شده است. هنگامی‌که بار به اندازه حداکثر نیرویی که عضله می‌تواند اعمال کند افزایش یابد، سرعت انقباض صفر می‌شود و با وجود فعال شدن فیبر عضلانی، هیچ انقباضی حاصل نمی‌شود.

This decreasing velocity of contraction with load occurs because a load on a contracting muscle is a reverse force that opposes the contractile force caused by muscle con- traction. Therefore, the net force that is available to cause the velocity of shortening is correspondingly reduced.

این کاهش سرعت انقباض همراه با بار به این دلیل اتفاق می‌افتد که بار روی عضله در حال انقباض نیروی معکوس است که با نیروی انقباضی ناشی از انقباض عضله مخالف است. بنابراین، نیروی خالصی که برای ایجاد سرعت کوتاه شدن در دسترس است به ترتیب کاهش می‌یابد.

Figure 6-11
Relationship of load to velocity of contraction in a skel- etal muscle with a cross section of 1 square centimeter and a length of 8 centimeters.

شکل ۶-۱۱
رابطه بار و سرعت انقباض در عضله اسکلتی با مقطع ۱ سانتی متر مربع و طول ۸ سانتی متر.

ENERGETICS OF MUSCLE CONTRACTION

انرژی‌های انقباض عضلانی

Work Output During Muscle Contraction

When a muscle contracts against a load, it performs work. To perform work means that energy is transferred from the muscle to the external load to lift an object to a greater height or to overcome resistance to movement.

 بازده کار در طول انقباض عضلانی

هنگامی‌که یک عضله در برابر بار منقبض می‌شود، کار را انجام می‌دهد. انجام کار به این معنی است که انرژی از ماهیچه به بار خارجی برای بلند کردن یک جسم به ارتفاع بیشتر یا غلبه بر مقاومت در برابر حرکت منتقل می‌شود.

In mathematical terms, work is defined by the follow- ing equation: W=LXD

در شرایط ریاضی، کار با معادله زیر تعریف می‌شود: W=LXD

in which W is the work output, L is the load, and D is the distance of movement against the load. The energy required to perform the work is derived from the chemi- cal reactions in the muscle cells during contraction, as described in the following sections.

که در آن W خروجی کار، L بار و D فاصله حرکت در برابر بار است. انرژی مورد نیاز برای انجام کار از واکنش‌های شیمیایی سلول‌های عضلانی در طول انقباض به دست می‌آید که در بخش‌های زیر توضیح داده شده است.

Three Sources of Energy for Muscle Contraction

Most of the energy required for muscle contraction is used to trigger the walk-along mechanism whereby the cross-bridges pull the actin filaments, but small amounts are required for the following: (1) pumping calcium ions from the sarcoplasm into the sarcoplasmic reticulum after the contraction is over; and (2) pumping sodium and potassium ions through the muscle fiber membrane to maintain an appropriate ionic environment for the propa- gation of muscle fiber action potentials.

سه منبع انرژی برای انقباض عضلانی

بیشتر انرژی مورد نیاز برای انقباض عضلانی برای ایجاد مکانیسم راه رفتن استفاده می‌شود که در آن پل‌های متقاطع رشته‌های اکتین را می‌کشند، اما مقادیر کمی‌برای موارد زیر مورد نیاز است: (۱) پمپاژ یون‌های کلسیم از سارکوپلاسم به شبکه سارکوپلاسمی‌پس از پایان انقباض. و (۲) پمپاژ یون‌های سدیم و پتاسیم از طریق غشای فیبر عضلانی برای حفظ یک محیط یونی مناسب برای انتشار پتانسیل‌های عمل فیبر عضلانی.

The concentration of ATP in the muscle fiber, about 4 millimolar, is sufficient to maintain full contraction for only 1 to 2 seconds at most. The ATP is split to form ADP, which transfers energy from the ATP molecule to the contracting machinery of the muscle fiber. Then, as described in Chapter 2, the ADP is rephosphorylated to form new ATP within another fraction of a second, which allows the muscle to continue its contraction. There are three sources of the energy for this rephosphorylation.

غلظت ATP در فیبر عضلانی، حدود ۴ میلی مولار، برای حفظ انقباض کامل تنها برای حداکثر ۱ تا ۲ ثانیه کافی است. ATP تقسیم می‌شود تا ADP را تشکیل دهد که انرژی را از مولکول ATP به دستگاه انقباض فیبر عضلانی منتقل می‌کند. سپس، همانطور که در فصل ۲ توضیح داده شد، ADP مجددا فسفریله می‌شود تا در کسری دیگر از ثانیه ATP جدید تشکیل دهد که به ماهیچه اجازه می‌دهد تا به انقباض خود ادامه دهد. سه منبع انرژی برای این فسفوریلاسیون وجود دارد.

The first source of energy that is used to reconstitute the ATP is the substance phosphocreatine, which carries a high-energy phosphate bond similar to the bonds of ATP. The high-energy phosphate bond of phosphocreatine has a slightly higher amount of free energy than that of each ATP bond, as discussed in more detail in Chapters 68 and 73. Therefore, phosphocreatine is instantly cleaved, and its released energy causes bonding of a new phosphate ion to ADP to reconstitute the ATP. However, the total amount of phosphocreatine in the muscle fiber is also small, only about 5 times as great as the ATP. Therefore, the com- bined energy of both the stored ATP and the phosphocre- atine in the muscle is capable of causing maximal muscle contraction for only 5 to 8 seconds.

اولین منبع انرژی که برای بازسازی ATP استفاده می‌شود، ماده فسفوکراتین است که حامل یک پیوند فسفات پرانرژی مشابه پیوندهای ATP است. پیوند فسفات پرانرژی فسفوکراتین مقدار انرژی آزاد کمی‌بالاتر از هر پیوند ATP دارد، همانطور که در فصل‌های ۶۸ و ۷۳ با جزئیات بیشتر بحث شده است. بنابراین، فسفوکراتین فوراً شکافته می‌شود و انرژی آزاد شده آن باعث پیوند یک یون فسفات جدید به ADP به ADP می‌شود. با این حال، مقدار کل فسفوکراتین در فیبر عضلانی نیز کم است، فقط حدود ۵ برابر بیشتر از ATP. بنابراین، انرژی ترکیبی ATP ذخیره شده و فسفوکراتین در عضله قادر است حداکثر انقباض عضلانی را تنها برای ۵ تا ۸ ثانیه ایجاد کند.

The second important source of energy, which is used to reconstitute both ATP and phosphocreatine, is a process called glycolysis-the breakdown of glycogen previously stored in the muscle cells. Rapid enzymatic breakdown of the glycogen to pyruvic acid and lactic acid liberates energy that is used to convert ADP to ATP; the ATP can then be used directly to energize additional muscle contraction and also to re-form the stores of phosphocreatine.

دومین منبع مهم انرژی که برای بازسازی هر دو ATP و فسفوکراتین استفاده می‌شود، فرآیندی به نام گلیکولیز است – تجزیه گلیکوژنی که قبلاً در سلول‌های عضلانی ذخیره شده است. تجزیه آنزیمی‌سریع گلیکوژن به اسید پیروویک و اسید لاکتیک انرژی را آزاد می‌کند که برای تبدیل ADP به ATP استفاده می‌شود. سپس می‌توان از ATP به طور مستقیم برای انرژی دادن به انقباض عضلانی اضافی و همچنین برای تشکیل مجدد ذخایر فسفوکراتین استفاده کرد.

The importance of this glycolysis mechanism is twofold. First, glycolytic reactions can occur even in the absence of oxygen, so muscle contraction can be sustained for many seconds and sometimes up to more than 1 minute, even when oxygen delivery from the blood is not available. Sec- ond, the rate of ATP formation by glycolysis is about 2.5 times as rapid as ATP formation in response to cellular foodstuffs reacting with oxygen. However, so many end products of glycolysis accumulate in the muscle cells that glycolysis also loses its capability to sustain maximum muscle contraction after about 1 minute.

اهمیت این مکانیسم گلیکولیز دوچندان است. اول، واکنش‌های گلیکولیتیک می‌توانند حتی در غیاب اکسیژن نیز رخ دهند، بنابراین انقباض عضلانی می‌تواند برای چندین ثانیه و گاهی تا بیش از ۱ دقیقه ادامه یابد، حتی زمانی که اکسیژن رسانی از خون در دسترس نباشد. ثانیا، سرعت تشکیل ATP توسط گلیکولیز حدود ۲.۵ برابر سریعتر از تشکیل ATP در پاسخ به مواد غذایی سلولی است که با اکسیژن واکنش می‌دهند. با این حال، بسیاری از محصولات نهایی گلیکولیز در سلول‌های عضلانی انباشته می‌شوند که گلیکولیز نیز توانایی خود را برای حفظ حداکثر انقباض عضلانی پس از حدود ۱ دقیقه از دست می‌دهد.

