فصل ۸ کتاب فیزیولوژی پزشکی گایتون؛ تحریک و انقباض ماهیچه صاف

شکل ۸-۱ عضله صاف چند واحدی (A) و تک‌واحدی (B).

ماهیچه صاف چند واحدی

این نوع ماهیچه صاف از فیبرهای عضلانی صاف مجزا تشکیل شده است. هر فیبر مستقل از فیبرهای دیگر عمل می‌کند و اغلب توسط یک انتهای عصبی، عصب‌دهی می‌شود، همانطور که برای فیبرهای عضلانی اسکلتی اتفاق می‌افتد. علاوه بر این، سطوح خارجی این الیاف، مانند فیبرهای عضلانی اسکلتی، توسط یک لایه نازک از ماده شبیه غشای پایه، مخلوطی از کلاژن نازک و گلیکوپروتئین پوشیده شده است که به عایق بندی الیاف جداگانه از یکدیگر کمک می‌کند.

مهمترین ویژگی فیبرهای عضلانی صاف چند واحدی این است که هر فیبر می‌تواند مستقل از بقیه منقبض شود و کنترل آنها عمدتاً توسط سیگنال‌های عصبی اعمال می‌شود. در مقابل، سهم عمده‌ای از کنترل عضله صاف واحد توسط محرک‌های غیرعصبی اعمال می‌شود. نمونه‌هایی از این نوع ماهیچه صاف عبارتند از: عضله مژگانی چشم، عنبیه چشم و ماهیچه‌های پیلوئرکتور (piloerector muscles) یا ماهیچه‌های سیخ کننده مو که با تحریک سیستم عصبی سمپاتیک باعث راست شدن موها می‌شوند.

عضله صاف تک‌واحدی

به این نوع عضله، ماهیچه صاف سنسیشیال (syncytial smooth muscle) یا  عضله صاف احشایی (visceral smooth muscle) نیز گفته می‌شود.  اصطلاح “یونیتاری” (unitary) گیج کننده است زیرا به معنای فیبرهای عضلانی منفرد نیست. در عوض، این به معنای توده ای متشکل از صدها تا هزاران فیبر عضلانی صاف است که به عنوان یک واحد با هم منقبض می‌شوند. فیبرها معمولاً در صفحات یا بسته‌هایی قرار می‌گیرند و غشای سلولی آنها در چندین نقطه به یکدیگر می‌چسبند تا نیروی ایجاد شده در یک فیبر عضلانی به رشته بعدی منتقل شود. علاوه بر این، غشاهای سلولی با  اتصالات شکافی (Gap Junction) زیادی به هم می‌پیوندند که از طریق آن یون‌ها می‌توانند آزادانه از یک سلول عضلانی به سلول دیگر جریان پیدا کنند، به طوری که پتانسیل‌های عمل یا جریان یونی ساده بدون پتانسیل عمل می‌توانند از یک فیبر به فیبر دیگر حرکت کنند و باعث انقباض فیبرهای عضلانی با هم شوند.  این نوع ماهیچه صاف به دلیل اتصالات متقابل سنسیشیال بین فیبرها به عضله صاف سنسیشیال نیز معروف  است. به آن ماهیچه صاف احشایی نیز می‌ گویند زیرا در دیواره‌های اکثر احشاء بدن از جمله دستگاه گوارش، مجاری صفراوی، حالب، رحم و بسیاری از رگ‌های خونی یافت می‌شود.

مکانیسم انقباض در عضلات صاف

مبنای شیمیایی برای انقباض عضلات صاف

ماهیچه صاف دارای هر دو  رشته اکتین  و  میوزین است  که دارای ویژگی‌های شیمیایی مشابه رشته‌های اکتین و میوزین در ماهیچه‌های اسکلتی است. این شامل کمپلکس تروپونین طبیعی نیست که در کنترل انقباض عضلات اسکلتی مورد نیاز است، بنابراین مکانیسم کنترل انقباض متفاوت است. این موضوع بعداً در این فصل به تفصیل مورد بحث قرار می‌گیرد.

مطالعات شیمیایی نشان داده‌اند که رشته‌های اکتین و میوزین مشتق شده از ماهیچه‌های صاف، به همان شیوه‌ای که در ماهیچه‌های اسکلتی انجام می‌دهند، با یکدیگر تعامل دارند. علاوه بر این، فرآیند انقباض توسط یون‌های کلسیم فعال می‌شود و آدنوزین تری فسفات (ATP) به آدنوزین دی فسفات (ADP) تجزیه می‌شود تا انرژی برای انقباض فراهم شود.

با این حال، تفاوت‌های عمده‌ای بین سازمان فیزیکی ماهیچه صاف و ماهیچه اسکلتی وجود دارد، همچنین تفاوت‌هایی در جفت شدن تحریک-انقباض، کنترل فرآیند انقباض توسط یون‌های کلسیم، مدت زمان انقباض و مقدار انرژی مورد نیاز برای انقباض وجود دارد.

مبنای فیزیکی برای انقباض عضلات صاف

عضله صاف فاقد آرایش مخطط رشته‌های اکتین و میوزین است که در ماهیچه‌های اسکلتی وجود دارد. در عوض، تکنیک‌های میکروگرافیک الکترونی سازمان فیزیکی نشان داده شده در  شکل ۸-۲ را پیشنهاد می‌کنند. این شکل تعداد زیادی رشته اکتین متصل به  اجسام به اصطلاح متراکم (dense bodies) را نشان می‌دهد.  برخی از این اجسام به غشای سلولی متصل هستند. برخی دیگر در داخل سلول پراکنده می‌شوند. برخی از اجسام غشایی سلول‌های مجاور توسط پل‌های پروتئینی بین سلولی به یکدیگر متصل می‌شوند. عمدتاً از طریق این پیوندها است که نیروی انقباض از یک سلول به سلول دیگر منتقل می‌شود.

شکل ۸-۲ ساختار فیزیکی ماهیچه صاف. فیبر سمت چپ بالایی رشته‌های اکتین را نشان می‌دهد که به صورت شعاعی از اجسام متراکم خارج شده‌اند. فیبر پایین سمت چپ و نمودار سمت راست رابطه رشته‌های میوزین را با رشته‌های اکتین نشان می‌دهد.

