www.khayma.com/fatsvt

telegraph.co.uk

تساؤل: كيف يمكن تحويل الطاقة الكيميائية ATP إلى تقلص عضلي(طاقة ميكانيكية)؟

 1 ـ دراسة تجريبية للتقلص العضلي( الظواهر الميكانيكية):

العضلات الهيكلية هي كل العضلات المرتبطة بالهيكل العظمي، وتمكن من القيام بالحركات عن طريق التقلص. وتتميز بصفة عامة بالمرونة، والاهتياجية (القدرة على الاستجابة لعامل مهيج) والقلوصية (القدرة على التقلص).

1 - 1 - العدة التجريبية:

توصل عضلة بطن الساق لضفدعة مخربة الدماغ والنخاع الشوكي بجهاز تسجيل التقلص العضلي الذي يسمى راسمة عضلية ثم نهيج العضلة إما بطريقة مباشرة أو غير مباشرة (تهييج العصب الوركي) فنحصل على تسجيلات تسمى رسوما تخطيطية عضلية. انظر الرابط

1 - 2 - تحليل التسجيلات العضلية: الوثيقة

         أ - استجابة العضلة لاهاجة واحدة:

1 ـ استخرج من الوثيقة مراحل الاستجابة العضلية.

الاجابة يمكن تقسيم المنحنى إلى ثلاثة أقسام: ـ زمن الكمون: المدة الزمنية التي تفصل التنبيه عن الاستجابة العضلية. ـ مرحلة التقلص العضلي: يتقلص خلالها طول العضلة. ـ مرحلة الارتخاء: أثناءها تعود العضلة إلى طولها الأصلي. عند التنبيه الوحيد للعضلة نحصل على استجابة سريعة للعضلة تسمى الرعشة العضلية أو المخطط العضلي.

      ب - استجابة العضلة لاهاجات متباعدة ذات شدة متصاعدة:

      1 ـ اعتمادا على تحليل التسجيلات العضلية، فسر النتائج المحصل عليها

الاجابة الشدة S1 لا تحدث التقلص العضلي وتسمى شدة غير فعالة. الشدة S2 التي تحدث فيها أول استجابة تسمى العتبة أو الريوباز . انطلاقا من S2 وكلما ارتفعت شدة الاهاجة كلما ازداد وسع التقلص وعندما تصل الشدة إلى S4 يضل عندئذ الوسع في قيمته القصوى مهما ارتفعت شدة الاهاجة وهذا يفسر بكون العضلة تتكون من ألياف عضلية حيث كلما ازدادت شدة الاهاجة إلا ويزداد عدد الألياف المستجيبة وعندما تستجيب كل الألياف يبقى الوسع ثابتا في قيمته القصوى، نتحدث عن قانون التجنيد أو الإجمال بحيث تضاف استجابة الألياف لبعضها البعض.

  ج - استجابة العضلة لاهاجات فعالة، متماثلة ومتتالية :

     1 ـ انطلاقا من الوثيقة ،فسر النتائج المحصل عليها 

الاجابة ـ إذا وقع التهييج الثاني بعد انتهاء الاستجابة الأولى نحصل على رعشة معزولة بنفس الوسع. ـ إذا وقع التهييج الثاني خلال مرحلة  الارتخاء تلتحم الاستجابتان بشكل غير تام مع وسع أكبر للثانية. ـ إذا وقع التهييج الثاني خلال مرحلة  تقلص الاستجابة الأولى تلتحم الاستجابتان بشكل تام ونحصل على رعشة واحدة  ذات وسع كبير.

    د - استجابة العضلة لسلسلة من الاهاجات المتماثلة والمتقاربة:

       1 ـ اعتمادا على تحليل التسجيلات العضلية، بين أن التقلص الطبيعي في الجسم عبارة عن كزاز تام. 

الاجابة ـ إذا كانت الاهاجات متباعدة تلتحم الاستجابات جزئيا، نتكلم عن كزاز غير تام. ـ إذا كانت الاهاجات متقاربة تلتحم الاستجابات كليا، نتكلم عن كزاز  تام. التقلص الطبيعي للعضلة في الجسم عبارة عن كزاز تام لأن الجهاز العصبي يرسل سيالات عصبية مستمرة و متقاربة.

    و - التعب العضلي:

نخضع العضلة لتنبيه واحد فنحصل على رعشة عضلية1، بعد ذلك نخضعها لسلسلة من الاهاجات غير مسجلة، وفي النهاية نخضعها لتنبيه أخير فنحصل على المخطط 2.