The third and final source of energy is oxidative metab- olism, which means combining oxygen with the end prod- ucts of glycolysis and with various other cellular foodstuffs to liberate ATP. More than 95% of all energy used by the muscles for sustained long-term contraction is derived from oxidative metabolism. The foodstuffs that are con- sumed are carbohydrates, fats, and protein. For extremely long-term maximal muscle activity-over a period of many hours-the greatest proportion of energy comes from fats but, for periods of 2 to 4 hours, as much as one half of the energy can come from stored carbohydrates.

سومین و آخرین منبع انرژی متابولیسم اکسیداتیو است که به معنای ترکیب اکسیژن با محصولات نهایی گلیکولیز و سایر مواد غذایی سلولی دیگر برای آزادسازی ATP است. بیش از ۹۵ درصد از تمام انرژی مصرف شده توسط عضلات برای انقباض طولانی مدت پایدار از متابولیسم اکسیداتیو ناشی می‌شود. مواد غذایی که مصرف می‌شوند کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها هستند. برای حداکثر فعالیت ماهیچه ای بسیار طولانی مدت – در یک دوره چند ساعته – بیشترین نسبت انرژی از چربی‌ها تامین می‌شود، اما برای دوره‌های ۲ تا ۴ ساعته، نیمی‌از انرژی می‌تواند از کربوهیدرات‌های ذخیره شده تامین شود.

The detailed mechanisms of these energetic processes are discussed in Chapters 68 through 73. In addition, the importance of the different mechanisms of energy release during performance of different sports is discussed in Chapter 85.

مکانیسم‌های دقیق این فرآیندهای انرژی‌زا در فصل‌های ۶۸ تا ۷۳ مورد بحث قرار گرفته‌اند. علاوه بر این، اهمیت مکانیسم‌های مختلف آزادسازی انرژی در حین انجام ورزش‌های مختلف در فصل ۸۵ مورد بحث قرار گرفته است.

Efficiency of Muscle Contraction. The efficiency of an engine or a motor is calculated as the percentage of energy input that is converted into work instead of heat. The per- centage of the input energy to muscle (the chemical energy in nutrients) that can be converted into work, even under the best conditions, is less than 25%, with the remainder becoming heat. The reason for this low efficiency is that about one-half of the energy in foodstuffs is lost during the formation of ATP and, even then, only 40% to 45% of the energy in ATP itself can later be converted into work.

کارایی انقباض عضلانی. راندمان یک موتور یا یک موتور به عنوان درصد انرژی ورودی که به جای گرما به کار تبدیل می‌شود محاسبه می‌شود. درصد انرژی ورودی به عضله (انرژی شیمیایی موجود در مواد مغذی) که می‌تواند حتی در بهترین شرایط به کار تبدیل شود، کمتر از ۲۵ درصد است و باقیمانده تبدیل به گرما می‌شود. دلیل این راندمان پایین این است که حدود نیمی‌از انرژی موجود در مواد غذایی در طول تشکیل ATP از دست می‌رود و حتی در این صورت، تنها ۴۰ تا ۴۵ درصد از انرژی موجود در خود ATP بعداً می‌تواند به کار تبدیل شود.

Maximum efficiency can be realized only when the muscle contracts at a moderate velocity. If the muscle con- tracts slowly or without any movement, small amounts of maintenance heat are released during contraction, even though little or no work is performed, thereby decreasing the conversion efficiency to as little as zero. Conversely, if contraction is too rapid, much of the energy is used to over- come viscous friction within the muscle itself, and this too reduces the efficiency of contraction. Ordinarily, maximum efficiency occurs when the velocity of contraction is about 30% of maximum.

حداکثر کارایی فقط زمانی حاصل می‌شود که عضله با سرعت متوسط ​​منقبض شود. اگر عضله به آهستگی یا بدون هیچ حرکتی منقبض شود، در حین انقباض مقادیر کمی‌از گرمای نگهداری آزاد می‌شود، حتی اگر کار کمی‌انجام شود یا هیچ کاری انجام نشود، در نتیجه راندمان تبدیل به صفر می‌رسد. برعکس، اگر انقباض خیلی سریع باشد، مقدار زیادی از انرژی برای غلبه بر اصطکاک چسبناک درون خود عضله مصرف می‌شود و این نیز کارایی انقباض را کاهش می‌دهد. به طور معمول، حداکثر بازده زمانی رخ می‌دهد که سرعت انقباض حدود ۳۰ درصد حداکثر باشد.

CHARACTERISTICS OF WHOLE MUSCLE CONTRACTION

Many features of muscle contraction can be demonstrated by eliciting single muscle twitches. This can be accom- plished by electrical excitation of the nerve to a muscle or by passing a short electrical stimulus through the muscle itself, giving rise to a single sudden contraction lasting a fraction of a second.

ویژگی‌های انقباض کل عضله

بسیاری از ویژگی‌های انقباض عضلانی را می‌توان با برانگیختن تکانش‌های عضلانی نشان داد. این را می‌توان با تحریک الکتریکی عصب به عضله یا با عبور دادن یک محرک الکتریکی کوتاه از خود عضله انجام داد که منجر به یک انقباض ناگهانی به مدت کسری از ثانیه می‌شود.

Isometric Contractions Do Not Shorten Muscle, Whereas Isotonic Contractions Shorten Muscle at a Constant Tension. Muscle contraction is said to be iso- metric when the muscle does not shorten during contrac- tion and isotonic when it shortens but the tension on the muscle remains constant throughout the contraction. Systems for recording the two types of muscle contrac- tion are shown in Figure 6-12.

انقباضات ایزومتریک عضله را کوتاه نمی‌کند، در حالی که انقباضات ایزوتونیک ماهیچه را در یک کشش ثابت کوتاه می‌کند. زمانی که عضله در طول انقباض کوتاه نمی‌شود انقباض عضلانی ایزومتریک و زمانی که کوتاه می‌شود ایزوتونیک است اما کشش روی عضله در طول انقباض ثابت می‌ماند. سیستم‌های ثبت دو نوع انقباض عضلانی در شکل ۶-۱۲ نشان داده شده است.

In the isometric system, the muscle contracts against a force transducer without decreasing the muscle length, as shown in the bottom panel of Figure 6-12. In the isotonic system, the muscle shortens against a fixed load, which is illustrated in the top panel of the figure, showing a muscle lifting a weight. The char- acteristics of isotonic contraction depend on the load against which the muscle contracts, as well as the iner- tia of the load. However, the isometric system records changes in force of muscle contraction independently of load inertia. Therefore, the isometric system is often used when comparing the functional characteristics of different muscle types.

در سیستم ایزومتریک، همانطور که در پانل پایین شکل ۶-۱۲ نشان داده شده است، عضله در برابر یک مبدل نیرو بدون کاهش طول عضله منقبض می‌شود. در سیستم ایزوتونیک، عضله در برابر یک بار ثابت کوتاه می‌شود، که در پانل بالای شکل نشان داده شده است و عضله را در حال بلند کردن وزنه نشان می‌دهد. ویژگی‌های انقباض ایزوتونیک به باری که عضله در برابر آن منقبض می‌شود و همچنین اینرسی بار بستگی دارد. با این حال، سیستم ایزومتریک تغییرات در نیروی انقباض عضلانی را مستقل از اینرسی بار ثبت می‌کند. بنابراین، سیستم ایزومتریک اغلب هنگام مقایسه ویژگی‌های عملکردی انواع مختلف عضلات استفاده می‌شود.

Figure 6-12
Isotonic and isometric systems for recording muscle con- tractions. Isotonic contraction occurs when the force of the muscle con- traction is greater than the load, and the tension on the muscle remains constant during the contraction. When the muscle contracts, it shortens and moves the load. Isometric contraction occurs when the load is great- er than the force of the muscle contraction; the muscle creates tension when it contracts, but the overall length of the muscle does not change.

شکل ۶-۱۲
سیستم‌های ایزوتونیک و ایزومتریک برای ثبت انقباضات عضلانی. انقباض ایزوتونیک زمانی اتفاق می‌افتد که نیروی انقباض عضله بیشتر از بار باشد و کشش روی عضله در طول انقباض ثابت بماند. زمانی که عضله منقبض می‌شود، کوتاه شده و بار را به حرکت در می‌آورد. انقباض ایزومتریک زمانی اتفاق می‌افتد که بار بیشتر از نیروی انقباض عضله باشد. عضله هنگام انقباض تنش ایجاد می‌کند، اما طول کلی عضله تغییر نمی‌کند.

Characteristics of Isometric Twitches Recorded from Different Muscles. The human body has many sizes of skeletal muscles from the small stapedius muscle in the middle ear, measuring only a few millimeters long and 1 millimeter or so in diameter, up to the large quadriceps muscle, a half-million times as large as the stapedius. Fur- thermore, the fibers may be as small as 10 micrometers in diameter or as large as 80 micrometers. Finally, the energetics of muscle contraction vary considerably from one muscle to another. Therefore, it is no wonder that the mechanical characteristics of muscle contraction differ among muscles.

