تحریک ماهیچه اسکلتی؛ انتقال عصبی عضلانی و زوج تحریک – انقباض

انتقال تکانه‌ها از انتهای عصبی به فیبرهای عضلانی اسکلتی: اتصال عصبی عضلانی

رشته‌های عضلانی اسکلتی توسط رشته‌های عصبی بزرگ و میلین دار عصب دهی می‌شوند که از نورون‌های حرکتی بزرگ در شاخ‌های قدامی‌طناب نخاعی منشا می‌گیرند. همانطور که در فصل ۶ اشاره شد، هر رشته عصبی پس از ورود به شکم ماهیچه، به طور معمول از سه تا چند صد فیبر عضلانی اسکلتی منشعب می‌شود و تحریک می‌شود. هر انتهای عصبی یک اتصال به نام  اتصال عصبی عضلانی را  با فیبر عضلانی نزدیک به نقطه میانی خود ایجاد می‌کند. پتانسیل عمل آغاز شده در فیبر عضلانی توسط سیگنال عصبی در هر دو جهت به سمت انتهای فیبر عضلانی حرکت می‌کند. به استثنای حدود ۲ درصد از فیبرهای عضلانی، تنها یک چنین اتصال در هر فیبر عضلانی وجود دارد.

آناتومی‌فیزیولوژیک اتصال عصبی عضلانی – صفحه انتهایی موتور

شکل ۷-۱ A  و  B  اتصال عصبی عضلانی را از یک فیبر عصبی بزرگ و میلین دار به یک فیبر عضلانی اسکلتی نشان می‌دهد. فیبر عصبی مجموعه ای از  پایانه‌های عصبی منشعب را تشکیل می‌دهد  که به سطح فیبر عضلانی نفوذ می‌کنند اما خارج از غشای پلاسمایی فیبر عضلانی قرار دارند. کل ساختار  صفحه انتهایی موتور نامیده می‌شود.  توسط یک یا چند سلول شوان پوشیده شده است که آن را از مایعات اطراف عایق می‌کنند.

شکل ۷-۱ نماهای مختلف صفحه انتهایی موتور. A،  مقطع طولی از طریق صفحه انتهایی. ب،  نمای سطحی صفحه انتهایی. ج،  ظاهر میکروگرافیک الکترونی نقطه تماس بین یک پایانه آکسون و غشای فیبر عضلانی.

(برگرفته شده از Fawcett DW، همانطور که از Couteaux R اصلاح شده است، در Bloom W، Fawcett DW: A Textbook of Histology. Philadelphia: WB Saunders، ۱۹۸۶.)

شکل ۷-۱ C  یک طرح میکروگرافیک الکترونی از محل اتصال بین یک پایانه آکسون منفرد و غشای فیبر عضلانی را نشان می‌دهد. غشای دررفته را  ناودان سیناپسی  یا  ناودان سیناپسی و فضای بین پایانه و غشای فیبر را  فضای سیناپسی  یا  شکاف سیناپسی می‌نامند.  این فضا ۲۰ تا ۳۰ نانومتر عرض دارد. در پایین ناودان،  چین‌های کوچک‌تر متعددی  از غشای عضلانی به نام  شکاف‌های زیر عصبی وجود دارد که سطحی را که فرستنده سیناپسی می‌تواند در آن عمل کند، بسیار افزایش می‌دهد.

در پایانه آکسون میتوکندری‌های زیادی وجود دارند که آدنوزین تری فسفات (ATP) را تامین می‌کنند، منبع انرژی که برای سنتز یک فرستنده تحریک کننده،  استیل کولین استفاده می‌شود.  استیل کولین به نوبه خود غشای فیبر عضلانی را تحریک می‌کند. استیل کولین در سیتوپلاسم انتهایی سنتز می‌شود، اما به سرعت در بسیاری از  وزیکول‌های سیناپسی کوچک جذب می‌شود که  حدود ۳۰۰۰۰۰ تای آن معمولاً در انتهای یک صفحه انتهایی قرار دارند. در فضای سیناپسی مقادیر زیادی آنزیم  استیل کولین استراز وجود دارد  که استیل کولین را چند میلی ثانیه پس از آزاد شدن از وزیکول‌های سیناپسی از بین می‌برد.

ترشح استیل کولین توسط پایانه‌های عصبی

هنگامی‌که یک تکانه عصبی به محل اتصال عصبی عضلانی می‌رسد، حدود ۱۲۵ وزیکول استیل کولین از پایانه‌ها به فضای سیناپسی آزاد می‌شود. برخی از جزئیات این مکانیسم را می‌توان در  شکل ۷-۲ مشاهده کرد که نمای گسترده ای از فضای سیناپسی را با غشای عصبی در بالا و غشای عضلانی و شکاف‌های زیر عصبی آن در زیر نشان می‌دهد.

