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Lec 6                 

Physiology           

Dr.HananLuay 

Objectives  

1-Define simple muscle twitch? 

2-Describe the sequential events in muscle contraction according to 
the sliding filament theory. 

3- State the principles of walk along theory of skeletal muscle 
contraction 

 

 4-Compare the two types of muscle contraction. 

 

Electrical characteristics of skeletal muscles: 

1-  The  resting  membrane  potential  is  –  80  to  –  90  mill  volt  in  skeletal 
muscle fiber (same as in large mylinated nerve fiber). 
2-  The  electrical  changes  of  the  ion  fluxes  are  similar  to  those  of  the 
nerve fiber during action potential.  
3- Duration of the action potential is 1 to 5 milliseconds (5 times longer 
than that in mylinated nerve fiber).  
4-  The  conduction  velocity  is  3  to  5  m/  second  (less  than  that  in  large 
mylinated nerve fiber). 
5-Due to the slight difference in the threshold between muscle fibers of 
the  same  muscle  and  the  difference  in  the  distance  between  the 
stimulation  site  and  different  muscle  fibers,  the  action  potential 
recorded from the whole muscle after direct stimulation is proportional 
to  the  intensity  of  the  stimulus  between  threshold  and  maximum 
intensity (do not obey all or none law for the whole muscle but not for a 
single muscle fiber which obey this law).

 

6- Each single contraction is followed by a single relaxation in response 
to a single action potential (simple muscle twitch). 
 

Simple muscle twitch: 


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Is a single contraction followed by single relaxation in response to action 
potential .It is measured usually by a device called Myogram.  
The shape is consisted of contraction phase which is preceded by latent 
period (lag phase), then there is the relaxation phase. 
 
The shape of the single muscle twitch is: 

 

 

Excitation contraction coupling

 

1- Sliding filament theory:

 

  The  process  by  which  depolarization  of  the  muscle  fiber  initiates 
contraction  is  called  excitation-  contraction  coupling.  It  occurs  in  the 
following steps: 

1 – The discharge of motor neuron. 

2- An action potential travels along the motor nerve to its ending in the 
muscle fiber. 

3-  Secretion  of  small  amounts  of  neurotransmitter  substance 
Acetylcholine (Ach) at the motor end plate. 

4-Ach  binds  to  nicotinic  receptors  on  muscle  fiber  membrane  to  open 
Ach gated channels. 


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5- Increase in Na and K ions conductance (Na ions diffuse to the interior 
of  the  muscle  fiber  membrane)  and  this  will  initiate  a  local  end  plate 
potential, and when firing level is reached, action potential is generated 
and spread along the whole muscle fiber. 

6- The inwards spread of the action potential by the T system of tubules. 

7- Release of calcium ions from the terminal cisterns of the sarcoplasmic 
reticulum. 

8-Calcium  will  bind  to  Troponin  C  molecule  this  will  lead  to 
conformational changes: 

The binding of Troponin I to actin will be weakened. 

This  allows  Tropomyosin  to  move  laterally  outside  the  groove  and 
uncover the binding sites for the myosin heads. 

So  Ca  ions  will  act  as  an  inhibitory  factor  on  troponin  –tropomyosin 
attachment to actin. 

ATP molecule will split to produce energy (degenerated to ADP) for the 
contraction.  7  Myosin  heads  are  uncovered  for  each  molecule  of 
Troponin that binds to single Ca ion. 

The  formation  of  cross  bridges  between  actin  and  myosin  heads  → 
sliding  of  thin  on  thick  filaments  producing  shortening  (the  sarcomere 
will be shortened).  
The width of A band is constant, whereas Z lines move closer when the 
muscle contracted and apart when the muscle stretched. 
So during muscle contraction 1- the Z lines move closer to each other,2- 
the I band becomes shorter and 3- the A band stays at the same length. 

 


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2- The walk- along or Rachet theory of contraction: 
   This  theory  suggests  that  the  sliding  during  muscle  contraction  is 
produced  by  attaching,  breaking  and  reforming  of  the  cross  linkages 
between  actin  and  myosin  heads,  the  intensity  of  the  interaction 
depends on the number of cross linkages . 
After uncovering of the active sites of the actin ,myosin head link to actin 
at 90 degrees angle(then decreasing the angle because energy liberated) 
producing  movement  by  swiveling(pulling)  and  then  disconnect  and 
reconnect  at  the  next  linking  site  repeating  the  process  in  a  serial 
fashion(i.e.  after  the  head  attaches  to  the  active  site,  it  produces 
profound  changes  in  the  intramolecular  forces  between  the  head  and 
the  arm  ,  the  new  alignment  of  forces  causes  the  head  to  tilt  towards 
the  arm  to  drag  the  actin  filament  along  with  it,  automatically  after 
tilting the head breaks away from the active site, then the head returns 
to  its  extended  direction  ,  then  it  combines  with    a  new  active  site 
farther  down  along  the  actin  filament  ,  the  head  tilts  again  to  form 
another power stroke and then the actin filament moves another step  
  Each  single  cycle  of  attaching,  swiveling  and  detaching  shortens  the 
muscle fiber by 1%of its length. 
   Each  thick  filament  has  about  500  myosin  heads,  and  each  of  these 
cycle 5 times /second during rapid contraction. The pulling of the heads 
of  myosin  to  actin  or  the  tilt  of  the  myosin  head  is  called  the  power 

stroke. 
 
 
 
 
 
 
 
Power  stroke  of  myosin  in  skeletal  muscle.  The 
myosin  head  detaches  from  actin  (top),  moves 
several nm along the actin strand, and reattaches 
(middle). The head then flexes on the neck of the 


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myosin molecule (bottom), moving the myosin along the actin strand. 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

Steps in relaxation: 

1- 

After  a  fraction  of  a  second,  the  calcium  ions  are  pumped  actively 

back  into  the  sarcoplasmic  reticulum  by  a  Calcium  membrane  pump 
(active  transport,  needs  ATP  i.e.  both  contraction  and  relaxation  need 
energy)they are going to diffuse into the terminal cisterns to be released 
by the next action potential. 

 

2- The release of calcium ions from Troponin C, 

3- Then cessation of binding between actin and myosin (i.e. tropomyosin 
returns  to  its  site)  this  removal  of  calcium  ions  causes  the  muscle 
contraction to stop. 

    If  Ca ions stay in high concentration outside the SR, or if the Ca ions 
transport to the SR is inhibited, there will be persistent contraction and 
no relaxation even though there are no more action potentials and this 
will result in what is called contracture (sustained contraction). 

Characteristics of whole muscle contraction: 

Types of contraction


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1-  Isomertic  contraction:  is  when  the  muscle  does  not  shorten  during 
contraction  i.e.  no  change  in  muscle  length,  but  the  tension  will 
increase.  The  muscle  contracts  against  a  force  transducer  without 
decreasing  the  muscle  length.  e.g.  trying  to  lift  a  heavy  object.  The 
work done here is zero, because no movement. 

The  isometric  contraction  records  the  changes  in  force  of  the  muscle 
contraction itself, it is used to compare the functional characteristics of 
different muscle types

 

2- Isotonic contraction: 
  It  is  the  contraction  that  causes  shortening  of  the  muscle  length  and 
the muscle has the same tension. e.g. lifting an object by contracting the 
biceps muscle. 
Here there is work done because there is movement. 

The muscle shortens against a fixed load, and its characteristics depends 
on the load against which the muscle contracts and on the inertia of the 
load. 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
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