Kas kasılması

Doğukan cumartesi günü dayısı Ercan'ın nakliye işinde çalışıyor. Yeni taşınılan bir dairede boy aynasını duvara dayayıp dirsekleri hafif bükük tutuyor; Ercan bu arada askı vidalarını sıkıyor. İki dakika boyunca Doğukan'ın kolları bir milim bile oynamıyor, ama önce omuzları yanmaya, sonra kolları titremeye başlıyor. Kafasındaki açıklama hazır: kasılan kasın içindeki lifler lastik gibi büzülür, kıpırdamayan bir kolda da lastik yalnızca gergin bekler. Aynayı devralan Ercan aşağıdaki kamyoneti gösteriyor. Kasadaki koltuğu sabahtan beri yerinde tutan lastik ahtapotlar hâlâ aynı gerginlikte; ne ısınmışlar ne gevşemişler. Gergin bir lastik yükünü saatlerce bedelsiz taşıyor. Doğukan'ın kolu ise boyu hiç değişmediği hâlde iki dakikada tükendi. Dışarıdan hiçbir hareket görünmezken kasın içinde süren, yakıt yakan bir iş olmalı.

• Sarkomerdeki Z çizgisini, A, I ve H bantlarını içerdikleri iplikçiklere göre ayırt edersin.
• Kasılmada hangi bant boyunun değişip hangisinin sabit kaldığını varsayımsal ölçümlerle hesaplarsın.
• Motor nörondan asetilkolin salınmasından miyozinin aktini çekmesine ve gevşemeye kadar olayları sıralarsın.
• ATP, Ca²⁺ ya da asetilkolinin yıkımı aksadığında kasta ne olacağını gerekçesiyle tahmin edersin.

Lastik benzetmesinin iki kusuru

Doğukan'ın benzetmesi önce kancadaki gözlemde çöker: gerili bir lastik yükü enerji harcamadan tutar, kas ise kıpırdamadan dururken bile yakıt tüketir ve yorulur. Benzetmeyi yıkan öteki kanıt mikroskoptan gelir. Kasılmış ve gevşek bir kas lifinin enine bantları karşılaştırıldığında bazı bantların daraldığı, bazılarının ise genişliğini hiç değiştirmediği ölçülür. Lastik gibi bütünüyle büzülen bir yapıda her parça aynı oranda kısalırdı. Demek ki kas lifinin içinde kısalan şey ipliklerin kendisi değil, onların dizilişidir. Bunu görmek için «Kas çeşitleri» dersinde en küçük birim olarak bıraktığımız sarkomerin içine girelim.

Sarkomerin haritası

Sarkomer, kasılmanın birimidir: bir iskelet kası kısaldığında bunu, miyofibril boyunca uç uca dizilmiş binlerce sarkomerin her birinin biraz kısalmasıyla yapar. Bir sarkomerin iki ucu Z çizgisi denen ince, koyu bir sınırla belirlenir. Z çizgisinden sarkomerin ortasına doğru ince iplikçikler uzanır; bunlar çoğunlukla aktin proteininden yapılmıştır. Sarkomerin ortasında ise iki uca da değmeyen, daha kalın iplikçikler durur: kalın iplikçik miyozin proteininden oluşur ve yüzeyinden aktine doğru uzanan çok sayıda miyozin başı taşır. «Proteinler» dersinde hareket görevine örnek verdiğimiz iki protein bu ikisidir.

Mikroskopta görülen bantlar bu iki iplikçiğin nerede bulunduğunu gösterir:

A bandının genişliği, kalın iplikçiğin boyuna eşittir. I bandı iki komşu sarkomerin sınırına oturur; Z çizgisi onu ortadan ikiye böler. Bu yüzden tek bir sarkomerin ölçümünde «I bandı» denince iki uçtaki yarım I bantlarının toplamı kastedilir. H bandı ise A bandının içinde, aktin uçlarının karşılaşamadığı aralıktır.

Kayan iplikçikler: hangi boy değişir?

Kasılmada miyozin başları aktine tutunur ve onu sarkomerin ortasına doğru çeker. Sarkomerin iki yarısındaki ince iplikçikler birbirine doğru kayar, onlara bağlı Z çizgileri de yaklaşır. Bu açıklamaya kayan iplikçikler modeli denir. Modelin özü tek cümledir: iplikçiklerin hiçbiri kısalmaz, yalnızca aktinle miyozinin üst üste geldiği bölge genişler.