در میان رشته‌های اکتین در فیبر عضلانی رشته‌های میوزین قرار دارند. قطر آنها بیش از دو برابر رشته‌های اکتین است. در میکروگراف‌های الکترونی، معمولاً رشته‌های اکتینی نسبت به رشته‌های میوزین ۵ تا ۱۰ برابر می‌باشند. 

در سمت راست شکل ۸-۲ یک ساختار فرضی از یک واحد انقباضی منفرد در یک سلول ماهیچه صاف نشان داده شده است. در هر واحد انقباضی سلول ماهیچه صاف تعداد زیادی رشته اکتین به صورت شعاعی از دو جسم متراکم خارج شده‌اند. انتهای این رشته‌ها بر روی یک رشته میوزین که در میانه راه بین اجسام متراکم قرار دارد همپوشانی دارند. این واحد انقباضی شبیه به واحد انقباضی عضله اسکلتی است، اما بدون منظم بودن ساختار عضله اسکلتی. در واقع، اجسام متراکم ماهیچه‌های صاف همان نقش دیسک‌ها و صفحه‌های Z را در عضله اسکلتی ایفا می‌کنند.

تفاوت دیگری نیز وجود دارد: بیشتر رشته‌های میوزین دارای پل‌های عرضی «قطبی کناری» (sidepolar) هستند که به‌گونه‌ای مرتب شده‌اند که پل‌های یک طرف در یک جهت و پل‌های طرف دیگر در جهت مخالف قرار می‌گیرند. این به میوزین اجازه می‌دهد تا یک رشته اکتین را در یک جهت در یک سمت بکشد در حالی که همزمان رشته دیگری را در جهت مخالف در سمت دیگر بکشد. ارزش این سازمان این است که به سلول‌های ماهیچه صاف اجازه می‌دهد تا ۸۰ درصد طول خود را منقبض کنند، به‌جای اینکه به کمتر از ۳۰ درصد محدود شوند، همانطور که در ماهیچه‌های اسکلتی اتفاق می‌افتد. [فاصله مفید انقباض عضله اسکلتی تنها حدود یک چهارم تا یک سوم طول زمان استراحت آن است در حالی‌که عضله صاف غالباً می‌تواند خود را بیش از دو سوم طول کشیده اش منقبض کند یعنی درصد کوتاه شدن عضله صاف بیش از درصد کوتاه شدن عضله اسکلتی است] 

مقایسه انقباض عضلات صاف و انقباض عضلات اسکلتی

اگرچه اکثر ماهیچه‌های اسکلتی به سرعت منقبض و شل می‌شوند، اکثر انقباضات ماهیچه صاف انقباض طولانی مدت تونیک است که گاهی چند ساعت یا حتی چند روز طول می‌کشد. بنابراین، انتظار می‌رود که هر دو ویژگی فیزیکی و شیمیایی عضله صاف در مقایسه با انقباض عضلات اسکلتی متفاوت باشد. در زیر به برخی از تفاوت‌ها اشاره می‌شود: 

چرخه کند پل‌های عرضی میوزین

سرعت چرخش پل‌های عرضی میوزین در ماهیچه صاف – یعنی اتصال آنها به اکتین، سپس آزاد شدن از اکتین و اتصال مجدد برای چرخه بعدی – بسیار کندتر از عضله اسکلتی است. در واقع، فرکانس آن به اندازه ۱/۱۰ تا ۱/۳۰۰ در عضله اسکلتی است. با این حال  اعتقاد بر این است که کسری از زمانی  که پل‌های عرضی به رشته‌های اکتین متصل می‌مانند، که عامل اصلی تعیین کننده نیروی انقباض است، در عضله صاف بسیار افزایش می‌یابد. یکی از دلایل احتمالی چرخه کُند این است که سرهای پل عرضی نسبت به ماهیچه‌های اسکلتی فعالیت ATPase بسیار کمتری دارند، بنابراین تخریب ATP که به حرکات سر پل‌های عرضی انرژی می‌دهد هم‌زمان با کاهش سرعت مربوط به جرخه، تا حد زیادی کاهش می‌یابد. 

نیاز به انرژی کم برای حفظ انقباض عضلات صاف

انرژی لازم برای حفظ انقباض در عضله صاف تنها ۱/۱۰ تا ۱/۳۰۰ انرژی لازم در عضله اسکلتی است. اعتقاد بر این است که این نیز ناشی از اتصال آهسته و چرخه جداشدگی پل‌های عرضی است و به این دلیل که برای هر چرخه، صرف نظر از مدت زمان، تنها یک مولکول ATP مورد نیاز است.

این مصرف کم انرژی توسط عضلات صاف برای صرفه جویی انرژی کلی بدن بسیار مهم است، زیرا اندام‌هایی مانند روده، مثانه، کیسه صفرا و سایر احشاء اغلب انقباض تونیک عضلات را تقریباً به طور نامحدود حفظ می‌کنند.

کندی شروع انقباض و شل شدن بافت ماهیچه صاف

یک بافت عضله صاف معمولی ۵۰ تا ۱۰۰ میلی ثانیه پس از تحریک شدن شروع به انقباض می‌کند، حدود ۰.۵ ثانیه بعد به انقباض کامل می‌رسد و سپس در ۱ تا ۲ ثانیه دیگر از نیروی انقباضی کاسته می‌شود و مجموع زمان انقباض آن ۱ تا ۳ ثانیه است. این حدود ۳۰ برابر طولانی‌تر از انقباض یک فیبر عضلانی اسکلتی ​​است. اما از آنجایی که ماهیچه‌های صاف انواع زیادی دارند، انقباض برخی از انواع آن می‌تواند ۰.۲ ثانیه یا ۳۰ ثانیه باشد.

شروع آهسته انقباض ماهیچه صاف و همچنین انقباض طولانی مدت آن به دلیل کندی اتصال و جدا شدن پل‌های عرضی با رشته‌های اکتین است. علاوه بر این، شروع انقباض در پاسخ به یون‌های کلسیم بسیار کندتر از ماهیچه‌های اسکلتی است، همانطور که لحظاتی بعد بحث می‌شود. 

