Hur fungerar muskler?

På lördag ska jag använda mina muskler och särskilt benmusklerna mer än vanligt. Mina ben ska ta ungefär 40 000 steg och det mekaniska arbetet ska utföras av  de buntar av muskler som sitter fastnaglade med senor vid skelettbenen. Det är en otrolig apparat som sätter igång när man springer. Ytterst är det ju mat som omvandlas till mekanisk rörelse och allt hänger framför allt på två proteiner som slingrar sig runt varandra djupt inne i varje muskelcell. Det är märkligt och som mycket annat blir det märkligare ju mer man tänker på det.

De två huvudproteinerna är myosin och aktin. Energi i form av ATP (adenosintrifosfat) får dessa aktörer att engagera sig i en dragkamp som skapar nästan all rörelse på jordklotet.

Sassa brassa muskelmassa
Myosin kan liknas vid en åra med ett kraftigt blad längst ut, medan aktin är ett avlångt buckligt protein vars yta är full av små gropar, som ett vågigt hav. Ingenting händer utan energi och för att dragkampen mellan myosin och aktin ska starta krävs ATP. ATP är kroppens bränsle, det bildas i cellernas kraftverk mitokondrierna där olika molekyler sugs in och kommer ut som en standardiserad energienhet för att fungera på kroppens gemensamma marknad.

Proteinet myosin i grått och blått som glider längs det röda proteinet aktin. Det är det grå huvudet på myosinet som laddas med ATP och som driver aktinet under sig.

Hur går då en muskelsammandragning till? Om man börjar i ett avslappnat tillstånd så håller myosin fast aktin och det är bara i det läget som ATP kan knytas till myosinet. När ATP fäster vid myosinbladet släpper det taget om aktinet. (Utan ATP skulle ingenting hända, aktin skulle vara knutet till myosin, vilket sker vid likstelhet - rigor mortis - när kroppen av naturliga orsaker fått slut på ATP). I nästa steg frigörs energi genom att ATP hydrolyseras till ADP och fritt fosfat, vilket frigör energi som räcker för myosin att lyfta åran och flytta bladet längs aktinet till en grop längre upp. I detta läge är myosinet laddat med energi som en spänd fjäder. Sedan lämnar den från ATP frigjorda fosfatgruppen myosinåran och då skjuter myosin ifrån med ett ordentligt årtag och flyttar aktinet under sig så att den hamnar i samma position som tidigare, fast ett steg längre upp längs aktinet. Därmed har muskeln förkortats. Det var inte bara ett myosinblad, utan tusentals åror som drog myosinet upp längs aktinet och allt eldades med ATP. Man kan se myosinet som ett gäng roddare som taktfast ror ett protein på ett annat vågformat protein fullt av gropar och toppar.

I den nedre bilden har de blå myosinhuvudena dragit in aktin (orangefärgat) så att muskeln förkortas.

Men det krävs ytterligare två proteiner för att få muskeln att arbeta. Tropomyosin och troponin bildar ett s k troponin-tropomyosinkomplex. Tropomyosin är lindat runt aktinet och hålls fast av troponin. När muskeln är avslappnad blockerar tropomyosin aktinet så att myosinbladet inte kan fästa vid groparna i aktinet. För att frilägga aktinet måste troponin ändra form och det sker när halten av kalciumjoner är hög. Kalciumjoner binder sig till troponin och då förändras komplexet - tropomyosin flyttar på sig - och groparna i aktinet exponeras för myosinet så att de med hjälp av ATP kan ta tag och dra sig upp - muskeln kontraherar. När halten av kalciumjoner sjunker tillbaka släpper kalcium sin bindning till troponin, vilket gör att troponinet faller tillbaka i gropen och nitar fast tropomyosinet vid aktinet igen och muskeln slappnar av. 