Bant boylarındaki her değişim bu cümleden çıkar:

Bir örnekle sayalım (varsayımsal değerler, mikrometre cinsinden). Gevşek bir sarkomer 2,6 µm uzunluğunda, A bandı 1,6 µm. I bandı ikisinin farkıdır: 2,6 − 1,6 = 1,0 µm. Her aktin iplikçiği Z çizgisinden 1,0 µm içeri uzanıyorsa iki aktin ucu arasında 2,6 − 2 · 1,0 = 0,6 µm kalır; H bandı budur. Sarkomer 2,2 µm'ye kısalınca A bandı yine 1,6 µm olur. I bandı 2,2 − 1,6 = 0,6 µm'ye, H bandı 2,2 − 2,0 = 0,2 µm'ye iner. Sarkomer 0,4 µm kısaldı; I bandı da H bandı da tam 0,4 µm daraldı. Her bir aktin iplikçiği ise yalnız 0,2 µm kaydı, çünkü iki yandan birbirine doğru ilerleyen iki iplikçik kısalmayı paylaşır. Örnek, hesabın kısa yolunu da verir: A bandı sabit kaldığından I bandının daralması sarkomerin kısalmasına eşittir; aktinin boyu sabit kaldığından H bandının daralması da aynı miktardadır. Aktin boyunu sorarlarsa sarkomerden H bandını çıkarıp ikiye bölmek yeter.

Sinirden kasılmaya

Bir iskelet kası lifi kendiliğinden kasılmaz; buyruğu motor nörondan alır. «Sinaps ve nörotransmitterler» dersinde nöron–kas sinapsının ilk yarısını izlemiştik. Zincir kas lifinin içinde şöyle sürer:

1. Motor nöronun akson ucuna ulaşan impuls, keseciklerdeki asetilkolinin ekzositozla sinaps aralığına bırakılmasına yol açar.
2. Asetilkolin kas lifinin zarındaki reseptörlere bağlanır; zarda «İmpuls iletimi» dersindekine benzer bir depolarizasyon başlar ve impuls lifin zarı boyunca yayılır.
3. İmpuls, zarın lifin derinlerine uzanan kıvrımları üzerinden içeri taşınır ve hücrenin özelleşmiş endoplazmik retikulumu olan sarkoplazmik retikulumu uyarır.
4. Sarkoplazmik retikulumda depolanmış Ca²⁺ iyonları sarkoplazmaya salınır.
5. Gevşek lifte ince iplikçik üzerindeki miyozin bağlanma yerleri düzenleyici proteinlerle örtülüdür; ders kitaplarında bu proteinler troponin ve tropomiyozin adıyla geçer. Ca²⁺ bu proteinlere bağlanır ve bağlanma yerleri açılır.
6. Miyozin başları açılan yerlerden aktine bağlanır, ATP'den aldığı enerjiyle aktini sarkomerin ortasına doğru çeker, sonra ayrılıp biraz ileriden yeniden tutunur. Bu bağlan–çek–ayrıl döngüsü Ca²⁺ ve ATP bulundukça tekrarlanır.

Son halkada ATP'nin payı büyüktür. Miyozin başı çekme hareketinin enerjisini ATP'yi parçalayarak elde eder; aktinden kopabilmesi için ise başa yeni bir ATP bağlanmalıdır.

Gevşemek de iş ister

Motor nöron impuls göndermeyi bırakınca sinaps aralığındaki asetilkolin, asetilkolinesteraz enzimiyle yıkılır ve kas zarındaki uyarı söner. Sarkoplazmadaki Ca²⁺ iyonları sarkoplazmik retikuluma geri pompalanır. Bu taşıma derişim farkına karşı yapılır; «Aktif taşıma, endositoz ve ekzositoz» dersinde gördüğümüz gibi her aktif taşıma ATP harcar. Ca²⁺ ortadan çekilince bağlanma yerleri yeniden örtülür, miyozin başları tutunamaz ve aktin iplikçikleri, kasın esnekliği ve karşısındaki antagonist kasın çekişiyle eski konumuna döner.

Gevşeme de ATP'siz yürümez: Ca²⁺'u geri taşımak da bağlı miyozin başını aktinden ayırmak da enerji ister. Ölümden sonra hücrede ATP üretimi durduğunda miyozin başları aktine bağlı kalır ve kaslar bir süre kasılı biçimde sertleşir; buna ölü sertliği denir. «Kas kasılırken ATP harcar, gevşerken harcamaz» düşüncesi bu yüzden yanlıştır.

Doğukan'ın kolunda olan da buydu. Aynayı tutarken sarkomer boyu sabit kaldı, ama miyozin başları aktine tutunup çekmeyi, kopup yeniden tutunmayı durmadan tekrarladı; her döngü bir ATP yaktı ve ayna o çekişlerin toplamıyla yerinde durdu. Lastik ahtapotun gerginliği ise moleküllerinin esnekliğinden gelir ve bakım istemez.