اغلب در عضلات صاف حداکثر نیروی انقباض بیشتر از عضلات اسکلتی است.

علیرغم تعداد نسبتاً کم رشته‌های میوزین در عضله صاف، و با وجود زمان چرخه آهسته پل‌های عرضی، حداکثر نیروی انقباض عضله صاف اغلب بیشتر از عضله اسکلتی است – برای عضلات صاف، به اندازهٔ ۴ تا ۶ کیلوگرم بر سانتی متر مربع سطح مقطع عرضی در مقایسه با ۳ تا ۴ کیلوگرم سطح مقطع عرضی برای عضلات اسکلتی. این نیروی بزرگ انقباض ماهیچه‌های صاف ناشی از دوره طولانی اتصال پل‌های عرضی میوزین به رشته‌های اکتین است.

مکانیسم “قفل شدن” حفظ طولانی‌مدت انقباضات ماهیچه صاف را تسهیل می‌کند

هنگامی که عضله صاف انقباض کامل را ایجاد کرد، مقدار تحریک مداوم معمولاً می‌تواند به بسیار کمتر از سطح اولیه کاهش یابد، اما عضله نیروی کامل انقباض خود را حفظ می‌کند. علاوه بر این، انرژی مصرف شده برای حفظ انقباض اغلب ناچیز است، گاهی اوقات به اندازه ۱/۳۰۰ انرژی مورد نیاز برای انقباض پایدار عضلات اسکلتی. این مکانیسم “قفل شدن” (Latch) نامیده می‌شود.

اهمیت مکانیسم قفل شدن در این است که می‌تواند انقباضات تونیک طولانی مدت در ماهیچه صاف را با وجود مصرف کم انرژی برای ساعت‌ها حفظ کند. در ضمن سیگنال تحریکی کمی از رشته‌های عصبی یا منابع هورمونی مورد نیاز است.

تنش-آرامش عضلات صاف

یکی دیگر از ویژگی‌های مهم عضله صاف، به ویژه نوع واحد احشایی ماهیچه صاف بسیاری از اندام‌های توخالی، توانایی آن برای بازگشت تقریباً به  نیروی اولیه  انقباض چند ثانیه یا چند دقیقه پس از کشیده شدن یا کوتاه شدن آن است. به عنوان مثال، افزایش ناگهانی حجم مایع در مثانه، در نتیجه کشش ماهیچه صاف در دیواره مثانه، باعث افزایش فوری فشار در مثانه می‌شود. با این حال، در طول ۱۵ ثانیه تا یک دقیقه یا بیشتر، با وجود ادامه کشش دیواره مثانه، فشار تقریباً دقیقاً به سطح اولیه باز می‌گردد. سپس، هنگامی که حجم یک مرحله دیگر افزایش می‌یابد، دوباره همان اثر رخ می‌دهد.

برعکس، هنگامی که حجم به طور ناگهانی کاهش می‌یابد، فشار در ابتدا به شدت کاهش می‌یابد اما پس از چند ثانیه یا چند دقیقه دیگر به سطح اولیه یا نزدیک به آن افزایش می‌یابد. به این پدیده‌ها  تنش-آرامش (stress-relaxation)  و  تنش-آرامش معکوس (reverse stress-relaxation) می‌گویند.  اهمیت آنها در این است که، به جز برای دوره‌های زمانی کوتاه، به اندام توخالی اجازه می‌دهند تا با وجود تغییرات طولانی مدت و زیاد در حجم، تقریباً همان مقدار فشار را در داخل لومن خود حفظ کند.

تنظیم انقباض توسط یون‌های کلسیم

همانطور که در مورد ماهیچه‌های اسکلتی صدق می‌کند، محرک آغاز کننده اکثر انقباضات عضلات صاف افزایش یون‌های کلسیم داخل سلولی است. این افزایش می‌تواند در انواع مختلف عضله صاف به دلیل تحریک عصبی فیبر ماهیچه صاف، تحریک هورمونی، کشش فیبر و یا حتی تغییر در محیط شیمیایی فیبر ایجاد شود.

با این حال ماهیچه صاف حاوی تروپونین نیست، پروتئین تنظیمی‌که توسط یون‌های کلسیم فعال می‌شود و باعث انقباض عضلات اسکلتی می‌شود. در عوض، انقباض عضله صاف با مکانیسم کاملا متفاوتی فعال می‌شود، به شرح زیر.

ترکیب یون‌های کلسیم با کالمودولین باعث فعال شدن میوزین کیناز و فسفوریلاسیون سر میوزین می‌شود.

به جای تروپونین، سلول‌های ماهیچه صاف حاوی مقدار زیادی پروتئین تنظیم کننده دیگر به نام  کالمودولین هستند  (شکل ۸-۳).  اگرچه این پروتئین شبیه تروپونین است، اما از نظر نحوه شروع انقباض متفاوت است. کالمودولین این کار را با فعال کردن پل‌های متقاطع میوزین انجام می‌دهد. این فعال سازی و انقباض بعدی به ترتیب زیر رخ می‌دهد:

۱. یون‌های کلسیم با کالمودولین متصل می‌شوند.

۲. سپس کمپلکس کالمودولین-کلسیم با  زنجیره سبک کیناز میوزین که  یک آنزیم فسفریله کننده است می‌پیوندد و آن را فعال می‌کند.

۳. یکی از زنجیره‌های سبک هر سر میوزین به نام  زنجیره تنظیم کننده  در پاسخ به این میوزین کیناز فسفریله می‌شود. هنگامی‌که این زنجیره فسفریله نشده باشد، چرخه اتصال- جدا شدن سر میوزین با رشته اکتین رخ نمی‌دهد. اما هنگامی‌که زنجیره تنظیمی‌فسفریله می‌شود، سر این قابلیت را دارد که به طور مکرر با رشته اکتین متصل شود و در کل فرآیند دوچرخه سواری “کشش‌های” متناوب انجام شود، همان چیزی که برای ماهیچه‌های اسکلتی اتفاق می‌افتد، بنابراین باعث انقباض عضلانی می‌شود.

