8. CONTRACTIEMECHANISME - Stichting ITON

8. CONTRACTIEMECHANISME
Indeling
Donkerroze: bloed in spiercapillair; aanvoer van brandstof en zuurstof.
Bovenzijde: innerverend axon en neuromusculaire overdracht.
Grijs: het binnenste van de spiercel met metabole (links) en contractiele (rechts) machinerie.
Rechtsonder: registratie van het mechanisch effect en van warmtevorming.
Algemeen
Bij het totstandkomen van een spiercontractie spelen meerdere mechanismen tegelijk een rol:
1. aanvoer van brandstof en zuurstof (nodig bij steady state arbeid, zie 71)
2. energieproduktie in de spiercel door middel van katabole reacties
3. neuromusculaire transmissie: de overdracht van de actiepotentiaal van de zenuwvezel op de spiercelmembraan
4. excitatie-contractie-koppeling: de wijze waarop de elektrische activatie van de spiercel de contractie in werking zet
5. het contractiemechanisme: het ontstaan van brugverbindingen tussen actine en myosine
6. het mechanische effect van de contractie: kracht en/of verkorting.
Het contractiemechanisme (rechts in de spiercel)
De eenheid van spiercontractie is het sarcomeer. Rechtsboven in het grijs is een sarcomeer in rust afgebeeld. Het bestaat uit dunne
filamenten, het actine, en dikke filamenten, het myosine. De dunne filamenten zitten vast aan, en staan loodrecht op de Zmembranen.
De uiteinden van de actinefilamenten liggen tussen de myosinefilamenten.
Eén sarcomeer is het gedeelte dat zich tussen twee Z-membranen bevindt (ongeveer 3 micrometer lang). In werkelijkheid zijn vele
sarcomeren in serie geschakeld en vormen langgerekte myofibrillen binnen de spiercel. De dwarse streping van skeletspieren
wordt veroorzaakt door de evenwijdige rangschikking van de sarcomeren in de myofibrillen.
Wanneer de spier zijn rustlengte heeft, overlappen de dunne de dikke filamenten gedeeltelijk; op de plaats van overlapping kunnen
zich nu reversibele bindingen vormen waardoor de dunne filamenten tussen de dikke getrokken kunnen worden. Afhankelijk van
de uitwendige omstandigheden (belasting van de spier) kan krachtsproduktie of verkorting optreden (zie rechtsonder).
Bij krachtsproduktie blijft de lengte van het sarcomeer ongewijzigd; men spreekt van een isometrische contractie. In dit geval
worden de trekkrachten op de Z-membranen naar de spierhechtingen overgebracht.
Bij verkorting worden de brugverbindingen tussen het actine en myosine afwisselend gesloten en verbroken; de dunne filamenten
worden nu naar binnen getrokken zodat de afstand tussen de Z-membranen afneemt. Hierdoor wordt de gehele myofibril en ook de
spier korter; men spreekt van een isotonische contractie (zie hiervoor verder 30).
Neuromusculaire transmissie
Voorwaarde voor een spiercontractie is het ontstaan van een actiepotentiaal op het alfa-motoneuron dat zijn oorsprong in het
ruggemerg heeft. Deze actiepotentiaal wordt over het axon met grote snelheid (saltatoir = sprongsgewijs) voortgeleid (ong. 100
m/sec.) en bereikt meerdere spiercellen via verschillende eindvertakkingen. Eén alfamotoneuron met de bijbehorende spiercellen
noemt men een motor-unit (zie 31 en 32).
Het uiteinde van een axonvertakking is enigszins ingestulpt in de spiercelmembraan. De aankomende actiepotentiaal maakt
acetylcholine vrij dat in (de sterk geplooide) spiercelmembraan een vergroting van de natrium-permeabiliteit veroorzaakt door
inwerking op membraanreceptoren. Hierdoor ontstaat een depolarisatie ter plaatse van de neuromusculaire synaps: de
eindplaatpotentiaal (EPP). Het precieze mechanisme is analoog aan de exciterende synaps (zie hiervoor 9). Door de aanwezigheid
van deze depolarisatie worden de aangrenzende delen van de spiercelmembraan (sarcolemma) supraliminaal geprikkeld zodat een
actiepotentiaal ontstaat die over de gehele spiercel in alle richtingen wordt voortgeleid.
Bij de neuromusculaire transmissie is sprake van een één-op-één relatie: iedere prikkel op het neuron wordt op de spiervezels
overgebracht. Dit wil zeggen dat de intensiteit van de contractie geheel wordt bepaald door de mate van activering van de
motoneuronen in het ruggemerg.
NB: De ‘gevoeligheid’ van de spiercelmembraan kan veranderen; zo ziet men bij denervatie (bijv. na zenuwletsel) een uitbreiding
van receptoren over de spiercelmembraan. Hierdoor wordt de spiercel extra gevoelig (zgn. denervatie-overgevoeligheid).
Excitatie-contractie koppeling
Bij het totstandkomen van de activatie van de sarcomeren speelt het sarcoplasmatisch reticulum een essentiële rol.