شکل ۷-۲ آزادسازی استیل کولین از وزیکول‌های سیناپسی در غشای عصبی اتصال عصبی عضلانی. به نزدیکی محل‌های رهاسازی در غشای عصبی به گیرنده‌های استیل کولین در غشای عضلانی، در دهان شکاف‌های زیر عصبی توجه کنید.

در سطح داخلی غشای عصبی  میله‌های متراکم خطی وجود دارد  که در  شکل ۷-۲ به صورت مقطعی نشان داده شده است. در هر طرف هر نوار متراکم، ذرات پروتئینی وجود دارد که به غشای عصبی نفوذ می‌کنند. اینها  کانالهای کلسیمی‌با ولتاژ هستند.  هنگامی‌که یک پتانسیل عمل بر روی پایانه پخش می‌شود، این کانال‌ها باز می‌شوند و به یون‌های کلسیم اجازه می‌دهند از فضای سیناپسی به داخل پایانه عصبی منتشر شوند. اعتقاد بر این است که یون‌های کلسیم به نوبه خود تأثیر جذابی بر وزیکول‌های استیل کولین دارند و آنها را به سمت غشای عصبی مجاور میله‌های متراکم می‌کشند. سپس وزیکول‌ها با غشای عصبی ترکیب می‌شوند و استیل کولین خود را با فرآیند  اگزوسیتوز به فضای سیناپسی تخلیه می‌کنند.

اگرچه برخی از جزئیات ذکر شده حدس و گمان هستند، اما مشخص شده است که محرک موثر برای آزادسازی استیل کولین از وزیکول‌ها، ورود یون‌های کلسیم است و سپس استیل کولین از وزیکول‌ها از طریق غشای عصبی مجاور میله‌های متراکم تخلیه می‌شود.

اثر استیل کولین بر غشای فیبر عضلانی پس سیناپسی برای باز کردن کانال‌های یونی

شکل ۷-۲  همچنین بسیاری از  گیرنده‌های کوچک استیل کولین را  در غشای فیبر عضلانی نشان می‌دهد. این  کانال‌های یونی دردار با استیل کولین  هستند و تقریباً به طور کامل در نزدیکی دهانه‌های شکاف‌های زیر عصبی واقع شده‌اند که بلافاصله در زیر نواحی متراکم نوار قرار دارند، جایی که استیل کولین به فضای سیناپسی تخلیه می‌شود.

هر گیرنده یک مجتمع پروتئینی است که وزن مولکولی کل آن ۲۷۵۰۰۰ است. این مجموعه از پنج زیر واحد پروتئین، دو  پروتئین آلفا  و هر کدام از   پروتئین‌های بتا، دلتا  و  گاما تشکیل شده است. این مولکول‌های پروتئینی تا آخر غشا نفوذ می‌کنند و در کنار هم به صورت دایره‌ای دراز می‌کشند تا یک کانال لوله‌ای شکل دهند که در  شکل ۷-۳ نشان داده شده است. کانال منقبض می‌ماند، همانطور که در بخش A شکل نشان داده شده است، تا زمانی که دو مولکول استیل کولین به ترتیب به دو  پروتئین زیر واحد آلفا متصل شوند . همانطور که در بخش B شکل نشان داده شده است، این یک تغییر ساختاری ایجاد می‌کند که کانال را باز می‌کند.

شکل ۷-۳ کانال دردار با استیل کولین. الف،  حالت بسته B،  پس از اینکه استیل کولین (Ach) متصل شد و یک تغییر ساختاری کانال را باز کرد، اجازه می‌دهد یون‌های سدیم وارد فیبر عضلانی شده و انقباض را تحریک کند. به بارهای منفی در دهانه کانال توجه کنید که از عبور یون‌های منفی مانند یون‌های کلرید جلوگیری می‌کند.

کانال دریچه ای استیل کولین دارای قطری در حدود ۰.۶۵ نانومتر است که به اندازه کافی بزرگ است که به یون‌های مثبت مهم – سدیم (+Na)، پتاسیم (+K) و کلسیم (++Ca) اجازه می‌دهد تا به راحتی از طریق دهانه حرکت کنند.. برعکس، یون‌های منفی، مانند یون‌های کلرید، به دلیل بارهای منفی قوی در دهانه کانال که این یون‌های منفی را دفع می‌کنند، عبور نمی‌کنند.