Kasın yakıt deposu

Kas hücresi ATP'yi çok az miktarda depolar; bu stok yoğun bir çalışmayı ancak birkaç saniye karşılar. ATP harcandıkça hızla yeniden yapılması gerekir. İlk yedek kreatin fosfattır: kas hücresinde bulunan bu molekül fosfatını ADP'ye aktararak çok hızlı biçimde ATP oluşturur, ama o da kısa sürede tükenir. Uzun süren çalışmada ATP'nin büyük kısmı kan yoluyla gelen glikozun ve kasta depolanan glikojenin mitokondride oksijenli solunumla yıkılmasından elde edilir; «Nükleik asitler ve ATP» dersinde enerji para birimi dediğimiz molekül böyle yenilenir.

Yoğun çalışmada kana ve kasa ulaşan oksijen yetmeyebilir. Bu durumda kas hücresi glikozu oksijen kullanmadan laktik asit fermantasyonuyla yıkar. Bu yol hızlıdır ama glikoz başına çok az ATP verir ve laktik asit birikir; ders kitapları kas yorgunluğunu ve yanma hissini bu birikimle ilişkilendirir. Fermantasyonun basamaklarını ve neden bu kadar az ATP verdiğini «Canlılarda enerji dönüşümleri» modülünün «Fermantasyon» dersinde açacağız.

Tek lif ya hep ya hiç, bütün kas kademeli

«İmpuls iletimi» dersinde tek bir nöronun eşiğe ulaşan her uyarıya aynı büyüklükte impulsla karşılık verdiğini görmüştük. Tek bir kas lifi de böyle davranır: eşik altındaki uyarıda kasılmaz, eşiğe ulaşan her uyarıda o anki koşullarda verebildiği en güçlü kasılmayla yanıt verir. Bu, kas lifi için ya hep ya hiç ilkesidir.

Oysa bir kalemi kaldırırken de bir kova suyu kaldırırken de aynı pazı kasını kullanırız ve kuvvet ihtiyaca göre ayarlanır. Bunun yolu, kaç lifin uyarıldığıdır. Bir motor nöronun aksonu dallanarak birçok kas lifine ulaşır; bu nöron impuls gönderdiğinde ona bağlı liflerin hepsi birlikte kasılır. Hafif yük az sayıda motor nöronla karşılanır, ağır yükte çok daha fazlası devreye girer. Aynı derste sinir için vardığımız sonuç kas için de geçerlidir: ilke tek birimi bağlar, bütünün cevabı kademelidir.

Kuvveti artıran ikinci etken uyarıların sıklığıdır. Tek bir uyarı lifte kısa bir kasılma ve ardından gevşeme oluşturur. Uyarılar gevşeme bitmeden art arda gelirse kasılmalar birbirine eklenir ve kas kesintisiz, güçlü bir kasılmada kalır; buna tetanos (sürekli kasılma) denir. Günlük hareketlerin çoğunda kaslar bu birleşik kasılmayla çalışır. Aynı adı taşıyan bulaşıcı hastalıkla bu fizyolojik durum birbirine karıştırılmamalıdır.

Kemikten sarkomere kurulan sistem

Destek ve hareket sistemini kemiğin dokusundan başlayıp sarkomerin içindeki tek bir miyozin başına kadar izledik. «Destek ve hareket soru kampı»ndaki sorular bu katların arasında gidip gelecek. Bir merdiven basamağına çıkan bacağı düşün: hareketin hangi eklem türünde döndüğü, o eklemi oluşturan kemiğin osteoblast ve osteoklastlarla nasıl biçimlendiği, dizi açan kas kasılırken karşısındakinin neden gevşediği, motor nörondan gelen asetilkolinle başlayan zincirin sarkomerde hangi bandı daraltıp hangisine dokunmadığı aynı sorunun parçaları olabilir. Kemik yapısı ve hücreleri, eklem türleri, kas türleri, sarkomer ile kayan iplikçikler ve sinir–kas bağlantısı orada karışık sorularda birlikte kullanılacak; işin zor yanı, verilen durumun hangi katı ilgilendirdiğini seçmek.

Örnek 1 — Hangi bant direnir?

Soru: Gevşek hâlden kasılı hâle geçen bir iskelet kası lifinin sarkomerinde boyu değişmeyen yapılar hangi seçenekte birlikte verilmiştir?

• A) I bandı ve H bandı
• B) A bandı ve aktin iplikçiklerinin boyu
• C) Sarkomer ve A bandı
• D) H bandı ve miyozin iplikçiklerinin boyu
• E) I bandı ve örtüşme bölgesi

Çözüm: A bandının genişliği miyozinin boyudur ve miyozin kısalmaz; aktin de kısalmaz, yalnız kayar. Sarkomer, I ve H bantları daralır, örtüşme bölgesi genişler. A, C, D ve E en az bir değişen ölçüyü sabit sayıyor. Cevap: B.

Örnek 2 — Kalsiyum nereden gelir?