ویژگی‌های انقباضات ایزومتریک ثبت شده از ماهیچه‌های مختلف. بدن انسان دارای اندازه‌های زیادی از ماهیچه‌های اسکلتی از عضله رکابی کوچک در گوش میانی است که اندازه آن تنها چند میلی‌متر طول و ۱ میلی‌متر یا بیشتر قطر دارد، تا عضله بزرگ چهارسر ران، نیم میلیون برابر بزرگ‌تر از عضله استاپدیوس. علاوه بر این، الیاف ممکن است به قطر ۱۰ میکرومتر یا به بزرگی ۸۰ میکرومتر باشند. در نهایت، انرژی انقباض عضلانی به میزان قابل توجهی از ماهیچه ای به عضله دیگر متفاوت است. بنابراین، جای تعجب نیست که ویژگی‌های مکانیکی انقباض عضلانی در بین عضلات متفاوت است.

Figure 6-13 shows records of isometric contractions of three types of skeletal muscle-an ocular muscle, which has a duration of isometric contraction of less than 1/50 second; the gastrocnemius muscle, which has a dura- tion of contraction of about 1/15 second; and the soleus muscle, which has a duration of contraction of about 1/5 second. These durations of contraction are highly adapted to the functions of the respective muscles. Ocular move- ments must be extremely rapid to maintain fixation of the eyes on specific objects to provide accuracy of vision. The gastrocnemius muscle must contract moderately rapidly to provide sufficient velocity of limb movement for run- ning and jumping, and the soleus muscle is concerned principally with slow contraction for continual, long-term support of the body against gravity.

شکل ۶-۱۳ سوابق انقباضات ایزومتریک سه نوع عضله اسکلتی-یک عضله چشمی‌را نشان می‌دهد که مدت زمان انقباض ایزومتریک آن کمتر از ۱/۵۰ ثانیه است. عضله گاستروکنمیوس که مدت زمان انقباض آن حدود ۱/۱۵ ثانیه است. و عضله کف پا که مدت زمان انقباض آن حدود ۱/۵ ثانیه است. این مدت زمان انقباض به شدت با عملکرد عضلات مربوطه سازگار است. حرکات چشمی‌باید بسیار سریع باشد تا چشم‌ها روی اشیاء خاص ثابت بماند تا دقت بینایی فراهم شود. عضله گاستروکنمیوس باید با سرعت متوسطی منقبض شود تا سرعت کافی حرکت اندام را برای دویدن و پریدن فراهم کند و عضله کف پا عمدتاً به انقباض آهسته برای حمایت مداوم و طولانی مدت از بدن در برابر گرانش مربوط می‌شود.

Figure 6-13
Duration of isometric contractions for different types of mammalian skeletal muscles showing a latent period between the action potential (depolarization) and muscle contraction.

شکل ۶-۱۳
مدت زمان انقباضات ایزومتریک برای انواع مختلف ماهیچه‌های اسکلتی پستانداران نشان دهنده یک دوره نهفته بین پتانسیل عمل (دپلاریزاسیون) و انقباض عضلانی است.

Fast Versus Slow Muscle Fibers. As will be discussed more fully in Chapter 85 on sports physiology, every mus- cle of the body is composed of a mixture of so-called fast and slow muscle fibers, with still other fibers gradated between these two extremes. Muscles that react rapidly, including the anterior tibialis, are composed mainly of fast fibers, with only small numbers of the slow variety. Conversely, muscles such as soleus that respond slowly but with prolonged contraction are composed mainly of slow fibers. The differences between these two types of fibers are described in the following sections.

فیبرهای عضلانی سریع در مقابل آهسته. همانطور که در فصل ۸۵ در مورد فیزیولوژی ورزشی به طور کامل مورد بحث قرار خواهد گرفت، هر ماهیچه بدن از مخلوطی از فیبرهای عضلانی به اصطلاح سریع و آهسته تشکیل شده است، با رشته‌های دیگر که بین این دو حالت درجه بندی شده اند. ماهیچه‌هایی که به سرعت واکنش نشان می‌دهند، از جمله تیبیالیس قدامی، عمدتاً از فیبرهای سریع تشکیل شده اند و فقط تعداد کمی‌از انواع آهسته آن وجود دارد. برعکس، ماهیچه‌هایی مانند کف پا که به آرامی‌اما با انقباض طولانی مدت پاسخ می‌دهند، عمدتاً از فیبرهای کند تشکیل شده اند. تفاوت بین این دو نوع الیاف در قسمت‌های زیر توضیح داده شده است.

Slow Fibers (Type 1, Red Muscle). The following are characteristics of slow fibers:
1. Slow fibers are smaller than fast fibers.
2. Slow fibers are also innervated by smaller nerve fibers.
3. Slow fibers have a more extensive blood vessel sys- tem and more capillaries to supply extra amounts of oxygen compared with fast fibers,
4. Slow fibers have greatly increased numbers of mi- tochondria to support high levels of oxidative me- tabolism.
5. Slow fibers contain large amounts of myoglobin, an iron-containing protein similar to hemoglobin in red blood cells. Myoglobin combines with oxygen and stores it until needed, which also greatly speeds oxygen transport to the mitochondria. The myoglo- bin gives the slow muscle a reddish appearance- hence, the name red muscle.

فیبرهای آهسته (نوع ۱، ماهیچه قرمز). ویژگی‌های الیاف کند به شرح زیر است:
1. الیاف آهسته کوچکتر از الیاف سریع هستند.
2. فیبرهای کند نیز توسط رشته‌های عصبی کوچکتر عصب دهی می‌شوند.
3. فیبرهای آهسته دارای سیستم عروق خونی گسترده‌تر و مویرگ‌های بیشتری برای تأمین اکسیژن اضافی در مقایسه با الیاف سریع هستند.
4. فیبرهای آهسته تعداد میتوکندری‌ها را به میزان زیادی افزایش داده اند تا سطوح بالایی از متابولیسم اکسیداتیو را پشتیبانی کنند.
5. فیبرهای آهسته حاوی مقادیر زیادی میوگلوبین هستند، پروتئینی حاوی آهن شبیه هموگلوبین در گلبول‌های قرمز. میوگلوبین با اکسیژن ترکیب می‌شود و آن را تا زمانی که مورد نیاز است ذخیره می‌کند، که همچنین انتقال اکسیژن به میتوکندری را تا حد زیادی سرعت می‌بخشد. میوگلوبین به عضله کند ظاهری قرمز رنگ می‌دهد – از این رو، عضله قرمز نامیده می‌شود.

Fast Fibers (Type II, White Muscle). The following are characteristics of fast fibers:
1. Fast fibers are large for great strength of contrac- tion.
2. Fast fibers have an extensive sarcoplasmic reticu- lum for rapid release of calcium ions to initiate con- traction.
3. Large amounts of glycolytic enzymes are present in fast fibers for rapid release of energy by the glyco- lytic process.
4. Fast fibers have a less extensive blood supply than slow fibers because oxidative metabolism is of sec- ondary importance.
5. Fast fibers have fewer mitochondria than slow fib- ers, also because oxidative metabolism is secondary. A deficit of red myoglobin in fast muscle gives it the name white muscle.

فیبرهای سریع (نوع II، ماهیچه سفید). ویژگی‌های الیاف سریع به شرح زیر است:
1. الیاف سریع برای قدرت انقباض زیاد بزرگ هستند.
2. الیاف سریع دارای یک شبکه سارکوپلاسمی‌گسترده برای آزادسازی سریع یون‌های کلسیم برای شروع انقباض هستند.
3. مقادیر زیادی آنزیم گلیکولیتیک در فیبرهای سریع برای آزادسازی سریع انرژی توسط فرآیند گلیکولیتیک وجود دارد.
4. فیبرهای سریع نسبت به فیبرهای آهسته خون رسانی کمتری دارند زیرا متابولیسم اکسیداتیو اهمیت ثانویه ای دارد.
5. فیبرهای سریع میتوکندری کمتری نسبت به فیبرهای کند دارند، همچنین به این دلیل که متابولیسم اکسیداتیو ثانویه است. کمبود میوگلوبین قرمز در عضله سریع نام عضله سفید را به آن داده است.

MECHANICS OF SKELETAL MUSCLE CONTRACTION

مکانیک انقباض ماهیچه‌های اسکلتی

 

Motor Unit-All the Muscle Fibers Innervated by a Single Nerve Fiber. Each motoneuron that leaves the spinal cord innervates multiple muscle fibers, with the number of fibers innervated depending on the type of muscle. All the muscle fibers innervated by a single nerve fiber are called a motor unit (Figure 6-14). In general, small muscles that react rapidly and whose control must be exact have more nerve fibers for fewer muscle fibers (e.g., as few as two or three muscle fibers per motor unit in some of the laryngeal muscles). Conversely, large mus- cles that do not require fine control, such as the soleus muscle, may have several hundred muscle fibers in a mo- tor unit. An average figure for all the muscles of the body is questionable, but a reasonable guess would be about 80 to 100 muscle fibers to a motor unit.