شکل ۸-۳ غلظت یون کلسیم داخل سلولی (⁺⁺Ca) زمانی افزایش می‌یابد که ⁺⁺Ca  از طریق کانال‌های کلسیم در غشای سلولی یا شبکه سارکوپلاسمی‌(SR) وارد سلول می‌شود. ⁺⁺Ca  به کالمودولین متصل می‌شود تا یک کمپلکس Ca⁺⁺ -calmodulin تشکیل دهد که سپس زنجیره سبک کیناز میوزین (MLCK) را فعال می‌کند. MLCK زنجیره سبک میوزین (MLC) را فسفریله می‌کند که منجر به انقباض عضله صاف می‌شود. هنگامی که  غلظت ⁺⁺Ca کاهش می‌یابد، به دلیل پمپاژ کلسیم  به خارج از سلول، این روند معکوس می‌شود و میوزین فسفاتاز فسفات را از MLC حذف می‌کند و منجر به آرامش می‌شود.

میوزین فسفاتاز در قطع انقباض مهم است

هنگامی‌که غلظت یون کلسیم به زیر سطح بحرانی می‌رسد، فرآیندهای فوق به‌جز فسفوریلاسیون سر میوزین به طور خودکار معکوس می‌شوند. معکوس شدن این امر به آنزیم دیگری به نام  میوزین فسفاتاز (نگاه کنید به  شکل ۸-۳) نیاز دارد  که در سیتوزول سلول عضله صاف قرار دارد و فسفات را از زنجیره سبک تنظیمی‌جدا می‌کند. سپس دوچرخه سواری متوقف می‌شود و انقباض متوقف می‌شود. بنابراین زمان مورد نیاز برای شل شدن انقباض عضلانی تا حد زیادی با مقدار میوزین فسفاتاز فعال در سلول تعیین می‌شود.

مکانیسم ممکن برای تنظیم پدیده چفت

به دلیل اهمیت پدیده لچ در عضله صاف و به دلیل اینکه این پدیده امکان حفظ طولانی مدت تون در بسیاری از اندام‌های ماهیچه صاف را بدون صرف انرژی زیاد می‌دهد، تلاش‌های زیادی برای توضیح آن صورت گرفته است. در میان بسیاری از مکانیسم‌هایی که فرض شده است، یکی از ساده ترین آنها موارد زیر است.

هنگامی‌که آنزیم‌های میوزین کیناز و میوزین فسفاتاز هر دو به شدت فعال می‌شوند، فرکانس چرخش سرهای میوزین و سرعت انقباض زیاد است. سپس، با کاهش فعال شدن آنزیم‌ها، فرکانس چرخش کاهش می‌یابد، اما در عین حال، غیرفعال شدن این آنزیم‌ها به سرهای میوزین اجازه می‌دهد تا برای مدت طولانی تر و طولانی تری از دوره دوچرخه سواری به رشته اکتین متصل بمانند. بنابراین، تعداد سرهای متصل به رشته اکتین در هر زمان معین زیاد باقی می‌ماند. از آنجا که تعداد سرهای متصل به اکتین، نیروی ساکن انقباض را تعیین می‌کند، کشش حفظ می‌شود یا “چفت” می‌شود. اما انرژی کمی‌توسط عضله استفاده می‌شود زیرا ATP به ADP تجزیه نمی‌شود مگر در موارد نادری که سر جدا می‌شود.

کنترل عصبی و هورمونی انقباض عضلات صاف

اگرچه فیبرهای عضلانی اسکلتی منحصراً توسط سیستم عصبی تحریک می‌شوند، ماهیچه صاف را می‌توان با انواع مختلفی از سیگنال‌ها تحریک کرد تا منقبض شوند: با سیگنال‌های عصبی، توسط تحریک هورمونی، با کشش عضله، و به چندین روش دیگر. دلیل اصلی این تفاوت این است که غشای عضله صاف حاوی انواع مختلفی از پروتئین‌های گیرنده است که می‌توانند فرآیند انقباض را آغاز کنند. پروتئین‌های گیرنده دیگر انقباض عضلات صاف را مهار می‌کنند که تفاوت دیگری با ماهیچه‌های اسکلتی است. بنابراین در این قسمت به کنترل عصبی انقباض عضلات صاف و به دنبال آن کنترل هورمونی و سایر روش‌های کنترل می‌پردازیم.

اتصالات عصبی عضلانی عضلات صاف

آناتومی‌فیزیولوژیک اتصالات عصبی عضلانی عضلات صاف

اتصالات عصبی عضلانی از نوع بسیار ساختار یافته که در فیبرهای عضلانی اسکلتی یافت می‌شود در ماهیچه صاف رخ نمی‌دهد. درعوض، رشته‌های  عصبی خودمختار  که عضله صاف را عصب دهی می‌کنند، عموماً به طور پراکنده در بالای ورقه ای از رشته‌های عضلانی منشعب می‌شوند، همانطور که در  شکل ۸-۴ نشان داده شده است. در بیشتر موارد، این فیبرها تماس مستقیمی‌با غشای سلولی فیبر عضلانی صاف ندارند، اما در عوض به اصطلاح  اتصالات پراکنده ایجاد می‌کنند. که ماده فرستنده خود را در پوشش ماتریکس عضله صاف ترشح می‌کنند که اغلب در فاصله چند نانومتری تا چند میکرومتری از سلول‌های ماهیچه ای قرار دارند. سپس ماده فرستنده به سلول‌ها منتشر می‌شود. علاوه بر این، در جایی که لایه‌های زیادی از سلول‌های عضلانی وجود دارد، رشته‌های عصبی اغلب فقط لایه بیرونی را عصب می‌کنند. تحریک عضلانی از این لایه بیرونی به لایه‌های داخلی با هدایت پتانسیل عمل در توده عضلانی یا با انتشار اضافی ماده فرستنده حرکت می‌کند.

شکل ۸-۴ عصب دهی ماهیچه صاف.