در عمل، به دو دلیل، یون‌های سدیم به مراتب بیشتر از هر یون دیگری در کانال‌های دریچه ای استیل کولین جریان می‌یابد. اول اینکه فقط دو یون مثبت در غلظت زیاد وجود دارد: یون سدیم در مایع خارج سلولی و یون پتاسیم در مایع داخل سلولی. دوم، پتانسیل منفی در داخل غشای عضلانی، ۸۰- تا ۹۰- میلی ولت، یون‌های سدیم با بار مثبت را به داخل فیبر می‌کشد، در حالی که به طور همزمان از تراوش یون‌های پتاسیم با بار مثبت در هنگام عبور از بیرون جلوگیری می‌کند.

همانطور که در  شکل ۷-۳ B نشان داده شده است، اثر اصلی باز کردن کانال‌های دریچه ای استیل کولین این است که به تعداد زیادی یون سدیم اجازه می‌دهد تا به داخل فیبر بریزند و تعداد زیادی بار مثبت را با خود حمل کنند. این یک تغییر پتانسیل مثبت موضعی در داخل غشای فیبر عضلانی ایجاد می‌کند که به آن  پتانسیل صفحه انتهایی می‌گویند.  به نوبه خود، این پتانسیل صفحه انتهایی یک پتانسیل عمل را آغاز می‌کند که در امتداد غشای عضلانی گسترش می‌یابد و بنابراین باعث انقباض عضله می‌شود.

تخریب استیل کولین آزاد شده توسط استیل کولین استراز

استیل کولین، پس از آزاد شدن در فضای سیناپسی، تا زمانی که استیل کولین در فضا باقی بماند، به فعال کردن گیرنده‌های استیل کولین ادامه می‌دهد. با این حال، به دو روش به سرعت حذف می‌شود: (۱) بیشتر استیل کولین توسط آنزیم  استیل کولین استراز  که عمدتاً به لایه اسفنجی بافت همبند ظریفی که فضای سیناپسی بین پایانه عصبی پیش سیناپسی و عضله پس سیناپسی را پر می‌کند، از بین می‌رود. غشاء. (۲) مقدار کمی‌استیل کولین از فضای سیناپسی پخش می‌شود و دیگر برای اثرگذاری بر روی غشای فیبر عضلانی در دسترس نیست.

زمان کوتاهی که استیل کولین در فضای سیناپسی باقی می‌ماند – حداکثر چند میلی ثانیه – معمولاً برای تحریک فیبر عضلانی کافی است. سپس حذف سریع استیل کولین از ادامه تحریک مجدد ماهیچه پس از بازیابی فیبر عضلانی از پتانسیل عمل اولیه خود جلوگیری می‌کند.

پتانسیل صفحه انتهایی و تحریک فیبر عضلانی اسکلتی

هجوم ناگهانی یون‌های سدیم به فیبر عضلانی هنگام باز شدن کانال‌های دریچه ای استیل کولین باعث می‌شود پتانسیل الکتریکی داخل فیبر در ناحیه  محلی صفحه انتهایی  در جهت مثبت به میزان ۵۰ تا ۷۵ میلی ولت افزایش یابد و یک  پتانسیل موضعی ایجاد کند. پتانسیل صفحه انتهایی  نامیده می‌شود .  از  فصل ۵  به یاد بیاورید که افزایش ناگهانی پتانسیل غشای عصبی بیش از ۲۰ تا ۳۰ میلی ولت معمولاً برای شروع بیشتر و بیشتر باز شدن کانال سدیم کافی است، بنابراین یک پتانسیل عمل در غشای فیبر عضلانی آغاز می‌شود.

شکل ۷-۴  اصل پتانسیل صفحه انتهایی را نشان می‌دهد که پتانسیل عمل را آغاز می‌کند. این شکل سه پتانسیل صفحه انتهایی مجزا را نشان می‌دهد. پتانسیل‌های صفحه انتهایی A و C برای ایجاد پتانسیل عمل بسیار ضعیف هستند، اما همانطور که در شکل ثبت شده است، تغییرات محلی ضعیف ولتاژ صفحه انتهایی ایجاد می‌کنند. در مقابل، پتانسیل صفحه انتهایی B بسیار قوی‌تر است و باعث می‌شود کانال‌های سدیم به اندازه کافی باز شوند، به طوری که اثر خودبازسازی یون‌های سدیم بیشتر و بیشتر که به داخل فیبر جریان می‌یابند، پتانسیل عمل را آغاز می‌کند. ضعف پتانسیل صفحه انتهایی در نقطه A ناشی از مسمومیت فیبر عضلانی با  کورار است. دارویی که با رقابت برای مکان‌های گیرنده استیل کولین، مانع از عملکرد دروازه‌ای استیل کولین در کانال‌های استیل کولین می‌شود. ضعف پتانسیل صفحه انتهایی در نقطه C ناشی از اثر  سم بوتولینوم،  یک سم باکتریایی است که مقدار آزاد شدن استیل کولین توسط پایانه‌های عصبی را کاهش می‌دهد.

