Cơ chế và sự co cơ

Co cơ là quá trình cơ xương tạo ra lực và, khi được phép, rút ngắn. Cốt lõi của quá trình này là cơ chế sợi trượt: các cầu nối giữa myosin và actin luân chuyển để làm các sợi trượt qua nhau, với sự chồng chéo của sarcomere, chiều dài và vận tốc rút ngắn quyết định lượng lực mà cơ tạo ra. Các mối quan hệ này – đường cong chiều dài-lực căng và lực-vận tốc – là nền tảng cơ học về cách cơ bắp di chuyển các khớp.

Definition

Co cơ là sự trượt của các sợi actin và myosin do cầu nối điều khiển, tạo ra lực căng và, khi tải trọng bên ngoài cho phép, làm cơ rút ngắn; cơ chế của nó được mô tả bằng cách lực phụ thuộc vào chiều dài sarcomere và vào vận tốc rút ngắn.

Scope

Mục này bao gồm các nguyên tắc cơ học của sự co cơ xương: cơ chế sợi trượt và cầu nối, mối quan hệ chiều dài-lực căng, mối quan hệ lực-vận tốc, và sự phân biệt giữa co cơ đẳng trường và đẳng trương. Đây là tài liệu tham khảo và giáo dục về cơ học, không phải hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Làm thế nào các cầu nối chuyển đổi năng lượng hóa học thành lực cơ học?
• Tại sao lực cơ phụ thuộc vào chiều dài sarcomere (chiều dài-lực căng)?
• Lực thay đổi như thế nào theo vận tốc rút ngắn (lực-vận tốc)?
• Điều gì phân biệt co cơ đẳng trường, đồng tâm và lệch tâm?

Key concepts

• Cơ chế sợi trượt
• Chu kỳ cầu nối
• Mối quan hệ chiều dài-lực căng
• Mối quan hệ lực-vận tốc
• Co cơ đẳng trường so với đẳng trương
• Lực căng chủ động và thụ động
• Sự chồng chéo sợi

Key theories

Lý thuyết sợi trượt

Sự rút ngắn cơ là kết quả của việc các sợi mỏng (actin) và sợi dày (myosin) trượt qua nhau trong khi mỗi sợi vẫn giữ nguyên chiều dài của nó, được đề xuất độc lập vào năm 1954.

Lý thuyết cầu nối (cầu nối xoay)

Lực được tạo ra bởi sự gắn kết, xoay và tách rời theo chu kỳ của các cầu nối myosin trên actin, kết nối quá trình thủy phân ATP với công cơ học.

Mechanisms

Trong quá trình co cơ, các sợi mỏng (actin) và sợi dày (myosin) trượt qua nhau trong khi chiều dài riêng lẻ của chúng không thay đổi, một kết luận được rút ra từ kính hiển vi của các sợi co và sợi giãn (huxley-niedergerke-1954, huxley-hanson-1954). Lực được tạo ra bởi các cầu nối myosin gắn vào actin, xoay và tách ra trong một chu kỳ lặp lại được cung cấp năng lượng bởi ATP, mô hình cấu trúc được tổng hợp bởi H. E. Huxley (huxley-1969). Bởi vì lực phụ thuộc vào số lượng cầu nối có thể hình thành, nó thay đổi theo chiều dài sarcomere: tối đa ở chiều dài chồng chéo sợi tối ưu và giảm khi sarcomere quá ngắn hoặc bị kéo căng quá mức – mối quan hệ chiều dài-lực căng được đo chính xác trong các sợi đơn (gordon-huxley-julian-1966). Lực cũng giảm khi vận tốc rút ngắn tăng, mối quan hệ lực-vận tốc hyperbol được đặc trưng về mặt cơ học và nhiệt động học bởi A. V. Hill (hill-1938). Co cơ là đẳng trường khi chiều dài cố định và đẳng trương (đồng tâm hoặc lệch tâm) khi cơ rút ngắn hoặc kéo dài chống lại tải trọng.

Clinical relevance

Cơ chế co cơ giải thích cách lực cơ thay đổi theo vị trí khớp và tốc độ chuyển động, cung cấp thông tin cho sự hiểu biết về giải phẫu về sức mạnh, điểm yếu và đánh giá chuyển động. Chủ đề này mô tả các cơ chế sinh lý tổng quát để tham khảo và giáo dục và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

Evidence & guidelines

Các cơ chế sợi trượt và cầu nối được thiết lập bởi các báo cáo kinh điển năm 1954 và tổng hợp sau này của Huxley (huxley-niedergerke-1954, huxley-hanson-1954, huxley-1969); các mối quan hệ chiều dài-lực căng và lực-vận tốc dựa trên các nghiên cứu cơ bản về sợi đơn và nhiệt động học của Gordon, Huxley & Julian và của Hill (gordon-huxley-julian-1966, hill-1938).

History

Cơ chế co cơ đã được thay đổi trong những năm 1950 và 1960. Các phép đo năm 1938 của A. V. Hill đã thiết lập mối quan hệ lực-vận tốc và năng lượng của sự rút ngắn (hill-1938); các bài báo trên Nature năm 1954 đã giới thiệu ý tưởng sợi trượt (huxley-niedergerke-1954, huxley-hanson-1954); các thí nghiệm sợi đơn năm 1966 của Gordon, Huxley & Julian đã xác nhận mối quan hệ chiều dài-lực căng được dự đoán bởi sự chồng chéo sợi (gordon-huxley-julian-1966); và bài đánh giá năm 1969 của H. E. Huxley đã củng cố mô hình cầu nối xoay (huxley-1969).

Key figures

• Andrew Huxley
• Hugh Huxley
• Rolf Niedergerke
• Jean Hanson
• A. V. Hill
• Fred Julian

Seminal works

• hill-1938
• huxley-niedergerke-1954
• huxley-hanson-1954
• gordon-huxley-julian-1966
• huxley-1969

Frequently asked questions

Cơ chế sợi trượt là gì?

Đó là nguyên tắc cơ rút ngắn vì các sợi actin và myosin trượt qua nhau – được điều khiển bởi chu kỳ cầu nối – trong khi bản thân các sợi vẫn giữ nguyên chiều dài của chúng.

Tại sao lực cơ lớn nhất ở một chiều dài trung bình?

Lực phụ thuộc vào số lượng cầu nối có thể hình thành, đạt tối đa ở chiều dài sarcomere cho sự chồng chéo actin-myosin tối ưu; ở chiều dài ngắn hơn hoặc dài hơn, sự chồng chéo không tối ưu và lực giảm.