واحد حرکتی – تمام رشته‌های عضلانی که توسط یک رشته عصبی منفرد عصب دهی می‌شوند. هر نورون حرکتی که نخاع را ترک می‌کند چندین فیبر عضلانی را عصب دهی می‌کند که تعداد فیبرهای عصب دهی شده بسته به نوع عضله است. تمام رشته‌های عضلانی که توسط یک رشته عصبی عصب دهی می‌شوند واحد حرکتی نامیده می‌شوند (شکل ۶-۱۴). به طور کلی، عضلات کوچکی که به سرعت واکنش نشان می‌دهند و کنترل آن‌ها باید دقیق باشد، فیبرهای عصبی بیشتری برای فیبرهای عضلانی کمتری دارند (مثلاً به تعداد دو یا سه فیبر عضلانی در هر واحد حرکتی در برخی از عضلات حنجره). برعکس، عضلات بزرگی که نیازی به کنترل دقیق ندارند، مانند عضله کف پا، ممکن است چندین صد فیبر عضلانی در یک واحد حرکتی داشته باشند. یک عدد متوسط ​​برای تمام عضلات بدن سوال برانگیز است، اما یک حدس معقول می‌تواند حدود ۸۰ تا ۱۰۰ فیبر عضلانی برای یک واحد حرکتی باشد.

The muscle fibers in each motor unit are not all bunched together in the muscle but overlap other motor units in microbundles of 3 to 15 fibers. This interdigitation allows the separate motor units to contract in support of one another rather than entirely as individual segments.

فیبرهای عضلانی در هر واحد حرکتی همگی در عضله به صورت دسته جمعی نیستند، اما در میکروباندل‌هایی از ۳ تا ۱۵ تار با سایر واحدهای حرکتی همپوشانی دارند. این درهم شدن به واحدهای موتور مجزا اجازه می‌دهد تا به جای اینکه به طور کامل به عنوان بخش‌های جداگانه از یکدیگر حمایت کنند، منقبض شوند.

Figure 6-14
A motor unit consists of a motor neuron and the group of skeletal muscle fibers it innervates. A single motor axon may branch to innervate several muscle fibers that function together as a group. Although each muscle fiber is innervated by a single motor neuron, an entire muscle may receive input from hundreds of differ- ent motor neurons.

شکل ۶-۱۴
یک واحد حرکتی از یک نورون حرکتی و گروهی از فیبرهای عضلانی اسکلتی تشکیل شده است که آن را عصب دهی می‌کند. یک آکسون تک حرکتی ممکن است برای عصب دهی چندین فیبر عضلانی که به عنوان یک گروه با هم عمل می‌کنند، منشعب شود. اگرچه هر فیبر عضلانی توسط یک نورون حرکتی عصب دهی می‌شود، کل عضله ممکن است ورودی صدها نورون حرکتی مختلف را دریافت کند.

Muscle Contractions of Different Force-Force Summation. Summation means the adding together of individual twitch contractions to increase the intensity of overall muscle contraction. Summation occurs in two ways: (1) by increasing the number of motor units con- tracting simultaneously, which is called multiple fiber summation; and (2) by increasing the frequency of con- traction, which is called frequency summation and can lead to tetanization.

انقباضات عضلانی مجموع نیرو-نیروهای مختلف. مجموع به معنای جمع کردن انقباضات منفرد انقباض برای افزایش شدت انقباض کلی ماهیچه است. جمع به دو صورت انجام می‌شود: (۱) با افزایش تعداد واحدهای حرکتی که به طور همزمان منقبض می‌شوند، که به آن جمع فیبر چندگانه می‌گویند. و (۲) با افزایش فرکانس انقباض، که جمع فرکانس نامیده می‌شود و می‌تواند منجر به تتانیزاسیون شود.

Multiple Fiber Summation. When the central nerv- ous system sends a weak signal to contract a muscle, the smaller motor units of the muscle may be stimulated in preference to the larger motor units. Then, as the strength of the signal increases, larger and larger motor units begin to be excited, with the largest motor units often having as much as 50 times the contractile force of the smallest units. This phenomenon, called the size principle, is im- portant because it allows the gradations of muscle force during weak contraction to occur in small steps, where- as the steps become progressively greater when large amounts of force are required. This size principle occurs because the smaller motor units are driven by small mo- tor nerve fibers, and the small motoneurons in the spinal cord are more excitable than the larger ones, so naturally they are excited first.

جمع فیبر چندگانه. هنگامی‌که سیستم عصبی مرکزی سیگنال ضعیفی برای انقباض عضله می‌فرستد، واحدهای حرکتی کوچکتر عضله ممکن است به جای واحدهای حرکتی بزرگتر تحریک شوند. سپس، با افزایش قدرت سیگنال، واحدهای موتوری بزرگتر و بزرگتر شروع به تحریک می‌کنند، به طوری که بزرگترین واحدهای موتور اغلب ۵۰ برابر نیروی انقباضی کوچکترین واحدها دارند. این پدیده، که اصل اندازه نامیده می‌شود، مهم است، زیرا به آن اجازه می‌دهد تا درجه‌بندی نیروی عضلانی در حین انقباض ضعیف در مراحل کوچک رخ دهد، در حالی که در صورت نیاز به مقادیر زیاد نیرو، پله‌ها به تدریج بزرگ‌تر می‌شوند. این اصل اندازه به این دلیل اتفاق می‌افتد که واحدهای حرکتی کوچک‌تر توسط رشته‌های عصبی حرکتی کوچک هدایت می‌شوند و نورون‌های حرکتی کوچک در طناب نخاعی نسبت به بزرگ‌ترها تحریک‌پذیرتر هستند، بنابراین به طور طبیعی ابتدا برانگیخته می‌شوند.

Another important feature of multiple fiber summa- tion is that the different motor units are driven asyn- chronously by the spinal cord; as a result, contraction alternates among motor units one after the other, thus providing smooth contraction, even at low frequencies of nerve signals.

یکی دیگر از ویژگی‌های مهم جمع چند فیبر این است که واحدهای حرکتی مختلف به طور ناهمزمان توسط نخاع هدایت می‌شوند. در نتیجه، انقباض در بین واحدهای حرکتی یکی پس از دیگری متناوب می‌شود، بنابراین انقباض صاف، حتی در فرکانس‌های پایین سیگنال‌های عصبی را فراهم می‌کند.

Frequency Summation and Tetanization. Figure 6-15 shows the principles of frequency summation and tetani- zation. Individual twitch contractions occurring one after another at low frequency of stimulation are displayed on the left. Then, as the frequency increases, there comes a point when each new contraction occurs before the pre- ceding one is over. As a result, the second contraction is added partially to the first, and thus the total strength of contraction rises progressively with increasing frequency. When the frequency reaches a critical level, the successive contractions eventually become so rapid that they fuse to- gether, and the whole muscle contraction appears to be Chapter 6 Contraction of Skeletal Muscle completely smooth and continuous, as shown in the fig- ure. This process is called tetanization. At a slightly higher frequency, the strength of contraction reaches its maxi- mum, so any additional increase in frequency beyond that point has no further effect in increasing contractile force. Tetany occurs because enough calcium ions are main- tained in the muscle sarcoplasm, even between action po- tentials, so that a full contractile state is sustained without allowing any relaxation between the action potentials.

جمع فرکانس و تتانیزاسیون. شکل ۶-۱۵ اصول جمع فرکانس و تتانیزاسیون را نشان می‌دهد. انقباضات تکانشی که یکی پس از دیگری در فرکانس پایین تحریک رخ می‌دهند در سمت چپ نمایش داده می‌شوند. سپس، با افزایش فرکانس، نقطه ای فرا می‌رسد که هر انقباض جدید قبل از پایان انقباض قبلی رخ می‌دهد. در نتیجه، انقباض دوم تا حدی به انقباض اول اضافه می‌شود و بنابراین با افزایش فرکانس، قدرت کل انقباض به تدریج افزایش می‌یابد. هنگامی‌که فرکانس به سطح بحرانی می‌رسد، انقباضات متوالی در نهایت آنقدر سریع می‌شوند که با هم ترکیب می‌شوند و به نظر می‌رسد که کل انقباض عضلانی فصل ۶ انقباض عضله اسکلتی کاملاً صاف و پیوسته است، همانطور که در شکل نشان داده شده است. این فرآیند تتانیزاسیون نامیده می‌شود. در فرکانس کمی‌بالاتر، قدرت انقباض به حداکثر خود می‌رسد، بنابراین هر افزایش اضافی در فرکانس فراتر از آن نقطه، تأثیر بیشتری در افزایش نیروی انقباضی ندارد. کزاز به این دلیل اتفاق می‌افتد که یون‌های کلسیم کافی در سارکوپلاسم عضلانی، حتی بین پتانسیل‌های عمل، حفظ می‌شوند، به طوری که یک حالت انقباضی کامل بدون اجازه دادن به آرامش بین پتانسیل‌های عمل حفظ می‌شود.

Figure 6-15
Frequency summation and tetanization.

شکل ۶-۱۵
جمع فرکانس و تتانیزاسیون.