شکل ۷-۴ پتانسیل صفحه انتهایی (بر حسب میلی ولت). A،  پتانسیل صفحه انتهایی ضعیف شده در یک عضله کوراریزه شده ثبت شده است، بسیار ضعیف برای ایجاد پتانسیل عمل. B،  پتانسیل صفحه انتهایی طبیعی که پتانسیل عمل عضلانی را برمی‌انگیزد. C،  ضعیف شدن پتانسیل صفحه انتهایی ناشی از سم بوتولینوم که آزادسازی استیل کولین در صفحه انتهایی را کاهش می‌دهد، دوباره برای ایجاد پتانسیل عمل عضلانی ضعیف تر از آن است.

فاکتور ایمنی برای انتقال در محل اتصال عصبی عضلانی. خستگی از محل اتصال

به طور معمول، هر تکانه ای که به محل اتصال عصبی عضلانی می‌رسد، حدود سه برابر بیشتر از پتانسیل صفحه انتهایی مورد نیاز برای تحریک فیبر عضلانی ایجاد می‌کند. بنابراین گفته می‌شود که اتصال عصبی عضلانی طبیعی دارای  ضریب ایمنی بالایی است.  با این حال، تحریک فیبر عصبی با سرعت بیش از ۱۰۰ بار در ثانیه به مدت چند دقیقه، اغلب تعداد وزیکول‌های استیل کولین را به قدری کاهش می‌دهد که تکانه‌ها به فیبر عضلانی منتقل نمی‌شوند. به این می‌گویند  خستگی از اتصال عصبی عضلانی، و این همان اثری است که باعث خستگی سیناپس‌ها در سیستم عصبی مرکزی در هنگام تحریک بیش از حد سیناپس‌ها می‌شود. در شرایط عملکرد نرمال، خستگی قابل اندازه گیری اتصال عصبی عضلانی به ندرت رخ می‌دهد و حتی در آن زمان تنها در طاقت فرساترین سطوح فعالیت عضلانی رخ می‌دهد.

بیولوژی مولکولی تشکیل و آزادسازی استیل کولین

از آنجایی که اتصال عصبی عضلانی به اندازه کافی بزرگ است که بتوان به راحتی مطالعه کرد، یکی از معدود سیناپس‌های سیستم عصبی است که بیشتر جزئیات انتقال شیمیایی برای آن بررسی شده است. تشکیل و آزادسازی استیل کولین در این محل اتصال در مراحل زیر رخ می‌دهد:

۱. وزیکول‌های کوچک به اندازه حدود ۴۰ نانومتر توسط دستگاه گلژی در بدنه سلولی نورون حرکتی در نخاع تشکیل می‌شوند. این وزیکول‌ها سپس توسط آکسوپلاسم منتقل می‌شوند که از طریق هسته آکسون از بدن سلول مرکزی در نخاع تا نقطه اتصال عصبی عضلانی در نوک رشته‌های عصبی محیطی عبور می‌کند. حدود ۳۰۰۰۰۰ از این وزیکول‌های کوچک در پایانه‌های عصبی یک صفحه انتهایی عضله اسکلتی جمع می‌شوند.

۲. استیل کولین در سیتوزول پایانه فیبر عصبی سنتز می‌شود، اما بلافاصله از طریق غشای وزیکول‌ها به داخل آنها منتقل می‌شود، جایی که به شکل بسیار غلیظ، حدود ۱۰۰۰۰ مولکول استیل کولین در هر وزیکول ذخیره می‌شود.