      1 ـ باستغلالك للوثيقة، استخلص مميزات التعب العضلي.

الاجابة 1 ـ نلاحظ أن كا من زمن الكمون ومدة الرعشة في العضلة المتعبة اكبر منها في العضلة المستريحة بينما يصبح وسع التقلص اصغر في العضلة المتعبة. يتميز التعب العضلي بالزيادة في مدة الكمون، نقصان في وسع التقلص وإطالة مدة الرعشة.

 2 ـ الظواهر المرافقة للتقلص العضلي:

        للكشف عن الظواهر المصاحبة للتقلص العضلي نقترح المعطيات التالية:

 

تمثل الوثيقة 2 مقارنة لبعض العناصر على مستوى العضلة في حالة راحة وحالة نشاط.

  1 ـ باستغلالك للوثيقتين 1و2، استخلص الظواهر المصاحبة للتقلص العضلي.

الاجابة ـ الوثيقة 1: نلاحظ أن العضلة تطرح الحرارة في مرحلين أساسيتين:          ـ المرحلة الأولى: تحرر خلال الرعشة العضلية، تسمى الحرارة الأولية تستغرق مدة وجيزة ويحرر جزء منها خلال مرحلة التقلص والجزء الآخر خلال مرحلة الارتخاء.          ـ المرحلة الثانية: تحرر بعد الرعشة العضلية، تسمى الحرارة المتأخرة ذات شدة أضعف وتستغرق مدة أطول. ـ الوثيقة2: نلاحظ خلال النشاط العضلي:         ـ ارتفاع الصبيب الدموي        ـ ارتفاع كمية O2 المستهلك و CO2 المطروح     ـ ارتفاع استهلاك الكليكوز مصدر الطاقة    اذن يمكن استخلاص أن التقلص في جوانبه الميكانيكية يكون مصحوبا بظواهر أخرى حرارية وكيميائية(طاقية).

 3 ـ بنية العضلة الهيكلية المخططة:

رسم تخطيطي لمقطع عرضي لعضلة	مقطع عرضي لعضلة طرية

تتكون العضلة من عدة ألياف عضليةMyofibres على شكل حزم، ذات لون أحمر لاحتوائها على الخضاب العضلي وهو بروتين متخصص في نقل الغازات التنفسية وهناك أيضا وجود أوعية دموية وأعصاب.

            3 ـ 1 ـ بنية الليف العضلي:انظر الرابط

                       

مقطع عرضي لألياف عضلية	مقطع طولي لألياف عضلية
http://www.biomultimedia.net/archiv/muscle.htm

رسم تخطيطي جزئي ثلاثي الأبعاد لخلية عضلية= ليف عضلي http://www.humans.be/physio%20muscle.html

يمثل كل ليف عضلي خلية ضخمة متعددة النوى، يصل طولها إلى عدة سنتمترات، محاطة بغشاء ساركوبلازمي، وتحتوي على سيتوبلازم (ساركوبلازم) يوجد به العديد من الميتوكوندريات، وشبكة ساركوبلازمية كثيفة غنية بالكالسيوم،كما يحتوي على كمية من الغليوكوجين والخضاب العضلي. ويبقى المكون الرئيسي لليف العضلي هو اللييفات العضلية التي تعطي المظهر المخطط للعضلات.

انظر الرابط

 

                   3 ـ 2 ـ بنية اللييف العضليmyofibrille:

 تمثل الوثيقة التالية صورة مجهرية جزئية للييف عضلي.

 

 

يتشكل كل لييف عضلي من تناوب أشرطة فاتحة I أي Isotropic وأشرطة داكنة A أي Anisotropic.

يظهر وسط كل شريط داكن منطقة فاتحة تدعى المنطقة H مشتقة من الكلمة الألمانية Heller وتعني مضيء.

 وسط كل شريط فاتح خط قاتم يدعى الحز Z مشتقة من الكلمة الألمانية Zwischenscheibe وتعني القرص الأوسط.  

تسمى المنطقة المحصورة بين حزي Z متتالين ساركومير، ويعتبر هذا الأخير الوحدة البنيوية والوظيفية للييف العضلي.