Maximum Strength of Contraction. The maximum strength of tetanic contraction of a muscle operating at a normal muscle length averages between 3 and 4 kg/cm2 of muscle, or 50 pounds/inch2. Because a quadriceps muscle can have up to 16 square inches of muscle belly, as much as 800 pounds of tension may be applied to the patellar tendon. Thus, one can readily understand how it is pos- sible for muscles to pull their tendons out of their inser- tions in bone.

حداکثر قدرت انقباض. حداکثر قدرت انقباض کزاز عضله ای که در طول عضله نرمال عمل می‌کند به طور متوسط ​​بین ۳ تا ۴ کیلوگرم بر سانتی متر مربع عضله یا ۵۰ پوند در اینچ مربع است. از آنجایی که عضله چهار سر ران می‌تواند تا ۱۶ اینچ مربع عضله شکم داشته باشد، ممکن است تا ۸۰۰ پوند کشش به تاندون کشکک اعمال شود. بنابراین، می‌توان به آسانی درک کرد که چگونه می‌توان ماهیچه‌ها تاندون‌های خود را از محل قرارگیری‌شان در استخوان بیرون بکشند.

Changes in Muscle Strength at the onset of Contraction-the Staircase Effect (Treppe). When a muscle begins to contract after a long period of rest, its initial strength of contraction may be as little as one-half its strength 10 to 50 muscle twitches later. That is, the strength of contraction increases to a plateau, a phenom- enon called the staircase effect, or treppe.

تغییر در قدرت عضلانی در شروع انقباض – اثر پلکانی (Treppe). هنگامی‌که یک عضله پس از یک دوره استراحت طولانی شروع به انقباض می‌کند، قدرت اولیه انقباض آن ممکن است به اندازه نصف قدرت آن در ۱۰ تا ۵۰ انقباض عضلانی بعد باشد. یعنی قدرت انقباض به یک پلاتو افزایش می‌یابد، پدیده ای به نام اثر پلکانی یا ترپه.

Although all the possible causes of the staircase effect are not known, it is believed to be caused primarily by increasing calcium ions in the cytosol because of the release of more and more ions from the sarcoplasmic reticulum with each successive muscle action poten- tial and failure of the sarcoplasm to recapture the ions immediately.

اگرچه تمام علل احتمالی اثر پلکان شناخته شده نیست، اعتقاد بر این است که در درجه اول با افزایش یون‌های کلسیم در سیتوزول به دلیل آزاد شدن یون‌های بیشتر و بیشتر از شبکه سارکوپلاسمی‌با هر پتانسیل عمل عضلانی متوالی و شکست سارکوپلاسم در گرفتن مجدد یون‌ها ایجاد می‌شود.

Skeletal Muscle Tone. Even when muscles are at rest, a certain amount of tautness usually remains, called muscle tone. Because normal skeletal muscle fibers do not con- tract without an action potential to stimulate the fibers, skeletal muscle tone results entirely from a low rate of nerve impulses coming from the spinal cord. These nerve impulses, in turn, are controlled partly by signals trans- mitted from the brain to the appropriate spinal cord an- terior motoneurons and partly by signals that originate in muscle spindles located in the muscle. Both these signals are discussed in relationship to muscle spindle and spinal cord function in Chapter 55.

تون عضلات اسکلتی. حتی زمانی که عضلات در حال استراحت هستند، معمولاً مقدار مشخصی از سفت بودن باقی می‌ماند که به آن تون عضلانی می‌گویند. از آنجایی که فیبرهای عضلانی اسکلتی نرمال بدون پتانسیل عمل برای تحریک فیبرها منقبض نمی‌شوند، تون ماهیچه‌های اسکلتی به طور کامل از نرخ پایین تکانه‌های عصبی ناشی از طناب نخاعی ناشی می‌شود. این تکانه‌های عصبی، به نوبه خود، تا حدی توسط سیگنال‌هایی که از مغز به نورون‌های حرکتی قدامی‌نخاع منتقل می‌شوند و تا حدودی توسط سیگنال‌هایی که از دوک‌های عضلانی واقع در عضله منشا می‌گیرند، کنترل می‌شوند. هر دو این سیگنال‌ها در رابطه با دوک عضلانی و عملکرد طناب نخاعی در فصل ۵۵ مورد بحث قرار می‌گیرند.

Muscle Fatigue. Prolonged strong contraction of a mus- cle leads to the well-known state of muscle fatigue. Stud- ies in athletes have shown that muscle fatigue increases in almost direct proportion to the rate of depletion of mus- cle glycogen. Therefore, fatigue results mainly from the inability of the contractile and metabolic processes of the muscle fibers to continue supplying the same work out- put. However, experiments have also shown that trans- mission of the nerve signal through the neuromuscular junction, discussed in Chapter 7, can diminish at least a small amount after intense prolonged muscle activity, thus further diminishing muscle contraction. Interrup- tion of blood flow through a contracting muscle leads to almost complete muscle fatigue within 1 or 2 minutes be- cause of the loss of nutrient supply, especially the loss of oxygen.

خستگی عضلانی. انقباض قوی طولانی مدت یک عضله منجر به حالت شناخته شده خستگی عضلانی می‌شود. مطالعات روی ورزشکاران نشان داده است که خستگی عضلانی تقریباً به نسبت مستقیم با میزان کاهش گلیکوژن ماهیچه افزایش می‌یابد. بنابراین، خستگی عمدتاً ناشی از ناتوانی فرآیندهای انقباضی و متابولیک فیبرهای عضلانی برای ادامه دادن همان خروجی کار است. با این حال، آزمایش‌ها همچنین نشان داده‌اند که انتقال سیگنال عصبی از طریق اتصال عصبی عضلانی، که در فصل ۷ مورد بحث قرار گرفت، می‌تواند حداقل مقدار کمی‌پس از فعالیت شدید ماهیچه‌ای کاهش یابد، در نتیجه انقباض عضلانی را کاهش می‌دهد. قطع جریان خون از طریق عضله در حال انقباض منجر به خستگی تقریباً کامل عضلانی در عرض ۱ یا ۲ دقیقه به دلیل از دست دادن منبع تغذیه، به ویژه از دست دادن اکسیژن می‌شود.

Lever Systems of the Body. Muscles operate by applying tension to their points of insertion into bones, and the bones in turn form various types of lever systems. Fig- ure 6-16 shows the lever system activated by the biceps muscle to lift the forearm against a load. If we assume that a large biceps muscle has a cross-sectional area of 6 square inches, the maximum force of contraction would be about 300 pounds. When the forearm is at right an- gles with the upper arm, the tendon attachment of the biceps is about 2 inches anterior to the fulcrum at the elbow, and the total length of the forearm lever is about 14 inches. Therefore, the amount of lifting power of the biceps at the hand would be only one-seventh of the 300 pounds of muscle force, or about 43 pounds. When the arm is fully extended, the attachment of the biceps is much less than 2 inches anterior to the fulcrum, and the force with which the hand can be brought forward is also much less than 43 pounds.

سیستم‌های اهرمی‌بدن. ماهیچه‌ها با اعمال کشش به نقاط ورود خود به استخوان‌ها عمل می‌کنند و استخوان‌ها به نوبه خود انواع مختلفی از سیستم‌های اهرمی‌را تشکیل می‌دهند. شکل ۶-۱۶ سیستم اهرمی‌را نشان می‌دهد که توسط عضله دوسر بازو برای بلند کردن ساعد در برابر بار فعال می‌شود. اگر فرض کنیم یک عضله دوسر بزرگ دارای سطح مقطع ۶ اینچ مربع است، حداکثر نیروی انقباض حدود ۳۰۰ پوند خواهد بود. هنگامی‌که ساعد با بازو در زوایای قائم قرار دارد، اتصال تاندون عضله دوسر حدود ۲ اینچ جلوتر از تکیه گاه در آرنج است و طول کل اهرم ساعد حدود ۱۴ اینچ است. بنابراین، مقدار قدرت بلند کردن عضله دوسر در دست تنها یک هفتم از ۳۰۰ پوند نیروی عضلانی یا حدود ۴۳ پوند خواهد بود. هنگامی‌که بازو به طور کامل کشیده می‌شود، اتصال عضله دوسر بسیار کمتر از ۲ اینچ جلوتر از تکیه گاه است و نیرویی که می‌توان با آن دست را به جلو آورد نیز بسیار کمتر از ۴۳ پوند است.

In short, an analysis of the lever systems of the body de- pends on knowledge of the following: (1) the point of muscle insertion; (2) its distance from the fulcrum of the lever; (3) the length of the lever arm; and (4) the position of the lever. Many types of movement are required in the body, some of which need great strength and others that need large dis- tances of movement. For this reason, there are many dif- ferent types of muscle; some are long and contract a long distance, and some are short but have large cross-sectional areas and can provide extreme strength of contraction over short distances. The study of different types of muscles, le- ver systems, and their movements is called kinesiology and is an important scientific component of human physiology.