Soru: Bir iskelet kası lifinde miyozin başlarının aktine bağlanabilmesini doğrudan sağlayan olay hangisidir?

• A) Asetilkolinin miyozin başlarına bağlanması
• B) Kreatin fosfatın Ca²⁺'u bağlanma yerlerinden uzaklaştırması
• C) Sarkoplazmik retikulumdan salınan Ca²⁺'un ince iplikçikteki bağlanma yerlerini açması
• D) ATP'nin aktin iplikçiğini kısaltması
• E) Ca²⁺'un sarkoplazmik retikuluma geri pompalanması

Çözüm: Asetilkolin kas zarındaki reseptörlere bağlanır, miyozine değil; zincirin sonundaki adımı başlatan, sarkoplazmik retikulumdan salınan Ca²⁺'dur. E bağlanma yerlerini kapatan gevşeme adımını tersine okuyor, D aktinin kısaldığı yanılgısını taşıyor, B ise kreatin fosfata ATP yenileme dışında bir görev yüklüyor. Cevap: C.

Örnek 3 — Ölçümden aktinin boyuna

Soru: Varsayımsal bir ölçümde gevşek bir sarkomer 2,4 µm, H bandı 0,4 µm ve A bandı 1,6 µm bulunuyor. Sarkomer 2,1 µm'ye kısaldığında I bandı ve H bandı kaç µm olur?

• A) I = 0,5 · H = 0,1
• B) I = 0,8 · H = 0,4
• C) I = 0,65 · H = 0,25
• D) I = 0,5 · H = 0,4
• E) I = 0,2 · H = 0,1

Çözüm: Gevşek hâlde I bandı 2,4 − 1,6 = 0,8 µm; her aktin iplikçiği (2,4 − 0,4) / 2 = 1,0 µm uzunluğunda. Kasılmada A bandı 1,6 µm kalır, I bandı 2,1 − 1,6 = 0,5 µm olur. H bandı 2,1 − 2 · 1,0 = 0,1 µm'dir. Kısaca sarkomer 0,3 µm kısaldı, iki bant da 0,3 µm daraldı. C, 0,3'lük kısalmayı ikiye bölüp iki banttan yarısını düşmüş; D, H bandını sabit sanmış. Cevap: A.

Örnek 4 — Doğukan'ın aynası

Soru: Doğukan aynayı iki dakika boyunca kolunu hiç oynatmadan tuttuğu hâlde kaslarının yorulmasını en iyi açıklayan hangisidir?

• A) Kas gergin bir lastik gibi davrandığı için gerginliği korumak enerji gerektirmez; yorgunluk yalnız sıkıntıdan doğar.
• B) Kasılı kalan aktin iplikçiklerini kısa tutmak sürekli ATP ister.
• C) Kas kıpırdamadığı için sarkoplazmik retikulum Ca²⁺ salmayı bırakır.
• D) A bandı kısalmış hâlde tutulduğu için miyozin harcanır.
• E) Sarkomer boyu değişmese de miyozin başları aktine bağlanıp çekme ve ayrılma döngüsünü sürdürür; her döngü ATP harcar.

Çözüm: Yükü tutan kuvvet, tekrar tekrar bağlanıp çeken miyozin başlarının toplam kuvvetidir ve her döngü ATP ister; boy değişmemesi işin durduğu anlamına gelmez. B ve D kısalan bir iplik ya da bant varsayıyor, C ise Ca²⁺ kesilseydi kasın gevşeyeceğini, yani aynayı bırakacağını gözden kaçırıyor. Cevap: E.

• Kasılmada aktinin ya da miyozinin kısaldığını sanmak. İki iplikçiğin boyu da sabittir; kısalan sarkomerdir, çünkü aktin miyozin üzerinde kayar.
• A bandının da daraldığını düşünmek. A bandı miyozinin boyudur; kasılmada daralan I ve H bantlarıdır, A sabit kalır.
• I bandının daralmasını sarkomer kısalmasının yarısı saymak. Sarkomer ne kadar kısalırsa I bandı da H bandı da o kadar daralır; yarıya bölünen, her bir aktin iplikçiğinin kayma miktarıdır.
• Gevşemenin enerjisiz olduğunu varsaymak. Ca²⁺'un sarkoplazmik retikuluma aktif taşımayla geri alınması ve miyozinin aktinden ayrılması ATP ister; ATP bitince kas gevşemez, kasılı kalır.
• Bütün kasın da ya hep ya hiç kasıldığını sanmak. İlke tek kas lifi içindir; bütün kasın kuvveti uyarılan lif sayısı ve uyarı sıklığıyla ayarlanır.
• Ca²⁺'u kas zarından giren iyon sanmak. Kasılmayı başlatan Ca²⁺ lifin içindeki sarkoplazmik retikulumdan salınır; kas zarındaki impulsu başlatan asetilkolindir.