 

                                                                                                         ملاحظة بتكبير 20.000

 

            3 ـ 3 ـ فوق بنية اللييف العضلي Myofibrille :

 

 

يتشكل كل لييف عضلي من صنفين من الخييطات العضلية Myofilaments:

                       ـ خييطات سميكة مكونة من بروتين يدعى ميوزين

                       ـ خييطات دقيقة مكونة من بروتين يدعى أكتين

coproweb.free.fr/pagphy/physioan/ch7s1.htm

الشريط الفاتح I مكون فقط من الأكتين أما الشريط القاتمA يتكون من النوعين من الخييطات باستثناء المنطقة H حيث يتواجد الميوزين فقط.

            3 ـ 4 ـ فوق بنية الخييطات العضلية:

           تمثل الوثيقة التالية، فوق بنية الخييطات العضلية.

 

 

     ـ انطلاقا من الوثيقة، صف فوق بنية الخييطات العضلية.

الاجابة ـ يتكون خييط الأكتين من عدة جزيئات كروية من الأكتين على شكل سلسلتين ملتويتين، وترتبط بهما بروتينات أخرى تدعى تروبونين وتروبوميوزين.  ـ  يتكون خييط الميوزين من عدة جزيئات الميوزين وتتكون كل جزيئة من ساق ورأسين كرويين.

 خلاصة:

http://eu.wiley.com/WileyCDA

 

www.biomultimedia.net

انظر أيضا الرابط1   ـ الرابط2

 4 ـ التقلص العضلي:     

 المصدر المباشر للطاقة اللازمة للتقلص العضلي هي حلمأة جزيئة ATP

ATP + H₂O ----------------------> ADP + P_i + 7,3Kcal

جزء من هذه الطاقة يستعمل في التقلص العضلي والجزء الآخر يضيع على شكل حرارة التقلص.

فكيف يتم تحويل الطاقة الكيميائية ATP إلى تقلص عضلي (طاقة ميكانيكية)؟

 

            4 ـ 1 ـ ملاحظات مجهرية:

 للكشف عن بعض التغيرات التي تطرأ على اللييف العضلي خلال التقلص نقترح المعطيات التالية:

يمثل الشكل1 من الوثيقة الموالية ملاحظة مجهرية للييف عضلي في حالة راحة بينما يمثل الشكل2 لييف في حالة تقلص.

 

 

         1 ـ اعتمادا على مقارنة الشكلين1 و2  استخرج التغيرات التي تطرأ على اللييف العضلي خلال التقلص.

         2 ـ اقترح تفسيرا لهذه التغيرات.

الاجابة 1 ـ خلال التقلص العضلي نلاحظ:  ـ اقتراب الحزات Z فيما بينها.  ـ تقصير طول الساركومير، اختزال طول الأشرطة الفاتحة واستقرار طول الأشرطة القاتمة.  ـ نقصان طول المنطقة H.  2 ـ بما أن طول الأشرطة القاتمة يبقى ثابتا فليس هناك تقصير للخييطات بل انزلاق فيما بينها.

انظر الرابط

 

 

انظر ايضا الرابط

 

            4 ـ 2 ـ كيف يتم انزلاق الخييطات فيما بينها؟

                             أ ـ شروط التقلص العضلي:

لتعرف شروط التقلص العضلي نقترح المعطيات التجريبية التالية:

 ـ التجربة1: نقيس كل من الكالسيوم داخل ساركوبلاسم الخلية العصلية وتوترها بعد تهييجها. النتائج المحصل عليها ممثلة في مبيان الشكل1.

 ـ التجربة2: نقيس توتر لييف عضلي بعد كل من مادة Salyrgan الكابحة لحلمأة ATP، ومادة كيميائية X ترتبط بالكالسيوم وتمنع فعله.

يعطي مبيان الشكل2 نتائج التحربة.

 الشبكة الساركوبلاسمية الداخلية غنية بالكالسيوم.

 

 ـ التجربة3:تتم إضافة الكالسيوم إلى خييطات الاكتين والميوزين. تمثل الوثيقة التالية النتيجة المحصل عليها:

 

 

   1 ـ باستنادك إلى التجربتين1 و2، استخلص شروط التقلص العضلي.

   2 ـ اعتمادا على نتائج التجربة3، استنتج دور الكالسيوم.