به طور خلاصه، تجزیه و تحلیل سیستم‌های اهرمی‌بدن به آگاهی از موارد زیر بستگی دارد: (۱) نقطه درج عضله. (۲) فاصله آن از نقطه تکیه اهرم. (۳) طول بازوی اهرمی؛ و (۴) موقعیت اهرم. بسیاری از انواع حرکت در بدن مورد نیاز است که برخی از آنها به قدرت زیاد و برخی دیگر نیاز به فواصل حرکت زیادی دارند. به همین دلیل، انواع مختلفی از عضلات وجود دارد. برخی طولانی هستند و در فاصله طولانی منقبض می‌شوند و برخی کوتاه هستند اما سطح مقطع زیادی دارند و می‌توانند قدرت انقباض شدید را در فواصل کوتاه ایجاد کنند. مطالعه انواع ماهیچه‌ها، سیستم‌های اهرمی‌و حرکات آنها حرکت شناسی نامیده می‌شود و جزء علمی‌مهم فیزیولوژی انسان است.

Figure 6-16
Lever system activated by the biceps muscle.

شکل ۶-۱۶
سیستم اهرمی‌که توسط عضله دوسر فعال می‌شود.

Positioning of a Body Part by Contraction of Agonist and Antagonist Muscles on Opposite Sides of a Joint. Virtually all body movements are caused by simultaneous contrac- tion of agonist and antagonist muscles on opposite sides of joints. This process is called coactivation of the agonist and antagonist muscles, and it is controlled by the motor control centers of the brain and spinal cord.

قرار گرفتن قسمتی از بدن با انقباض عضلات آگونیست و آنتاگونیست در طرف مقابل مفصل. تقریباً تمام حرکات بدن در اثر انقباض همزمان عضلات آگونیست و آنتاگونیست در طرف مقابل مفاصل ایجاد می‌شود. به این فرآیند، همزمانی عضلات آگونیست و آنتاگونیست گفته می‌شود و توسط مراکز کنترل حرکتی مغز و نخاع کنترل می‌شود.

The position of each separate part of the body, such as an arm or a leg, is determined by the relative degrees of con- traction of the agonist and antagonist sets of muscles. For example, let us assume that an arm or a leg is to be placed in a midrange position. To achieve this position, agonist and antagonist muscles are excited to about an equal degree. Remember that an elongated muscle contracts with more force than does a shortened muscle, which was illustrated in Figure 6-10, showing maximum strength of contraction at full functional muscle length and almost no strength of contraction at half-normal length. Therefore, the elongated muscle on one side of a joint can contract with far greater force than the shorter muscle on the opposite side. As an arm or leg moves toward its midposition, the strength of the longer muscle decreases, but the strength of the shorter muscle increases until the two strengths equal each other. At this point, movement of the arm or leg stops. Thus, by varying the ratios of the degree of activation of the agonist and antagonist muscles, the nervous system directs the po- sitioning of the arm or leg.

موقعیت هر قسمت از بدن، مانند بازو یا پا، با درجات نسبی انقباض مجموعه عضلات آگونیست و آنتاگونیست تعیین می‌شود. به عنوان مثال، فرض می‌کنیم که یک دست یا یک پا در یک موقعیت متوسط ​​قرار می‌گیرد. برای دستیابی به این موقعیت، عضلات آگونیست و آنتاگونیست تقریباً به میزان مساوی برانگیخته می‌شوند. به یاد داشته باشید که یک عضله کشیده با نیروی بیشتری نسبت به عضله کوتاه شده منقبض می‌شود، که در شکل ۶-۱۰ نشان داده شده است، که حداکثر قدرت انقباض را در طول عضله کامل عملکردی نشان می‌دهد و تقریبا هیچ قدرت انقباضی را در طول نیمه طبیعی نشان نمی‌دهد. بنابراین، عضله کشیده در یک طرف مفصل می‌تواند با نیروی بسیار بیشتری نسبت به عضله کوتاهتر طرف مقابل منقبض شود. همانطور که یک دست یا پا به سمت وسط خود حرکت می‌کند، قدرت عضله بلندتر کاهش می‌یابد، اما قدرت عضله کوتاهتر افزایش می‌یابد تا زمانی که دو قدرت با یکدیگر برابر شوند. در این مرحله حرکت بازو یا پا متوقف می‌شود. بنابراین، با تغییر نسبت‌های درجه فعال شدن عضلات آگونیست و آنتاگونیست، سیستم عصبی موقعیت دست یا پا را هدایت می‌کند.

We discuss in Chapter 55 that the motor nervous sys- tem has additional important mechanisms to compensate for different muscle loads when directing this positioning process.

ما در فصل ۵۵ بحث می‌کنیم که سیستم عصبی حرکتی مکانیسم‌های مهم دیگری برای جبران بارهای مختلف عضلانی هنگام هدایت این فرآیند موقعیت یابی دارد.

REMODELING OF MUSCLE TO MATCH FUNCTION

The muscles of the body continually remodel to match the functions required of them. Their diameters, lengths, strengths, and vascular supplies are altered, and even the types of muscle fibers are altered, at least slightly. This remodeling process is often quite rapid, occurring within a few weeks. Experiments in animals have shown that muscle contractile proteins in some smaller, more active muscles can be replaced in as little as 2 weeks.

بازسازی عضله برای منطبق کردن عملکرد

ماهیچه‌های بدن به طور مداوم بازسازی می‌شوند تا با عملکردهای مورد نیاز خود مطابقت داشته باشند. قطر، طول، قدرت و ذخایر عروقی آنها تغییر می‌کند، و حتی نوع فیبرهای عضلانی حداقل کمی‌تغییر می‌کند. این فرآیند بازسازی اغلب بسیار سریع است و در عرض چند هفته اتفاق می‌افتد. آزمایش‌ها روی حیوانات نشان داده است که پروتئین‌های انقباضی عضلانی در برخی از ماهیچه‌های کوچک‌تر و فعال‌تر را می‌توان در عرض ۲ هفته جایگزین کرد.

Muscle Hypertrophy and Muscle Atrophy. The in- crease of the total mass of a muscle is called muscle hy- pertrophy. When the total mass decreases, the process is called muscle atrophy.

هیپرتروفی عضلانی و آتروفی عضلانی. افزایش کل توده عضله هیپرتروفی عضلانی نامیده می‌شود. هنگامی‌که توده کل کاهش می‌یابد، این فرآیند آتروفی عضلانی نامیده می‌شود.

Virtually all muscle hypertrophy results from an increase in the number of actin and myosin filaments in each muscle fiber, causing enlargement of the indi- vidual muscle fibers; this condition is called simply fiber hypertrophy. Hypertrophy occurs to a much greater extent when the muscle is loaded during the contrac- tile process. Only a few strong contractions each day are required to cause significant hypertrophy within 6 to 10 weeks.

تقریباً تمام‌هایپرتروفی عضلانی ناشی از افزایش تعداد رشته‌های اکتین و میوزین در هر فیبر عضلانی است که باعث بزرگ شدن فیبرهای عضلانی می‌شود. این وضعیت به سادگی هیپرتروفی فیبر نامیده می‌شود. زمانی که عضله در طی فرآیند انقباض بارگذاری می‌شود،‌هایپرتروفی به میزان بسیار بیشتری رخ می‌دهد. فقط چند انقباض قوی در روز لازم است تا در عرض ۶ تا ۱۰ هفته باعث هیپرتروفی قابل توجه شود.

The manner in which forceful contraction leads to hypertrophy is poorly understood. It is known, however, that the rate of synthesis of muscle contractile proteins is far greater when hypertrophy is developing, leading also to progressively greater numbers of both actin and myo- sin filaments in the myofibrils, often increasing as much as 50%. Some of the myofibrils have been observed to split within hypertrophying muscle to form new myofibrils, but the importance of this process in the usual enlarge- ment of skeletal muscle is still unknown.

روشی که در آن انقباض نیرومند منجر به‌هایپرتروفی می‌شود، به خوبی شناخته نشده است. با این حال، مشخص است که سرعت سنتز پروتئین‌های انقباضی عضلانی زمانی که هیپرتروفی در حال توسعه است بسیار بیشتر است و همچنین منجر به افزایش تدریجی تعداد رشته‌های اکتین و میوسین در میوفیبریل‌ها می‌شود که اغلب تا ۵۰ درصد افزایش می‌یابد. مشاهده شده است که برخی از میوفیبریل‌ها در عضله هیپرتروفی شکافته می‌شوند تا میوفیبریل‌های جدید را تشکیل دهند، اما اهمیت این فرآیند در بزرگ شدن معمول ماهیچه‌های اسکلتی هنوز ناشناخته است.

Along with the increasing size of myofibrils, the enzyme systems that provide energy also increase, especially the enzymes for glycolysis, allowing for a rapid supply of energy during short-term forceful muscle contraction.

همراه با افزایش اندازه میوفیبریل‌ها، سیستم‌های آنزیمی‌که انرژی را تامین می‌کنند نیز افزایش می‌یابند، به‌ویژه آنزیم‌های گلیکولیز، که امکان تامین سریع انرژی را در طول انقباض شدید عضلات کوتاه‌مدت فراهم می‌کند.