۳. هنگامی‌که یک پتانسیل عمل به پایانه عصبی می‌رسد، بسیاری از کانال‌های کلسیمی‌را در غشای پایانه عصبی باز می‌کند زیرا این پایانه دارای کانال‌های کلسیمی‌با ولتاژ فراوان است. در نتیجه غلظت یون کلسیم در داخل غشای انتهایی حدود ۱۰۰ برابر افزایش می‌یابد که به نوبه خود سرعت همجوشی وزیکول‌های استیل کولین با غشای انتهایی را حدود ۱۰۰۰۰ برابر افزایش می‌دهد. این همجوشی باعث می‌شود که بسیاری از وزیکول‌ها پاره شوند و امکان  اگزوسیتوز را فراهم کند استیل کولین وارد فضای سیناپسی می‌شود. معمولاً با هر پتانسیل عمل حدود ۱۲۵ وزیکول پاره می‌شود. سپس، پس از چند میلی ثانیه، استیل کولین توسط استیل کولین استراز به یون استات و کولین تقسیم می‌شود و کولین به طور فعال در پایانه عصبی جذب می‌شود تا دوباره برای تشکیل استیل کولین جدید استفاده شود. این توالی رویدادها در بازه زمانی ۵ تا ۱۰ میلی ثانیه رخ می‌دهد.

۴. تعداد وزیکول‌های موجود در انتهای عصب برای انتقال تنها چند هزار تکانه عصب به عضله کافی است. بنابراین، برای ادامه عملکرد اتصال عصبی عضلانی، وزیکول‌های جدید باید به سرعت دوباره تشکیل شوند. در عرض چند ثانیه پس از اتمام هر پتانسیل عمل، “حفره‌های پوشش داده شده” در غشای عصب انتهایی ظاهر می‌شوند که توسط پروتئین‌های انقباضی در انتهای عصب ایجاد می‌شود، به ویژه پروتئین  کلاترین،  که در نواحی وزیکول‌های اصلی به غشاء متصل است. در عرض حدود ۲۰ ثانیه، پروتئین‌ها منقبض می‌شوند و باعث می‌شوند که حفره‌ها به داخل غشاء برسند و در نتیجه وزیکول‌های جدیدی تشکیل شود. در عرض چند ثانیه دیگر، استیل کولین به داخل این وزیکول‌ها منتقل می‌شود و آنها برای چرخه جدید آزادسازی استیل کولین آماده می‌شوند.

داروهایی که انتقال را در محل اتصال عصبی عضلانی تقویت یا مسدود می‌کنند

داروهایی که فیبر عضلانی را با عملکردی شبیه استیل کولین تحریک می‌کنند

بسیاری از ترکیبات، از جمله  متاکولین، کارباکول  و  نیکوتین،  همان اثر استیل کولین را بر روی فیبر عضلانی دارند. تفاوت این داروها با استیل کولین در این است که داروها توسط کولین استراز از بین نمی‌روند یا به آرامی‌از بین می‌روند که اثر آنها اغلب برای چندین دقیقه تا چند ساعت ادامه دارد. این داروها با ایجاد نواحی موضعی دپلاریزاسیون غشای فیبر عضلانی در صفحه انتهایی حرکتی که گیرنده‌های استیل کولین در آن قرار دارند، عمل می‌کنند. سپس، هر بار که فیبر عضلانی پس از انقباض قبلی بهبود می‌یابد، این نواحی دپلاریزه شده، به دلیل نشت یون‌ها، پتانسیل عمل جدیدی را آغاز می‌کنند و در نتیجه باعث ایجاد حالت اسپاسم عضلانی می‌شوند.

داروهایی که اتصال عصبی عضلانی را با غیرفعال کردن استیل کولین استراز تحریک می‌کنند

سه داروی به خصوص معروف،  نئوستیگمین، فیزوستیگمین  و  دی ایزوپروپیل فلوروفسفات،  استیل کولین استراز را در سیناپس‌ها غیرفعال می‌کنند به طوری که دیگر استیل کولین را هیدرولیز نمی‌کند. بنابراین، با هر تکانه عصبی متوالی، استیل کولین اضافی انباشته شده و فیبر عضلانی را به طور مکرر تحریک می‌کند. این باعث  اسپاسم عضلانی می‌شود  که حتی چند تکانه عصبی به عضله برسد. متأسفانه به دلیل اسپاسم حنجره که فرد را خفه می‌کند نیز می‌تواند منجر به مرگ شود.

نئوستیگمین و فیزوستیگمین با استیل کولین استراز ترکیب می‌شوند تا استیل کولین استراز را تا چند ساعت غیرفعال کنند و پس از آن این داروها از استیل کولین استراز جابجا می‌شوند تا استراز دوباره فعال شود. برعکس، دی ایزوپروپیل فلوروفسفات، که یک سم گاز قوی «اعصاب» است، استیل کولین استراز را برای هفته‌ها غیرفعال می‌کند، که این را به سمی‌بسیار کشنده تبدیل می‌کند.