الاجابة 1 ـ الشكل1: ﺑﻌﺪ ﺗﮭﯿﯿﺞ اﻟﻌﻀﻠﺔ ﻣﺒﺎﺷﺮة، ﻧﻼﺣﻆ ارﺗﻔﺎع ﺗﺮﻛﯿﺰ اﻟﻜﺎﻟﺴﯿﻮم داﺧﻞ ﺳﯿﺘﻮﺑﻼزم اﻟﺨﻠﯿﺔ اﻟﻌﻀﻠﯿﺔ، ﻣﺘﺒﻮﻋﺎ ﺑﺎرﺗﻔﺎع ﺗﻮﺗﺮ اﻟﻠﯿﻒ اﻟﻌﻀﻠﻲ. ـ الشكل2: ﻧﻼﺣﻆ أن اﻟﻠﯿﯿﻔﺎت اﻟﻌﻀﻠﯿﺔ ﺗﺘﻘﻠﺺ ﺑﺴﺮﻋﺔ ﻋﻨﺪ وﺟﻮد ATP، واﯾﻮﻧﺎت اﻟﻜﺎﻟﺴﯿﻮم. وﻋﻨﺪﻣﺎ ﻧﻤﻨﻊ ﺣﻠﻤﺄة ATP ﺑﻔﻌﻞ Salyrgan، أو ﻧﻤﻨﻊ ﻓﻌﻞ الكالسيوم ﯾﺨﺘﻔﻲ ﺗﻮﺗﺮ اﻟﻠﯿﯿﻒ. ﻧﺴﺘﻨﺘﺞ ﻣﻦ ھﺬه اﻟﻤﻌﻄﯿﺎت أن ﺗﻮﺗﺮ اﻟﻠﯿﻒ اﻟﻌﻀﻠﻲ ﯾﺴﺘﻠﺰم وﺟﻮد ATP و الكالسيوم. 2 ـ بعد إضافة الكالسيوم يتم ارتباط رؤوس الميوزين بالاكتين حيث يتم الكشف عن مواقع تثبيت رؤوس الميوزين بالأكتين.

                           ب ـ مراحل التقلص العضلي:

 للكشف عن مراحل التقلص العضلي، نقترح الوثائق التالية:

تمثل الوثيقة1 منطقة اتصال الألياف العصبية والعضلية.

 تمثل الوثيقة2 مختلف مرحل التقلص العضلي.

 

     ـ انطلاقا من الوثيقتين1 ,2، استخرج مراحل التقلص العضلي.

الاجابة ـ عند التنبيه تصل السيالة العصبية إلى الشبكة الساركوبلاسمية الداخلية عبر أنابيب مستعرضة فتحرر الكالسيوم، والذي يكشف عن مواقع تثبيت الميوزين بالأكتين.  ـ تشكل مركب الأكتوميوزين نتيجة اتحاد الأكتين برؤوس الميوزين، هذه الأخيرة تكون مرتبطة بـ ADP و Pi .  ـ يغادر Pi ثم ADP رؤوس الميوزين وتحرير الطاقة المخزنة في الرؤوس التي تؤدي إلى دورانها، وبالتالي انزلاق خييطات الأكتين بالنسبة للميوزين.  ـ يتم تثبيت جزيئات ATP جديدة على رؤوس الميوزين مما يؤدي إلى انفصال رؤوس الميوزين عن الأكتين.  ـ تتم حلمأة ATP إلى ADP و Pi وتعود الرؤوس وضعها الأصلي، لتستعد لدورة تقلصية أخرى.

متحركات توضح مراحل التقلص العضلي
الوثيقة7	الوثيقة6	الوثيقة5	الوثيقة4	الوثيقة3	الوثيقة 2	الوثيقة1

 

5 ـ خلاصة:     

 تحول العضلة الطاقة الناتجة عن حلمأة ATP (طاقة كيميائية) إلى انزلاق خييطات الأكتين بالنسبة للميوزين ( طاقة ميكانيكية) ويصرف جزء من هذه الطاقة على شكل حرارة (طاقة حرارية) فالعضلة إذن محول للطاقة من حالتها الكيميائية إلى حالتها الميكانيكية والحرارية.

  6 ـ الكشف عن تجديد ATP.

          6 ـ 1 ـ معطيات تجريبية:

تمثل الوثيقة التالية جدولا يوضح معايرة بعض المواد اثناء ظروف تجريبية مختلفة.