آکسون‌هایی که فیبرهای عضلانی صاف را عصب دهی می‌کنند، دارای پایه‌های انتهایی انشعاب معمولی از نوع صفحه انتهایی حرکتی روی رشته‌های عضلانی اسکلتی نیستند. در عوض، اکثر آکسون‌های انتهایی ظریف دارای  واریس‌های متعددی هستند  که در امتداد محورهای خود توزیع شده اند. در این نقاط  سلول‌های شوان  که آکسون‌ها را می‌پوشانند قطع می‌شوند تا ماده فرستنده از طریق دیواره‌های واریکوسیته ترشح شود. در واریس‌ها وزیکول‌هایی شبیه به وزیکول‌های موجود در صفحه انتهایی عضله اسکلتی وجود دارد که حاوی ماده فرستنده است. اما بر خلاف وزیکول‌های محل اتصال ماهیچه‌های اسکلتی که همیشه حاوی استیل کولین هستند، وزیکول‌های انتهای رشته‌های عصبی خودمختار حاوی  استیل کولین  در برخی رشته‌ها و  نوراپی نفرین هستند. در سایرین – و گاهاً مواد دیگر نیز.

در موارد معدودی، به‌ویژه در نوع چند واحدی ماهیچه‌های صاف، واریکوسیته‌ها از غشای سلول عضلانی به اندازه ۲۰ تا ۳۰ نانومتر جدا می‌شوند – همان عرض شکاف سیناپسی که در محل اتصال ماهیچه‌های اسکلتی رخ می‌دهد. اینها  اتصالات تماسی نامیده می‌شوند  و عملکرد آنها تقریباً مشابه اتصال عصبی عضلانی عضله اسکلتی است. سرعت انقباض این فیبرهای عضلانی صاف به طور قابل توجهی سریعتر از الیاف تحریک شده توسط اتصالات منتشر است.

مواد فرستنده تحریکی و بازدارنده ترشح شده در محل اتصال عصبی عضلانی ماهیچه صاف

مهم ترین مواد فرستنده ترشح شده توسط اعصاب خودمختار عضله صاف  استیل کولین  و  نوراپی نفرین هستند،  اما هرگز توسط رشته‌های عصبی مشابهی ترشح نمی‌شوند. استیل کولین یک ماده فرستنده تحریک کننده برای فیبرهای عضلانی صاف در برخی از اندام‌ها است اما یک فرستنده بازدارنده برای عضلات صاف در سایر اندام‌ها است. هنگامی‌که استیل کولین فیبر عضلانی را تحریک می‌کند، نوراپی نفرین معمولاً آن را مهار می‌کند. برعکس، وقتی استیل کولین فیبر را مهار می‌کند، نوراپی نفرین معمولاً آن را تحریک می‌کند.

اما چرا این پاسخ‌ها متفاوت است؟ پاسخ این است که هم استیل کولین و هم نوراپی نفرین با اتصال به  پروتئین گیرنده  در سطح غشای سلول عضلانی، عضله صاف را تحریک یا مهار می‌کنند. برخی از پروتئین‌های گیرنده گیرنده‌های  تحریک کننده هستند،  در حالی که برخی دیگر  گیرنده‌های مهاری هستند.  بنابراین، نوع گیرنده تعیین می‌کند که آیا ماهیچه صاف مهار یا برانگیخته شده است و همچنین تعیین می‌کند که کدام یک از دو فرستنده، استیل کولین یا نوراپی نفرین، در ایجاد تحریک یا مهار مؤثر است. این گیرنده‌ها با جزئیات بیشتری در  فصل ۶۰  در رابطه با عملکرد سیستم عصبی خودمختار مورد بحث قرار می‌گیرند.

پتانسیل‌های غشایی و پتانسیل‌های عمل در عضلات صاف

پتانسیل‌های غشایی در عضلات صاف

ولتاژ کمی‌پتانسیل غشایی عضله صاف به وضعیت لحظه ای عضله بستگی دارد. در حالت استراحت طبیعی، پتانسیل درون سلولی معمولاً حدود ۵۰- تا ۶۰- میلی ولت است که حدود ۳۰ میلی ولت کمتر از ماهیچه‌های اسکلتی منفی است.

پتانسیل‌های عمل در عضلات صاف یکپارچه

پتانسیل عمل در ماهیچه صاف واحد (مانند عضله احشایی) به همان شکلی که در عضله اسکلتی رخ می‌دهد رخ می‌دهد. همانطور که در بخش بعدی توضیح داده شد، معمولاً در اکثر انواع ماهیچه‌های صاف چند واحدی رخ نمی‌دهند.

پتانسیل عمل عضله صاف احشایی به یکی از دو شکل رخ می‌دهد: (۱) پتانسیل سنبله یا (۲) پتانسیل عمل با پلاتو.

پتانسیل‌های سنبله

پتانسیل عمل سنبله معمولی، مانند آنهایی که در عضله اسکلتی مشاهده می‌شود، در اکثر انواع عضله صاف واحد رخ می‌دهد. مدت زمان این نوع پتانسیل عمل ۱۰ تا ۵۰ میلی ثانیه است، همانطور که در  شکل ۸-۵ A نشان داده شده است.  چنین پتانسیل‌های عملی را می‌توان به روش‌های مختلفی برانگیخت، به عنوان مثال، با تحریک الکتریکی، با عمل هورمون‌ها بر روی ماهیچه صاف، با عمل مواد فرستنده از رشته‌های عصبی، با کشش، یا در نتیجه تولید خود به خود در عضله. خود فیبر، همانطور که در ادامه بحث شد.

شکل ۸-۵  الف،  پتانسیل عمل عضله صاف معمولی (پتانسیل سنبله) که توسط یک محرک خارجی ایجاد می‌شود. ب،  پتانسیل‌های پیک تکراری، که توسط امواج الکتریکی ریتمیک آهسته که به طور خود به خود در عضله صاف دیواره روده ایجاد می‌شود، ایجاد می‌شود. ج،  پتانسیل عمل با یک پلاتو، ثبت شده از فیبر عضلانی صاف رحم.

پتانسیل‌های عمل با Plateaus

شکل ۸-۵ C  پتانسیل عمل عضله صاف را با فلات نشان می‌دهد. شروع این پتانسیل عمل شبیه به پتانسیل سنبله معمولی است. با این حال، به جای رپولاریزاسیون سریع غشای فیبر عضلانی، رپلاریزاسیون چند صد تا ۱۰۰۰ میلی ثانیه (۱ ثانیه) به تاخیر می‌افتد. اهمیت فلات در این است که می‌تواند دلیل انقباض طولانی مدتی باشد که در برخی از انواع ماهیچه‌های صاف مانند حالب، رحم تحت برخی شرایط و انواع خاصی از عضلات صاف عروق رخ می‌دهد. (همچنین، این نوع پتانسیل عملی است که در فیبرهای عضلانی قلبی که دوره انقباض طولانی دارند دیده می‌شود، همانطور که در  فصل‌های ۹  و  ۱۰ مورد بحث قرار گرفت.)