داروهایی که انتقال را در محل اتصال عصبی عضلانی مسدود می‌کنند

گروهی از داروها که به عنوان  داروهای کوراریفرم شناخته می‌شوند  می‌توانند از عبور تکانه‌ها از انتهای عصب به عضله جلوگیری کنند. به عنوان مثال، D-tubocurarine عمل استیل کولین را بر روی گیرنده‌های استیل کولین فیبر عضلانی مسدود می‌کند، بنابراین از افزایش کافی در نفوذپذیری کانال‌های غشای عضلانی برای شروع پتانسیل عمل جلوگیری می‌کند.

میاستنی گراویس باعث فلج عضلانی می‌شود

میاستنی گراویس  که در حدود ۱ نفر از هر ۲۰۰۰۰ نفر رخ می‌دهد، به دلیل ناتوانی اتصالات عصبی عضلانی در انتقال سیگنال‌های کافی از رشته‌های عصبی به فیبرهای عضلانی، باعث فلج عضلانی می‌شود. از نظر پاتولوژیک، آنتی بادی‌هایی که به گیرنده‌های استیل کولین حمله می‌کنند در خون اکثر بیماران مبتلا به میاستنی گراویس نشان داده شده است. بنابراین، اعتقاد بر این است که میاستنی گراویس یک بیماری خودایمنی است که در آن بیماران آنتی‌بادی‌هایی ایجاد کرده‌اند که گیرنده‌های استیل کولین خود را در محل اتصال عصبی عضلانی پس سیناپسی مسدود یا از بین می‌برند.

صرف نظر از علت، پتانسیل صفحه انتهایی که در فیبرهای عضلانی رخ می‌دهد، عمدتاً برای شروع باز شدن کانال‌های سدیم دارای ولتاژ ضعیف هستند تا دپلاریزاسیون فیبر عضلانی رخ ندهد. اگر بیماری به اندازه کافی شدید باشد، بیمار از فلج – به ویژه فلج عضلات تنفسی – می‌میرد. این بیماری معمولاً می‌تواند برای چند ساعت با تجویز  نئوستیگمین  یا برخی داروهای آنتی کولین استراز دیگر بهبود یابد، که اجازه می‌دهد مقادیر بیش از حد طبیعی استیل کولین در فضای سیناپسی تجمع یابد. در عرض چند دقیقه، برخی از این افراد فلج می‌توانند تقریباً به طور طبیعی کار کنند، تا اینکه چند ساعت بعد دوز جدید نئوستیگمین مورد نیاز است.

پتانسیل عمل عضلانی

تقریباً همه چیزهایی که در  فصل ۵  در مورد شروع و هدایت پتانسیل‌های عمل در رشته‌های عصبی مورد بحث قرار گرفت، به جز تفاوت‌های کمی، در مورد رشته‌های عضلانی اسکلتی نیز به طور یکسان اعمال می‌شود. برخی از جنبه‌های کمی‌پتانسیل عضلانی به شرح زیر است:

۱. پتانسیل استراحت غشاء: حدود ۸۰- تا ۹۰- میلی ولت در فیبرهای اسکلتی – مانند فیبرهای عصبی میلین دار بزرگ.

۲. مدت زمان پتانسیل عمل: ۱ تا ۵ میلی ثانیه در عضله اسکلتی – تقریباً پنج برابر طولانی تر از اعصاب میلین دار بزرگ.

۳. سرعت رسانش: ۳ تا ۵ متر بر ثانیه – حدود ۱/۱۳ سرعت رسانش در رشته‌های عصبی بزرگ میلین دار که عضله اسکلتی را تحریک می‌کنند.

گسترش پتانسیل عمل به داخل فیبر عضلانی از طریق “توبول‌های عرضی”

فیبر عضلانی اسکلتی آنقدر بزرگ است که پتانسیل‌های عملی که در امتداد غشای سطحی آن پخش می‌شوند باعث می‌شوند تقریباً جریانی در عمق فیبر جریان نداشته باشد. با این حال، برای ایجاد حداکثر انقباض عضلانی، جریان باید عمیقاً به فیبر عضلانی در مجاورت میوفیبریل‌های جداگانه نفوذ کند. همانطور که در شکل ۷-۵ نشان داده شده است، این امر با انتقال پتانسیل عمل در امتداد  لوله‌های عرضی  (توبول‌های T) حاصل می‌شود که از یک طرف فیبر به سمت دیگر فیبر عضلانی نفوذ می‌کنند. پتانسیل عمل توبول T باعث آزاد شدن یون‌های کلسیم در داخل فیبر عضلانی در مجاورت میوفیبریل‌ها می‌شود و این یون‌های کلسیم باعث انقباض می‌شوند. این فرآیند کلی،  جفت تحریک-انقباض نامیده می‌شود .