When a muscle remains unused for many weeks, the rate of degradation of the contractile proteins is more rapid than the rate of replacement. Therefore, muscle atrophy occurs. The pathway that appears to account for much of the protein degradation in a muscle undergo- ing atrophy is the ATP-dependent ubiquitin-proteasome pathway. Proteasomes are large protein complexes that degrade damaged or unneeded proteins by proteolysis, a chemical reaction that breaks peptide bonds. Ubiquitin is a regulatory protein that basically labels which cells will be targeted for proteosomal degradation.

هنگامی‌که یک عضله برای چندین هفته بدون استفاده می‌ماند، سرعت تخریب پروتئین‌های انقباضی سریعتر از سرعت جایگزینی است. بنابراین، آتروفی عضلانی رخ می‌دهد. مسیری که به نظر می‌رسد بخش عمده ای از تخریب پروتئین را در عضله ای که دچار آتروفی می‌شود، به حساب می‌آورد، مسیر یوبیکوئیتین-پروتئازوم وابسته به ATP است. پروتئازوم‌ها مجتمع‌های پروتئینی بزرگی هستند که پروتئین‌های آسیب دیده یا غیر ضروری را با پروتئولیز تجزیه می‌کنند، یک واکنش شیمیایی که پیوندهای پپتیدی را می‌شکند. یوبیکوئیتین یک پروتئین تنظیم کننده است که اساساً نشان می‌دهد که کدام سلول‌ها برای تخریب پروتئوزومی‌هدف قرار می‌گیرند.

Adjustment of Muscle Length. Another type of hyper- trophy occurs when muscles are stretched to greater than normal length. This stretching causes new sarcomeres to be added at the ends of the muscle fibers, where they at- tach to the tendons. In fact, new sarcomeres can be added as rapidly as several per minute in newly developing mus- cle, illustrating the rapidity of this type of hypertrophy.

تنظیم طول عضله. نوع دیگری از‌هایپرتروفی زمانی رخ می‌دهد که عضلات به طول بیش از حد طبیعی کشیده شوند. این کشش باعث می‌شود که سارکومرهای جدیدی در انتهای فیبرهای عضلانی، جایی که به تاندون‌ها متصل می‌شوند، اضافه شوند. در واقع، سارکومرهای جدید را می‌توان با سرعت چند در دقیقه به عضله تازه در حال رشد اضافه کرد که نشان دهنده سرعت این نوع هیپرتروفی است.

Conversely, when a muscle continually remains short- ened to less than its normal length, sarcomeres at the ends of the muscle fibers can actually disappear. It is by these processes that muscles are continually remodeled so they have the appropriate length for proper muscle contraction.

برعکس، هنگامی‌که یک عضله به طور مداوم به کمتر از طول طبیعی خود کوتاه می‌شود، سارکومرها در انتهای رشته‌های عضلانی می‌توانند در واقع ناپدید شوند. با این فرآیندها است که عضلات به طور مداوم بازسازی می‌شوند تا طول مناسبی برای انقباض مناسب عضلات داشته باشند.

Hyperplasia of Muscle Fibers. Under rare conditions of extreme muscle force generation, the actual number of muscle fibers has been observed to increase (but only by a few percent), in addition to the fiber hypertrophy process. This increase in fiber number is called fiber hyperplasia. When it does occur, the mechanism is linear splitting of previously enlarged fibers.

هیپرپلازی فیبرهای عضلانی. در شرایط نادر تولید نیروی شدید عضلانی، مشاهده شده است که تعداد واقعی فیبرهای عضلانی (اما فقط چند درصد)، علاوه بر فرآیند هیپرتروفی فیبر، افزایش می‌یابد. این افزایش تعداد فیبر، هیپرپلازی فیبر نامیده می‌شود. هنگامی‌که این اتفاق می‌افتد، مکانیسم تقسیم خطی الیاف قبلا بزرگ شده است.

Muscle Denervation Causes Rapid Atrophy. When a muscle loses its nerve supply, it no longer receives the contractile signals that are required to maintain normal muscle size. Therefore, atrophy begins almost immedi- ately. After about 2 months, degenerative changes also begin to appear in the muscle fibers. If the nerve supply to the muscle grows back rapidly, full return of function can occur in as little as 3 months but, from then onward, the capability of functional return becomes less and less, with no further return of function after 1 to 2 years.

عصب کشی عضلانی باعث آتروفی سریع می‌شود. هنگامی‌که یک عضله منبع عصبی خود را از دست می‌دهد، دیگر سیگنال‌های انقباضی که برای حفظ اندازه طبیعی ماهیچه لازم است را دریافت نمی‌کند. بنابراین، آتروفی تقریباً بلافاصله شروع می‌شود. پس از حدود ۲ ماه، تغییرات دژنراتیو نیز در فیبرهای عضلانی ظاهر می‌شود. اگر منبع عصب به سرعت رشد کند، بازگشت کامل عملکرد می‌تواند در عرض ۳ ماه اتفاق بیفتد، اما از آن زمان به بعد، قابلیت بازگشت عملکردی کمتر و کمتر می‌شود، بدون بازگشت عملکرد بعد از ۱ تا ۲ سال.

In the final stage of denervation atrophy, most of the muscle fibers are destroyed and replaced by fibrous and fatty tissue. The fibers that do remain are composed of a long cell membrane with a lineup of muscle cell nuclei but with few or no contractile properties and little or no capa- bility of regenerating myofibrils if a nerve does regrow.

در مرحله نهایی آتروفی عصب کشی، بیشتر رشته‌های عضلانی از بین می‌روند و با بافت فیبری و چربی جایگزین می‌شوند. الیافی که باقی می‌مانند از یک غشای سلولی بلند با ترکیبی از هسته‌های سلولی ماهیچه‌ای تشکیل شده‌اند، اما دارای خاصیت انقباضی کم یا بدون خاصیت انقباضی هستند و در صورت رشد مجدد عصب، توانایی بازسازی میوفیبریل‌ها کم یا بدون آن هستند.

The fibrous tissue that replaces the muscle fibers dur- ing denervation atrophy also has a tendency to continue shortening for many months, a process called contracture. Therefore, one of the most important problems in the practice of physical therapy is to keep atrophying muscles from developing debilitating and disfiguring contractures. This goal is achieved by daily stretching of the muscles or use of appliances that keep the muscles stretched during the atrophying process.

بافت فیبری که در حین آتروفی عصب کشی جایگزین فیبرهای عضلانی می‌شود نیز تمایل به ادامه کوتاه شدن برای چندین ماه دارد، فرآیندی به نام انقباض. بنابراین، یکی از مهمترین مشکلات در تمرین فیزیوتراپی، جلوگیری از ایجاد انقباضات ناتوان کننده و تغییر شکل عضلات در حال آتروفی است. این هدف با کشش روزانه ماهیچه‌ها یا استفاده از وسایلی که عضلات را در طول فرآیند آتروفی کشش نگه می‌دارند به دست می‌آید.

Recovery of Muscle Contraction in Poliomyelitis: Development of Macromotor Units. When some but not all nerve fibers to a muscle are destroyed, as occurs in po- liomyelitis, the remaining nerve fibers branch off to form new axons that then innervate many of the paralyzed mus- cle fibers. This process results in large motor units called macromotor units, which can contain as many as five times the normal number of muscle fibers for each motoneuron coming from the spinal cord. The formation of large mo- tor units decreases the fineness of control one has over the muscles but allows the muscles to regain varying degrees of strength.

بهبود انقباض عضلانی در فلج اطفال: توسعه واحدهای ماکروموتور. هنگامی‌که برخی و نه همه رشته‌های عصبی عضله از بین می‌روند، همانطور که در پولیومیلیت اتفاق می‌افتد، رشته‌های عصبی باقی‌مانده منشعب می‌شوند و آکسون‌های جدیدی را تشکیل می‌دهند که سپس بسیاری از رشته‌های عضلانی فلج شده را عصب دهی می‌کنند. این فرآیند منجر به واحدهای حرکتی بزرگی به نام واحدهای ماکروموتور می‌شود که می‌توانند پنج برابر تعداد طبیعی فیبرهای عضلانی برای هر نورون حرکتی که از طناب نخاعی می‌آید، داشته باشند. تشکیل واحدهای حرکتی بزرگ، ظرافت کنترلی که فرد بر عضلات دارد را کاهش می‌دهد، اما به عضلات اجازه می‌دهد تا درجات مختلفی از قدرت را به دست آورند.

Rigor Mortis. Several hours after death, all the muscles of the body go into a state of contracture called rigor mortis; that is, the muscles contract and become rigid, even with- out action potentials. This rigidity results from loss of all the ATP, which is required to cause separation of the cross- bridges from the actin filaments during the relaxation pro- cess. The muscles remain in rigor until the muscle proteins deteriorate about 15 to 25 hours later, which presumably results from autolysis caused by enzymes released from lysosomes. All these events occur more rapidly at higher temperatures.