کانال‌های کلسیم در ایجاد پتانسیل عمل ماهیچه‌های صاف مهم هستند

غشای سلولی عضله صاف کانال‌های کلسیمی‌بسیار بیشتری نسبت به ماهیچه‌های اسکلتی دارد، اما کانال‌های سدیمی‌با ولتاژ کمی‌دارند. بنابراین، سدیم در تولید پتانسیل عمل در اکثر عضلات صاف شرکت کمی‌دارد. در عوض، جریان یون‌های کلسیم به داخل فیبر عمدتاً مسئول پتانسیل عمل است. این امر به همان روشی که برای کانال‌های سدیم در رشته‌های عصبی و در رشته‌های عضلانی اسکلتی رخ می‌دهد، اتفاق می‌افتد. با این حال، کانال‌های کلسیم چندین برابر کندتر از کانال‌های سدیم باز می‌شوند و همچنین برای مدت طولانی تری باز می‌مانند. این به میزان زیادی پتانسیل عمل طولانی مدت فلات برخی از فیبرهای عضلانی صاف را نشان می‌دهد.

یکی دیگر از ویژگی‌های مهم ورود یون کلسیم به سلول‌ها در طی پتانسیل عمل این است که یون‌های کلسیم مستقیماً بر روی مکانیسم انقباض ماهیچه صاف عمل کرده و باعث انقباض می‌شوند. بنابراین، کلسیم دو وظیفه را همزمان انجام می‌دهد.

پتانسیل‌های موج آهسته در عضلات صاف یکپارچه می‌تواند منجر به تولید خودبه‌خودی پتانسیل‌های عمل شود.

برخی از ماهیچه‌های صاف خود تحریک کننده هستند. یعنی پتانسیل عمل در درون خود سلول‌های عضله صاف بدون محرک بیرونی ایجاد می‌شود. این اغلب با یک  ریتم اصلی موج آهسته  پتانسیل غشا همراه است. یک موج آهسته معمولی در عضله صاف احشایی روده در  شکل ۸-۵ B نشان داده شده است.  خود موج آهسته پتانسیل عمل نیست. یعنی این یک فرآیند خودبازسازی نیست که به تدریج روی غشاهای فیبرهای عضلانی پخش شود. در عوض، این خاصیت محلی فیبرهای عضلانی صاف است که توده عضلانی را تشکیل می‌دهند.

علت ریتم امواج آهسته ناشناخته است. یک پیشنهاد این است که امواج آهسته ناشی از اپیلاسیون و کاهش پمپاژ یون‌های مثبت (احتمالاً یون‌های سدیم) به بیرون از طریق غشای فیبر عضلانی است. یعنی وقتی سدیم به سرعت پمپ می‌شود پتانسیل غشا منفی تر می‌شود و وقتی پمپ سدیم کمتر فعال می‌شود منفی تر می‌شود. پیشنهاد دیگر این است که رسانایی کانال‌های یونی به صورت ریتمیک افزایش و کاهش می‌یابد.

اهمیت امواج آهسته در این است که وقتی به اندازه کافی قوی باشند، می‌توانند پتانسیل‌های عمل را آغاز کنند. امواج آهسته خود نمی‌توانند باعث انقباض عضلانی شوند. با این حال، هنگامی‌که اوج پتانسیل موج آهسته منفی در داخل غشای سلولی در جهت مثبت از ۶۰- به حدود ۳۵- میلی ولت (آستانه تقریبی برای برانگیختن پتانسیل‌های عمل در بیشتر عضلات صاف احشایی) افزایش می‌یابد، یک پتانسیل عمل ایجاد می‌شود و در آن گسترش می‌یابد. توده عضلانی و انقباض رخ می‌دهد. شکل ۸-۵ B  این اثر را نشان می‌دهد و نشان می‌دهد که در هر پیک موج آهسته، یک یا چند پتانسیل عمل رخ می‌دهد. این توالی‌های تکراری پتانسیل‌های عمل باعث انقباض ریتمیک توده عضلانی صاف می‌شود. بنابراین امواج آهسته را امواج  ضربان ساز می‌نامند.  که در در فصل ۶۲، می‌بینیم که این نوع فعالیت ضربان ساز، انقباضات ریتمیک روده را کنترل می‌کند.

تحریک عضله صاف احشایی با کشش عضلانی

وقتی عضله صاف احشایی (یونیتی) به اندازه کافی کشیده شود، معمولاً پتانسیل‌های عمل خود به خودی ایجاد می‌شود. آنها از ترکیبی از (۱) پتانسیل موج آهسته معمولی و (۲) کاهش منفی کلی پتانسیل غشا ناشی از خود کشش ناشی می‌شوند. این پاسخ به کشش باعث می‌شود که دیواره روده، زمانی که بیش از حد کشیده می‌شود، به طور خودکار و ریتمیک منقبض شود. به عنوان مثال، هنگامی‌که روده بیش از حد از محتویات روده پر می‌شود، انقباضات خودکار موضعی اغلب امواج پریستالتیک ایجاد می‌کند که محتویات را از روده پر شده دور می‌کند، معمولاً در جهت مقعد.