شکل ۷-۵ سیستم شبکه لوله سارکوپلاسمی‌عرضی (T). توجه داشته باشید که لوله‌های T با خارج از غشای سلولی ارتباط برقرار می‌کنند و در اعماق فیبر عضلانی، هر لوله T در مجاورت انتهای لوله‌های شبکه سارکوپلاسمی‌طولی قرار دارد که همه طرف‌های میوفیبریل‌های واقعی را که منقبض می‌شوند را احاطه کرده‌اند. این تصویر از ماهیچه قورباغه گرفته شده است که دارای یک لوله T در هر سارکومر است که در خط Z قرار دارد. آرایش مشابهی در عضله قلب پستانداران یافت می‌شود، اما ماهیچه اسکلتی پستانداران دارای دو لوله T در هر سارکومر است که در اتصالات نوار هوش مصنوعی قرار دارد.

کوپلینگ تحریک-انقباض

لوله عرضی- سیستم شبکه سارکوپلاسمی

شکل ۷-۵،  میوفیبریل‌هایی را نشان می‌دهد که توسط سیستم شبکه‌ی لوله T-سارکوپلاسمی‌احاطه شده‌اند. لوله‌های T کوچک هستند و به صورت عرضی به میوفیبریل‌ها کشیده می‌شوند. آنها از غشای سلولی شروع می‌شوند و از یک طرف فیبر عضلانی به طرف مقابل نفوذ می‌کنند. این واقعیت در شکل نشان داده نشده است که این لوله‌ها در بین خود منشعب می‌شوند و  صفحات کاملی  از لوله‌های T را تشکیل می‌دهند که در بین تمام میوفیبریل‌های جداگانه به هم پیوسته اند. همچنین،  در جایی که لوله‌های T از غشای سلولی منشا می‌گیرند، به سمت بیرونی فیبر عضلانی باز می‌شوند. بنابراین، آنها با مایع خارج سلولی اطراف فیبر عضلانی ارتباط برقرار می‌کنند و خود حاوی مایع خارج سلولی در لومن خود هستند. به عبارت دیگر، لوله‌های T در واقع امتداد داخلی غشای سلولی هستند. بنابراین، هنگامی‌که یک پتانسیل عمل بر روی غشای فیبر عضلانی پخش می‌شود، یک تغییر پتانسیل نیز در امتداد لوله‌های T به داخل عمیق فیبر عضلانی گسترش می‌یابد. سپس جریان الکتریکی اطراف این لوله‌های T باعث انقباض عضلانی می‌شود.

شکل ۷-۵  همچنین یک  شبکه سارکوپلاسمی‌را  به رنگ زرد نشان می‌دهد. این از دو بخش اصلی تشکیل شده است: (۱) محفظه‌های بزرگی به نام  سیسترناهای انتهایی  که به لوله‌های T متصل می‌شوند و (۲) لوله‌های طولی طولانی که تمام سطوح میوفیبریل‌های منقبض واقعی را احاطه کرده اند.

آزادسازی یون‌های کلسیم توسط شبکه سارکوپلاسمی

یکی از ویژگی‌های خاص شبکه سارکوپلاسمی‌این است که در داخل لوله‌های تاولی آن، یون‌های کلسیم اضافی در غلظت بالا وجود دارد و بسیاری از این یون‌ها از هر وزیکول با ایجاد پتانسیل عمل در لوله T مجاور آزاد می‌شوند.

شکل‌های ۷-۶  و  ۷-۷  نشان می‌دهند که پتانسیل عمل لوله T باعث می‌شود جریان به داخل مخزن شبکه سارکوپلاسمی‌جایی که به لوله T متصل می‌شوند جریان یابد. هنگامی‌که پتانسیل عمل به لوله T می‌رسد، تغییر ولتاژ توسط  گیرنده‌های دی هیدروپیریدینی  که به  کانال‌های رهاسازی کلسیم متصل هستند، که کانال‌های گیرنده رایانودین  نیز نامیده می‌شوند ،  در مخزن شبکه سارکوپلاسمی‌مجاور حس می‌شود ( شکل ۷-۶ را ببینید). فعال شدن گیرنده‌های دی هیدروپیریدین باعث باز شدن کانال‌های آزادسازی کلسیم در مخزن و همچنین در لوله‌های طولی متصل به آنها می‌شود. این کانال‌ها برای چند میلی‌ثانیه باز می‌مانند و یون‌های کلسیم را در سارکوپلاسم اطراف میوفیبریل‌ها آزاد می‌کنند و باعث انقباض می‌شوند، همانطور که در  فصل ۶ بحث شد.