ریگور مورتیس. چند ساعت پس از مرگ، تمام ماهیچه‌های بدن به حالت انقباض می‌روند که به آن ریگور مورتیس می‌گویند. یعنی ماهیچه‌ها حتی بدون پتانسیل عمل منقبض و سفت می‌شوند. این سفتی ناشی از از دست دادن تمام ATP است که برای جدا شدن پل‌های متقاطع از رشته‌های اکتین در طول فرآیند آرام سازی لازم است. ماهیچه‌ها در سفتی باقی می‌مانند تا زمانی که پروتئین‌های ماهیچه‌ای حدود ۱۵ تا ۲۵ ساعت بعد بدتر شوند، که احتمالاً ناشی از اتولیز ناشی از آنزیم‌های آزاد شده از لیزوزوم است. همه این رویدادها در دماهای بالاتر با سرعت بیشتری رخ می‌دهند.

Muscular Dystrophy. The muscular dystrophies include several inherited disorders that cause progressive weakness and degeneration of muscle fibers, which are replaced by fatty tissue and collagen.

دیستروفی عضلانی. دیستروفی‌های عضلانی شامل چندین اختلال ارثی است که باعث ضعف پیشرونده و تحلیل فیبرهای عضلانی می‌شود که با بافت چربی و کلاژن جایگزین می‌شوند.

One of the most common forms of muscular dystro- phy is Duchenne muscular dystrophy (DMD). This disease affects only males because it is transmitted as an X-linked recessive trait and is caused by mutation of the gene that encodes for a protein called dystrophin, which links actins to proteins in the muscle cell membrane. Dystrophin and as- sociated proteins form an interface between the intracellular contractile apparatus and extracellular connective matrix.

یکی از رایج ترین اشکال دیستروفی عضلانی، دیستروفی عضلانی دوشن (DMD) است. این بیماری فقط مردان را مبتلا می‌کند زیرا به عنوان یک صفت مغلوب مرتبط با X منتقل می‌شود و در اثر جهش ژنی ایجاد می‌شود که پروتئینی به نام دیستروفین را کد می‌کند که اکتین‌ها را به پروتئین‌های غشای سلول عضلانی پیوند می‌دهد. دیستروفین و پروتئین‌های مرتبط، رابط بین دستگاه انقباضی داخل سلولی و ماتریکس همبند خارج سلولی را تشکیل می‌دهند.

Although the precise functions of dystrophin are not completely understood, lack of dystrophin or mutated forms of the protein cause muscle cell membrane desta- bilization and activation of multiple pathophysiological processes, including altered intracellular calcium handling and impaired membrane repair after injury. One important effect of abnormal dystrophin is an increase in membrane permeability to calcium, thus allowing extracellular calci- um ions to enter the muscle fiber and initiate changes in in- tracellular enzymes that ultimately lead to proteolysis and muscle fiber breakdown.

اگرچه عملکرد دقیق دیستروفین به طور کامل شناخته نشده است، فقدان دیستروفین یا اشکال جهش یافته پروتئین باعث بی ثباتی غشای سلولی عضلانی و فعال شدن چندین فرآیند پاتوفیزیولوژیکی، از جمله تغییر جابجایی کلسیم داخل سلولی و اختلال در ترمیم غشاء پس از آسیب می‌شود. یکی از اثرات مهم دیستروفین غیرطبیعی افزایش نفوذپذیری غشاء به کلسیم است، بنابراین به یون‌های کلسیم خارج سلولی اجازه می‌دهد تا وارد فیبر عضلانی شوند و تغییراتی را در آنزیم‌های داخل سلولی آغاز کنند که در نهایت منجر به پروتئولیز و تجزیه فیبر عضلانی می‌شود.

Symptoms of DMD include muscle weakness that be- gins in early childhood and rapidly progresses, so that the patient is usually in wheelchairs by age 12 years and often dies of respiratory failure before age 30 years. A milder form of this disease, called Becker muscular dystrophy (BMD), is also caused by mutations of the gene that encodes for dys- trophin but has a later onset and longer survival. It is esti- mated that DMD and BMD affect 1 of every 5,600 to 7,700 males between the ages of 5 through 24 years. Currently, no effective treatment exists for DMD or BMD, although characterization of the genetic basis for these diseases has provided the potential for gene therapy in the future.

علائم DMD شامل ضعف عضلانی است که از اوایل کودکی شروع می‌شود و به سرعت پیشرفت می‌کند، به طوری که بیمار معمولاً در سن ۱۲ سالگی روی صندلی چرخدار قرار می‌گیرد و اغلب در اثر نارسایی تنفسی قبل از ۳۰ سالگی می‌میرد. نوع خفیف‌تر این بیماری، به نام دیستروفی عضلانی بکر (BMD) نیز ناشی از جهش‌های ژنی است که دیستروفین را کد می‌کند، اما شروع دیرتر و بقای طولانی‌تری دارد. تخمین زده می‌شود که DMD و BMD از هر ۵۶۰۰ تا ۷۷۰۰ مرد بین سنین ۵ تا ۲۴ سال، ۱ نفر را تحت تاثیر قرار می‌دهد. در حال حاضر، هیچ درمان موثری برای DMD یا BMD وجود ندارد، اگرچه شناسایی مبنای ژنتیکی این بیماری‌ها پتانسیل ژن درمانی را در آینده فراهم کرده است.

Bibliography

کتابشناسی

Adams GR, Bamman MM: Characterization and regulation of me- chanical loading-induced compensatory muscle hypertrophy. Com- pr Physiol 2:2829, 2012.
Allen DG, Lamb GD, Westerblad H: Skeletal muscle fatigue: cellular mechanisms. Physiol Rev 88:287, 2008.

Blake DJ, Weir A, Newey SE, Davies KE: Function and genetics of dystrophin and dystrophin-related proteins in muscle. Physiol Rev 82:291, 2002.

Damas F, Libardi CA, Ugrinowitsch C. The development of skeletal muscle hypertrophy through resistance training: the role of muscle damage and muscle protein synthesis. Eur J Appl Physiol 118:485- 500, 2019.

Fitts RH: The cross-bridge cycle and skeletal muscle fatigue. J Appl Physiol 104:551, 2008.

Francaux M, Deldicque L. Exercise and the control of muscle mass in human. Pflugers Arch 471:397-411, 2019.

Glass DJ: Signaling pathways that mediate skeletal muscle hypertro- phy and atrophy. Nat Cell Biol 5:87, 2003.

Gorgey AS, Witt O, O’Brien L, Cardozo C, Chen Q, Lesnefsky EJ, Gra- ham ZA. Mitochondrial health and muscle plasticity after spinal cord injury. Eur J Appl Physiol 119:315-331, 2019.

Gunning P, O’Neill G, Hardeman E: Tropomyosin-based regulation of the actin cytoskeleton in time and space. Physiol Rev 88:1, 2008.

Heckman CJ, Enoka RM: Motor unit. Compr Physiol 2:2629, 2012.

Henderson CA, Gomez CG, Novak SM, Mi-Mi L, Gregorio CC. Over- view of the muscle cytoskeleton. Compr Physiol 7:891-944, 2017.

Jungbluth H, Treves S, Zorzato F, Sarkozy A, Ochala J, Sewry C, Phadke R, Gautel M, Muntoni F. Congenital myopathies: disorders of excitation-contraction coupling and muscle contraction. Nat Rev Neurol 14:151-167, 2018.

Larsson L, Degens H, Li M, Salviati L, Lee YI, Thompson W, Kirkland JL, Sandri M. Sarcopenia: Aging-related loss of muscle mass and function. Physiol Rev 99:427-511, 2019.

Lin BL, Song T, Sadayappan S. Myofilaments: Movers and rulers of the sarcomere. Compr Physiol 7:675-692, 2017.

Mercuri E, Muntoni F: Muscular dystrophies. Lancet 381:845, 2013. Murach KA, Fry CS, Kirby TJ, Jackson JR, Lee JD, White SH, Dupont- Versteegden EE, McCarthy JJ, Peterson CA. Starring or supporting role? Satellite cells and skeletal muscle fiber size regulation. Physi- ology (Bethesda) 33:26-38, 2018.

Olsen LA, Nicoll JX, Fry AC. The skeletal muscle fiber: a mechanically sensitive cell. Eur J Appl Physiol 119:333-349, 2019.
Patikas DA, Williams CA, Ratel S. Exercise-induced fatigue in young people: advances and future perspectives. Eur J Appl Physiol 118:899-910, 2018.

Schaeffer PJ, Lindstedt SL: How animals move: comparative lessons on animal locomotion. Compr Physiol 3:289, 2013. Schiaffino S, Reggiani C: Fiber types in mammalian skeletal muscles. Physiol Rev 91:1447, 2011.

Tsianos GA, Loeb GE. Muscle and limb mechanics. Compr Physiol 7:429-462, 2017.

van Breemen C, Fameli N, Evans AM: Pan-junctional sarcoplasmic reticulum in vascular smooth muscle: nanospace Ca2+ transport for site- and function-specific Ca2+ signalling. J Physiol 591:2043, 2013.

Vandenboom R. Modulation of skeletal muscle contraction by myosin phosphorylation. Compr Physiol 7:171-212, 2016.

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---