دپلاریزاسیون عضله صاف چند واحدی بدون پتانسیل عمل

فیبرهای عضلانی صاف عضله صاف چند واحدی (مانند عضله عنبیه چشم یا عضله پیلوئرکتور هر مو) معمولاً در پاسخ به محرک‌های عصبی منقبض می‌شوند. پایانه‌های عصبی در مورد برخی از عضلات صاف چند واحدی استیل کولین و در مورد برخی دیگر نوراپی نفرین ترشح می‌کنند. در هر دو مورد، مواد فرستنده باعث دپلاریزاسیون غشای عضله صاف می‌شوند و این به نوبه خود باعث انقباض می‌شود. پتانسیل عمل معمولاً توسعه نمی‌یابد. دلیل آن این است که الیاف برای تولید پتانسیل عمل بسیار کوچک هستند. (زمانی که پتانسیل عمل در  عضله صاف واحد احشایی برانگیخته می‌شود، ۳۰ تا ۴۰ فیبر عضلانی صاف باید به طور همزمان دپلاریزه شوند قبل از اینکه پتانسیل عمل خود تکثیر پیدا کند.) با این حال در سلول‌های ماهیچه صاف کوچک، حتی بدون پتانسیل عمل، دپلاریزاسیون موضعی (به نام  پتانسیل اتصالی) ناشی از خود ماده فرستنده عصبی گسترش می‌یابد. به صورت الکتروتونیک روی کل فیبر قرار می‌گیرد و تمام چیزی است که برای ایجاد انقباض عضلانی لازم است.

تأثیر عوامل و هورمون‌های بافتی موضعی در ایجاد انقباض عضلات صاف بدون پتانسیل عمل

احتمالاً نیمی‌از تمام انقباضات ماهیچه صاف توسط عوامل محرکی شروع می‌شود که مستقیماً بر روی دستگاه انقباض ماهیچه صاف و بدون پتانسیل عمل تأثیر می‌گذارد. دو نوع از عوامل تحریک کننده بالقوه غیر عصبی و غیرعملی اغلب درگیر هستند (۱) عوامل شیمیایی بافت محلی و (۲) هورمون‌های مختلف.

انقباض عضلات صاف در پاسخ به عوامل شیمیایی بافت محلی

در  فصل ۱۷، کنترل انقباض شریان‌ها، متا شریان‌ها و اسفنکترهای پیش مویرگی را مورد بحث قرار می‌دهیم. کوچکترین این رگها منبع عصبی کمی‌دارند یا اصلاً وجود ندارند. با این حال عضله صاف بسیار انقباض است و به سرعت به تغییرات شرایط شیمیایی موضعی در مایع بینابینی اطراف واکنش نشان می‌دهد.

در حالت استراحت طبیعی، بسیاری از این رگ‌های خونی کوچک منقبض می‌مانند. اما زمانی که جریان خون اضافی به بافت ضروری باشد، عوامل متعددی می‌توانند دیواره رگ را شل کنند و در نتیجه جریان را افزایش دهند. به این ترتیب، یک سیستم کنترل بازخورد محلی قدرتمند، جریان خون را در ناحیه بافت محلی کنترل می‌کند. برخی از عوامل کنترل خاص به شرح زیر است:

۱. کمبود اکسیژن در بافت‌های موضعی باعث شل شدن عضلات صاف و در نتیجه اتساع عروق می‌شود.

۲. دی اکسید کربن اضافی باعث اتساع عروق می‌شود.

۳. افزایش غلظت یون هیدروژن باعث اتساع عروق می‌شود.

آدنوزین، اسید لاکتیک، افزایش یون‌های پتاسیم، کاهش غلظت یون کلسیم و افزایش دمای بدن همگی می‌توانند باعث اتساع موضعی عروق شوند.

اثرات هورمون‌ها بر انقباض عضلات صاف

بسیاری از هورمون‌های در گردش خون تا حدی بر انقباض عضلات صاف تأثیر می‌گذارند و برخی نیز تأثیرات عمیقی دارند. از جمله مهمترین آنها می‌توان به  نوراپی نفرین، اپی نفرین، استیل کولین، آنژیوتانسین، اندوتلین، وازوپرسین، اکسی توسین، سروتونین  و  هیستامین اشاره کرد.

زمانی که غشای سلولی عضلانی حاوی  گیرنده‌های تحریک کننده  هورمون مربوطه باشد، یک هورمون باعث انقباض ماهیچه صاف می‌شود. برعکس، اگر غشاء حاوی  گیرنده‌های بازدارنده  هورمون باشد تا گیرنده‌های تحریک کننده، هورمون باعث مهار می‌شود.

مکانیسم‌های تحریک یا مهار عضلات صاف توسط هورمون‌ها یا عوامل بافتی محلی

برخی از گیرنده‌های هورمونی در غشای عضله صاف، کانال‌های یونی سدیم یا کلسیم را باز می‌کنند و غشا را دپولاریزه می‌کنند، مانند پس از تحریک عصبی. گاهی اوقات پتانسیل‌های عمل به نتیجه می‌رسند، یا پتانسیل‌های عملی که در حال حاضر رخ می‌دهند ممکن است تقویت شوند. در موارد دیگر، دپلاریزاسیون بدون پتانسیل عمل رخ می‌دهد و این دپلاریزاسیون اجازه ورود یون کلسیم به سلول را می‌دهد که انقباض را تقویت می‌کند.

در مقابل، مهار زمانی اتفاق می‌افتد که هورمون (یا سایر عوامل بافتی)  کانال‌های سدیم و کلسیم را ببندد  تا از ورود این یون‌های مثبت جلوگیری کند. همچنین اگر کانال‌های پتاسیمی‌که معمولاً بسته هستند باز شوند و یون‌های مثبت پتاسیم به بیرون از سلول منتشر شوند، مهار نیز رخ می‌دهد . هر دوی این اقدامات درجه منفی بودن را در داخل سلول عضلانی افزایش می‌دهند، حالتی به نام ‌هایپرپلاریزاسیون  که به شدت انقباض عضلانی را مهار می‌کند.