Dit is een specialisatie van het endoplasmatisch reticulum (zie 1), bestaande uit:
- transversale tubuli (T-tubuli): deze vormen een netwerk dat loodrecht op de spiervezel staat. De buisjes bereiken het binnenste
van de spiercel en zijn zeer waarschijnlijk gevuld met extracellulaire vloeistof
- longitudinale tubuli (L-tubuli): liggen in de lengterichting van de spiercellen (staan dus loodrecht op de T-tubuli). Hun lengte
komt overeen met die van een sarcomeer. Zij staan niet in verbinding met de extracellulaire ruimte maar bevatten een
intracellulair reservoir van calciumionen (rode bolletjes).
Het sarcoplasmatisch reticulum is vooral sterk ontwikkeld in de zogenaamde ‘witte’ spiervezels (zie 32).
De op het sarcolemma aanwezige actiepotentiaal wordt waarschijnlijk via de T-tubuli naar het binnenste van de spiercel geleid. Op
een nog onbekende wijze worden nu de L-tubuli zodanig beïnvloed dat hieruit calciumionen vrijkomen (zie rechts in het grijs). De

calciumionen omspoelen nu de filamenten en activeren (op een complexe wijze) vooral de dunne actinefilamenten. Wanneer nu
ATP aanwezig is kunnen de brugverbindingen worden gevormd.
Normaal komt steeds een reeks actiepotentialen op de spiercel aan waardoor de verhoging van de intracellulaire vrije
calciumionenconcentratie voortduurt. (Activatie treedt pas op wanneer deze calciumionenconcentratie een bepaalde grenswaarde
bereikt.) Verhoging van de actiepotentialenfrequentie doet de calciumconcentratie stijgen en veroorzaakt daardoor een krachtigere
activatie. Het resultaat is een tetanische contractie die des te sterker is naarmate de actiepotentiaalfrequentie hoger is (zie 31). In
de wand van de L-tubuli bevinden zich waarschijnlijk actieve pompmechanismen waardoor de calciumconcentratie onmiddellijk
daalt bij het stoppen van de elektrische activatie. Aanspanning en relaxatie van een spier heeft dan mogelijk te maken met een
evenwicht tussen vrijkomen en terugpompen van calciumionen uit en in de L-tubuli.
NB: Ook voor het verbreken van de actine-myosine verbinding (relaxatie) blijkt ATP noodzakelijk te zijn.
Energieproduktie
Links in de spiercel is de herkomst van het ATP aangegeven. In de spiercel aanwezige voorraden zijn omkaderd aangegeven:
1. een (geringe) ATP-voorraad
2. een wat grotere voorraad creatinefosfaat (zie 3 en 71)
3. een glycogeenvoorraad, zowel voor de aërobe als anaërobe verbranding
4. een voorraad vetten: na splitsing tot vetzuren kunnen deze via de Krebscyclus bijdragen tot de ATP-produktie
5. een zuurstofvoorraad aan het myoglobine: deze is vooral in ‘rode’ spieren uitgesproken.
Deze voorraden zijn alle slechts voldoende voor kortdurende arbeid van een spier (bij piek-arbeid van een spier maximaal 2
minuten).
Voor langer durende arbeid van een spier is een steady state noodzakelijk. Dit wil zeggen dat de aanvoer van brandstof en zuurstof
vanuit het bloed gelijke tred moet houden met het energieverbruik van de spier.
Hierbij is het noodzakelijk dat het gevormde pyrodruivenzuur (pdz) niet wordt omgezet in lactaat zoals bij de anaërobe
energieproduktie maar in acetyl-coënzym-A dat in de mitochondriën via de Krebscyclus en ademhalingsketen verder wordt
afgebroken. Voor het gebruik van vetzuren is dit bovendien de enige weg (zie ook 3).
Anaërobe energieproduktie (glycolyse) en gebruik van reservevoorraden dienen slechts als overbrugging van de overgang van rust
naar arbeid en voor korte inspanningen.
Warmtevorming (rechtsonder).
De verschillende fasen van de spiercontractie komen onder andere tot uiting in de warmteproduktie. Bij verkorting (links)
produceert de spier meer warmte dan bij krachtsproduktie (rechts). Men onderscheidt:
1. Initiële warmte: dit is alle warmte die tijdens contractie en relaxatie vrijkomt (tussen de eerste en vierde streepjeslijn). Deze is
opgebouwd uit:
A. activatiewarmte: ten gevolge van het vrijkomen van calcium en het splitsen van ATP; begint reeds vóór het mechanisch
effect van de contractie
B. aanspanningswarmte: ten gevolge van het ontstaan van de actine~myosine bindingen
C. verkortingswarmte: extra warmte die alléén ontstaat wanneer de spier verkort
D. relaxatiewarmte ten gevolge van wrijving van langs elkaar schuivende filamenten; treedt ook op bij passieve verlenging!
2. Herstelwarmte of restitutiewarmte: alle warmte die na de contractie en relaxatie wordt geproduceerd. Deze is het gevolg van
aërobe en anaërobe terugwinning van energievoorraden.
De gevormde warmte wordt ten dele aan het bloed, ten dele direct aan de buitenwereld afgegeven (bij spierarbeid stijgt de
lichaamstemperatuur, maar ook de omgevingstemperatuur als de arbeid in een kleine afgesloten ruimte wordt verricht).
Ref.: 2, 28, 30, 34, A