شکل ۷-۶ کوپلینگ تحریک-انقباض در عضله اسکلتی. پانل  بالایی  یک پتانسیل عمل را در لوله T نشان می‌دهد که باعث تغییر ساختاری در گیرنده‌های دی هیدروپیریدینی (DHP) حسگر ولتاژ می‌شود، کانال‌های انتشار ++Ca  را در مخزن انتهایی شبکه سارکوپلاسمی‌باز می‌کند و اجازه می‌دهد ++Ca  به سرعت منتشر شود. وارد سارکوپلاسم می‌شود و انقباض عضلانی را آغاز می‌کند. در طی رپلاریزاسیون (پانل پایینی) تغییر ساختاری در گیرنده DHP، کانال‌های انتشار ++Ca را می‌بندد  و ++Ca از سارکوپلاسم به شبکه سارکوپلاسمی‌توسط یک پمپ کلسیم وابسته به ATP منتقل می‌شود.

شکل ۷-۷ جفت شدن تحریک-انقباض در عضله، نشان می‌دهد (۱) یک پتانسیل عمل که باعث آزاد شدن یون‌های کلسیم از شبکه سارکوپلاسمی‌و سپس (۲) جذب مجدد یون‌های کلسیم توسط پمپ کلسیم می‌شود.

پمپ کلسیم برای حذف یون‌های کلسیم از مایع میوفیبریلار پس از وقوع انقباض

هنگامی‌که یون‌های کلسیم از لوله‌های سارکوپلاسمی‌آزاد شدند و در میان میوفیبریل‌ها منتشر شدند، تا زمانی که یون‌های کلسیم در غلظت بالا باقی بمانند، انقباض عضلانی ادامه می‌یابد. با این حال، یک پمپ کلسیم فعال که در دیواره‌های شبکه سارکوپلاسمی‌قرار دارد، یون‌های کلسیم را از میوفیبریل‌ها دور می‌کند و به لوله‌های سارکوپلاسمی‌برمی‌گرداند ( شکل ۷-۶ را ببینید). این پمپ می‌تواند یون‌های کلسیم را حدود ۱۰۰۰۰ برابر در داخل لوله‌ها متمرکز کند. علاوه بر این، در داخل شبکه پروتئینی به نام  calsequestrin وجود دارد  که می‌تواند تا ۴۰ برابر کلسیم بیشتری را متصل کند.

“نبض” تحریک کننده یون‌های کلسیم

غلظت طبیعی حالت استراحت (<10-7 مولار) یون‌های کلسیم در سیتوزولی که میوفیبریل‌ها را حمام می‌کند برای ایجاد انقباض بسیار کم است. بنابراین، کمپلکس تروپونین-تروپومیوزین رشته‌های اکتین را مهار می‌کند و حالت آرامش عضله را حفظ می‌کند.

برعکس، تحریک کامل لوله T و سیستم شبکه سارکوپلاسمی‌باعث آزاد شدن کافی یون‌های کلسیم برای افزایش غلظت در مایع میوفیبریلار تا غلظت مولی ۲ × ۱۰-۴ می‌شود، افزایشی ۵۰۰ برابری، که حدود ۱۰ برابر است. سطح مورد نیاز برای ایجاد حداکثر انقباض عضلانی بلافاصله پس از آن، پمپ کلسیم دوباره یون‌های کلسیم را تخلیه می‌کند. مدت زمان کل این «نبض» کلسیم در فیبر عضلانی اسکلتی معمول   حدود ۱/۲۰ ثانیه طول می‌کشد، اگرچه ممکن است در برخی از فیبرها چندین برابر و در برخی دیگر چندین برابر کمتر طول بکشد. (در عضله قلب، نبض کلسیم حدود یک سوم ثانیه طول می‌کشد، زیرا مدت زمان طولانی پتانسیل عمل قلبی است.)

در طول این نبض کلسیم، انقباض عضلانی رخ می‌دهد. اگر قرار است انقباض بدون وقفه برای فواصل طولانی ادامه یابد، یک سری پالس‌های کلسیم باید با یک سری پتانسیل‌های تکراری عمل مداوم آغاز شود، همانطور که در  فصل ۶ بحث شد.

کتاب درسی فیزیولوژی پزشکی گایتون و ‌هال، ویرایش دوازدهم فصل ۷