Här ser man hur det röda myosinet drar sig fram på det bruna aktinet. Det blå bandet är tropomyosin som häftas fast av ovala lila troponin vid det bruna aktinet och hindrar myosinet att fästa.  Den gröna kulan är ATP och den delas i ADP och fosfat. Den lilla gula kulan är kalciumjoner som öppnar upp aktinet för myosin. Källa: http://biology.berkeley.edu/

Det är alltså kalciumjoner som får muskeln att arbeta och kalciumbalansen styrs av nervsystemet. Det är nervsystemet som bestämmer när muskeln ska spännas och slappna av. Från nervcellen färdas en signal - en aktionpotential - längs nervbanan tills den kommer till nervens slut. Där finns en klyfta - en synpas - mellan nerv och muskelcell. En synaps är ett kontaktställe mellan två nervceller i hjärnan, men kan också vara ett kontaktställe där en nervimpuls överförs till en muskelcell. För den senare typen av synapser består impulsöverföringen av signalsubstansen acetylkolin. Impulsöverföringen skapar en elektrisk impuls längs den mottagande muskelcellens membran, vilket frigör kalciumjoner som finns lagrade i en stor säck som kallas sarkoplasmisk reticulum i muskelcellen. Denna säck är utrustad med en stor mängd ATP-drivna kalciumpumpar längs sidorna som pumpar in kalciumjoner i säcken så att den är fylld av kalcium till brädden. När nervimpulsen öppnat säcken släpps dessa ut i muskelcellens cytoplasma och kalciumjonerna skyndar sig att binda till troponin, vilket får muskeln att dra ihop sig eftersom myosin kan binda till det frilagda aktinet. Muskeln utför mekaniskt arbete. Musklerna i mitt ben spänns. Muskelfibrer ligger buntade i mängder i långa rader och tillsammans drar miljarder små roddare mig framåt ett steg i taget. När muskeln slappnar av igen pumpas alla kalciumjoner tillbaka in i säcken på ett ögonblick.

Pulsen är ekot av trumman som slår takten och ju mer man tränar desto bättre samordnas roddarna. Ju fler som ror i takt desto kraftigare årtag. En orsak till träningsvärk är att man ror "åt fel håll" vid excentriskt arbete (som vid utfall). Myosinroddarna har sina åror i vattnet och kämpar emot så mycket som möjligt. Det gör att en del åror går av och det känner vi av i några dagar efteråt.

Muskler är urgamla
Muskelsammandragningar är en otroligt komplex kedja av händelser, samtidigt är den så grundläggande att vi delar den med alla djur som rör sig, från tigrar till sniglar. Ja, t o m en krypande amöba använder samma grundläggande mekanism, samma proteiner uppbyggda av samma aminosyror. En amöba kravlar sig fram genom att myosin steg för steg kravlar sig längs aktinfibrer som till 95 % liknar våra, drivna av den universella energienheten ATP. Denna mekanism är så lyckad att den i stort sett bibehållits sedan evolutionens gryning; en tiger är en stor bunt med celler vars muskler är av samma slag som hos en amöba. Det är bara många, många fler.

Urgamla muskler

Hur man rör sig utan muskler
Måste man ha muskler? Alla djur rör sig, från geparder till jordlöpare och amöbor. Rörelse skapas av muskelsammandragningar. När en tiger kastar sig över ett byte eller när en mördarsnigel kommer dreglande, är det samma mekanism, samma sammandragningar av proteiner, som ligger bakom rörelsen. Det är bara en skalskillnad.

Men det finns djur som faktiskt rör sig utan att använda några muskler. De har helt enkelt inga. I havet finns det tvättsvampar (sea sponges) och de tar sig fram utan muskler. De kan alltså producera starka sammandragningar som skapar rörelse. Forskare från Tyskland under ledning av docent Michael Nickel från Friedrich Schiller-universitetet i Jena kunde nyligen visa att tvättsvamparnas yttersta lager av epitelceller, så kallade pinacocyter - orsakar sammandragningar hos tvättsvampar. Muskelceller har inte dykt upp från ingenstans och en sannolik hypotes är att dessa cellsammandragningar är en slags evolutionära föregångare till våra biceps. Allt har en anspråkslös början, även våra muskler. 

Svampbob Fyrkant - världens mest kända tvättsvamp.

Efter lördagens lopp kommer jag nog att känna mig som en tvättsvamp och det kommer att kännas bra med en blöt tvättsvamp i ansiktet också.