التجارب	الملاحظات	المواد المعيرة	نتائج المعايرة
			قبل التقلص	بعد التقلص
إهاجة العضلة كهربائيا	تقلص العضلة لمدة 3 دقائق	غليكوجين	1.62	1.21
		حمض لبني	1.5	1.95
		ATP	2	2
		فوسفوكرياتين	1.5	1.5
إهاجة العضلة بوجود الحمض الأيودي الاستيك(مادة توقف انحلال الكليكوز)	تقلص العضلة لمدة 3 دقائق	غليكوجين	1.62	1.62
		حمض لبني	1.5	1.5
		ATP	2	2
		فوسفوكرياتين	1.5	0.4
إهاجة العضلة بوجود الحمض الأيودي الاستيك ومادة مانعة لانحلال الفوسفوكرياتين	العضلة تتقلص بشكل عادي ثم تتوقف	غليكوجين	1.62	1.62
		حمض لبني	1.5	1.5
		ATP	2	0
		فوسفوكرياتين	1.5	1.5

1 ـ باستغلالك لمعطيات الوثيقة، فسر النتائج المحصل عليها ثم استخلص الظاهرة التي تكشف عنها هذه التجربة.

الاجابة  1 ـ يلاحظ في الظروف العادية تقلص العضلة مع استهلاك للكليكوجين وارتفاع كمية الحمض اللبني ويفسر هذا بوجود اليات استقلابية طاقية: حيهوائية اولا في وجود الأكسجين ثم حيلاهوائية ثانيا عند نقص الأكسجين: تتمثل في التخمر اللبني.  في حين يلاحظ استقرار كمية ATP رغم استهلاكها خلال التقلص العضلي، وهذا يعني انه يتم تجديدها بالمسالك الاستقلابية المذكورة سابقا، اما الفوسفوكرياتين فلا يتغير.  ـ في حالة كبح انحلال الكليكوز تتقلص العضلة بشكل عادي وتبقي كميات الكليكوجين والحمض اللبني وATP ثابتة مع استهلاك الفوسفوكرياتين الذي يستعمل كمصدر لتجديد ATP.  ـ عند كبح انحلال الكليكوز والفوسفوكرياتين تتقلص العضلة باستعمال كمية ATP المتواجدة بالعضلة إلى حين نفاذها فيتوقف التقلص بسبب غياب تجديد ATP    إذن يتبين من خلال هذه المعطيات ان هناك تجديد لـ ATP عبر عدة آليات.

 6 ـ 2 ـ طرق تجديد ATP: 

                              أ ـ تفاعلات سريعة لاهوائية لالبنية:Anaerobe alactique

    هي مصدر الحرارة الأولية خصوصا حرارة الارتخاء.

   ـ التفاعل الأول :تحتوي الألياف العضلية على مركب غني بالطاقة يسمى كرياتين فوسفاط أو فوسفاجين Creatine-P

ADP + Creatine-P --------------------------------------> ATP +Creatine + حرارة الارتخاء

   ـ التفاعل الثاني :

ADP + ADP ------------ enzyme Myokinase----------> ATP +AMP + حرارة الارتخاء

 

                             ب ـ تفاعلات متوسطة لاهوائية لبنية:التخمر اللبني.Anaerobe lactique

 عند نقصان O₂ وبعد تفكيك الكليكوز إلى حمض بيروفيك يختزل هذا الأخير إلى حمض لبني.

C₆H₁₂O₆ + 2ADP + 2P_i -----------------------> 2(CH₃-CHOH-COOH) + 2ATP

 

يسبب تراكم الحمض اللبني انخفاض PH العضلة وبالتالي انخفاض فعالية الأنزيمات وانخفاض الإستقلاب العضلي مما يؤدي إلى التعب العضلي.

                             ج ـ تفاعلات بطيئة هوائية :Aerobe

في وجود O₂ وبعد تفكيك الكليكوز إلى حمض بيروفيك يدخل هذا الأخير في التأكسدات التنفسية داخل الميتوكوندري وهي مصدر الحرارة المتأخرة.

C₆H₁₂O₆  + 6O₂  -------------> 6CO₂ +6H₂O + 36ATP  + الحرارة المتأخرة

 

 انظر الوثيقة

 

يمثل الجدول التالي النسبة المئوية لكل مسلك حسب نوع النشاط الرياضي.

مسلك حيهوائي %		مسلك حيلاهوائي لبني %	مسلك حيلاهوائي لا لبني %
أحماض ذهنية حرة	غليكوجين	غليكوجين	ATP , كرياتين فوسفات
0	4	48	48	100m
0	10	65	25	200m
0	25	62.5	12.5	400m
0	44	50	6	800m
0	75	25	السرعة النهائية 0	1500m
0	87.5	12.5	السرعة النهائية 0	5000m
0	97	3	السرعة النهائية 0	10km
20	79	1	السرعة النهائية 0	الماراثون
60	40	0	السرعة النهائية 0	أكثر من 80km

حسب  Newsholme, 1992

 

www.khayma.com/fatsvt