گاهی اوقات انقباض یا مهار ماهیچه صاف توسط هورمون‌ها بدون ایجاد تغییر مستقیم در پتانسیل غشاء آغاز می‌شود. در این موارد، هورمون ممکن است گیرنده غشایی را فعال کند که هیچ کانال یونی را باز نمی‌کند، اما در عوض باعث تغییر درونی فیبر عضلانی، مانند آزاد شدن یون‌های کلسیم از شبکه سارکوپلاسمی‌داخل سلولی می‌شود. سپس کلسیم باعث انقباض می‌شود. برای مهار انقباض، مکانیسم‌های گیرنده دیگری شناخته شده‌اند که آنزیم  آدنیلات سیکلاز  یا  گوانیلات سیکلاز  را در غشای سلولی فعال می‌کنند. بخش‌هایی از گیرنده‌هایی که به داخل سلول‌ها بیرون زده‌اند به این آنزیم‌ها جفت می‌شوند و باعث تشکیل  آدنوزین مونوفسفات حلقوی  (cAMP)  می‌شوند.گوانوزین مونوفسفات حلقوی  (cGMP)، به اصطلاح  پیام رسان دوم.  cAMP یا cGMP اثرات زیادی دارد که یکی از آنها تغییر درجه فسفوریلاسیون چندین آنزیم است که به طور غیر مستقیم انقباض را مهار می‌کنند. پمپی که یون‌های کلسیم را از سارکوپلاسم به داخل شبکه سارکوپلاسمی‌منتقل می‌کند، و همچنین پمپ غشای سلولی که یون‌های کلسیم را از خود سلول خارج می‌کند، فعال می‌شود. این اثرات باعث کاهش غلظت یون کلسیم در سارکوپلاسم می‌شود و در نتیجه انقباض را مهار می‌کند.

ماهیچه‌های صاف تنوع قابل توجهی در نحوه شروع انقباض یا آرامش در پاسخ به هورمون‌ها، انتقال دهنده‌های عصبی و سایر مواد مختلف دارند. در برخی موارد، یک ماده ممکن است باعث شل شدن یا انقباض عضلات صاف در مکان‌های مختلف شود. به عنوان مثال، نوراپی نفرین انقباض ماهیچه صاف روده را مهار می‌کند اما انقباض ماهیچه صاف در رگ‌های خونی را تحریک می‌کند.

منبع یون‌های کلسیم که باعث انقباض از طریق غشای سلولی و از شبکه سارکوپلاسمی‌می‌شوند.

اگرچه فرآیند انقباض در عضلات صاف، مانند ماهیچه‌های اسکلتی، توسط یون‌های کلسیم فعال می‌شود، منبع یون‌های کلسیم متفاوت است. یک تفاوت مهم این است که شبکه سارکوپلاسمی، که تقریباً تمام یون‌های کلسیم را برای انقباض ماهیچه‌های اسکلتی فراهم می‌کند، در اکثر عضلات صاف تنها اندکی توسعه یافته است. در عوض، بیشتر یون‌های کلسیم که باعث انقباض می‌شوند، از مایع خارج سلولی در زمان پتانسیل عمل یا سایر محرک‌ها وارد سلول عضلانی می‌شوند. یعنی غلظت یون‌های کلسیم در مایع خارج سلولی بیشتر از ۱۰-۳  مولر است، در مقایسه با کمتر از ۱۰-۷. مولر داخل سلول عضله صاف؛ این باعث انتشار سریع یون‌های کلسیم به داخل سلول از مایع خارج سلولی با باز شدن کانال‌های کلسیم می‌شود. زمان لازم برای این انتشار به طور متوسط ​​۲۰۰ تا ۳۰۰ میلی ثانیه است و  دوره نهفته  قبل از شروع انقباض نامیده می‌شود. این دوره نهفته برای ماهیچه صاف حدود ۵۰ برابر انقباض عضلات اسکلتی است.

نقش شبکه سارکوپلاسمی‌عضلات صاف

شکل ۸-۶  چند لوله سارکوپلاسمی‌کمی‌توسعه یافته را نشان می‌دهد که در نزدیکی غشای سلولی در برخی از سلول‌های عضله صاف بزرگتر قرار دارند. فرورفتگی‌های کوچک غشای سلولی به نام  caveolae  به سطوح این لوله‌ها می‌رسد. caveolae یک آنالوگ ابتدایی از سیستم لوله عرضی عضله اسکلتی را نشان می‌دهد. هنگامی‌که یک پتانسیل عمل به داخل caveolae منتقل می‌شود، اعتقاد بر این است که این امر باعث تحریک آزاد شدن یون کلسیم از لوله‌های سارکوپلاسمی‌نزدیک می‌شود، به همان روشی که پتانسیل عمل در لوله‌های عرضی عضله اسکلتی باعث آزاد شدن یون‌های کلسیم از لوله‌های سارکوپلاسمی‌طولی عضله اسکلتی می‌شود. به طور کلی، هرچه شبکه سارکوپلاسمی‌در فیبر ماهیچه صاف گسترده تر باشد، سریعتر منقبض می‌شود.

شکل ۸-۶ لوله‌های سارکوپلاسمی‌ در یک فیبر عضلانی صاف بزرگ که رابطه آنها را با فرورفتگی در غشای سلولی به نام  caveolae نشان می‌دهد.

انقباض عضلات صاف به غلظت یون کلسیم خارج سلولی بستگی دارد

اگرچه تغییر غلظت یون کلسیم مایع خارج سلولی از حالت طبیعی تأثیر کمی‌بر نیروی انقباض عضله اسکلتی دارد، اما این برای اکثر عضلات صاف صادق نیست. هنگامی‌که غلظت یون کلسیم مایع خارج سلولی به حدود ۱/۳ تا ۱/۱۰ طبیعی کاهش می‌یابد، انقباض عضلات صاف معمولاً متوقف می‌شود. بنابراین، نیروی انقباض عضله صاف معمولاً به شدت به غلظت یون کلسیم مایع خارج سلولی وابسته است.

پمپ کلسیم برای ایجاد آرامش عضلات صاف مورد نیاز است

برای ایجاد آرامش عضله صاف پس از انقباض، یون‌های کلسیم باید از مایعات داخل سلولی خارج شوند. این حذف توسط یک  پمپ  کلسیم انجام می‌شود که یون‌های کلسیم را از فیبر ماهیچه صاف به داخل مایع خارج سلولی یا در صورت وجود به شبکه سارکوپلاسمی‌پمپ می‌کند. این پمپ در مقایسه با پمپ شبکه سارکوپلاسمی‌سریع الاثر در عضله اسکلتی کند عمل می‌کند. بنابراین، یک انقباض عضله صاف اغلب برای چند ثانیه طول می‌کشد تا صدم تا دهم ثانیه، همانطور که برای ماهیچه‌های اسکلتی اتفاق می‌افتد. 

کتاب درسی فیزیولوژی پزشکی گایتون و‌ هال، ویرایش دوازدهم فصل ۸