FISIOLOGI OTOT Bagian Fisiologi Departemen AFF FKH IPB INSTITUT PERTANIAN BOGOR
1
What muscle do? FUNGSI OTOT Voluntary vs Involuntary Pergerakan, jalan, lari, mempertahankan posisi tegak tubuh dll. Respirasi, pencernaan Produksi panas (thermogenesis) – menggigil 30-40% tubuh adalah otot daging
KARAKTERISTIK OTOT Eksitabilitas – mampu menerima & menanggapi rangsangan luar Kontraktilitas – mampu memendek Ekstensibilitas – dapat diregang Elastisitas – mampu kembali ke bentuk awal setelah diregang
2
TIPE OTOT 1. OTOT POLOS (involuntary) Umumnya digunakan pada kontraksi organ ( sal. pencernaan, kantung kemih dan pembuluh darah) untuk pergerakan materi ke dalam atau luar tubuh
2. OTOT LURIK (striated) 1. Kerangka (voluntary), terdiri dari: a. Tipe I b. Tipe IIa c. Tipe IIb 2. Jantung (involuntary)
3
OTOT SECARA MIKROSKOPIS
Sumber: DU Silverthorn Human Physiology An Integrated Approach 6 th Ed pp 399
4
Struktur Otot Rangka •
Struktur Otot o Kebanyakan otot rangka bertaut pada tulang • Serabut otot - Perkembangan o Beberapa ratus Myoblast bergabung membentuk satu myotube banyak inti. o Myotube berkembang menjadi serabut otot myofiber dewasa dg diameter 5-100 µm, dan panjangnya beberapa cm Kumpulan serat otot bergabung sebagai kesatuan yang disebut fasikulus Epimisium: mengelilingi otot secara keseluruhan Perimisium mengelilingi fasciculus Endomosium mengelilingi sarkolema (membrane serabut otot) Epimisium, perimysium, dan endomysium bergabung membentuk tendon
Sumber: Clinical Anatomy and Physiology for Veterinary Technician
3 rd
5 Ed (2008) pp 218
Myofibril terdiri dari sarcomer subunit yang berulang dan tersusun secara seri.
Sarcomer adalah unit fungsional (komponen terkecil yg dapat menyelenggarakan semua fungsi organ) otot kerangka, unit kontraktif terkecil.
Thin
Thick
Setiap Sarcomere mengandung proteins panjang- Myofilaments ◦ Tebal - Myosin 1.6 µm ◦ Tipis - Actin 1.0 µm ◦ Filamen tipis dan tebal saling menumpuk sebagian membentuk pola pita. ◦ Protein pengatur: tropomiosin dan troponin ◦ Protein tambahan: titin dan nebulin Sarcomere menyebabkan pola lurik/striation pada otot kerangka. 6
• Lempeng Z “zwischen: antara”, tempat melekatnya filament tipis / aktin • Pita A “anisotropic” – Gelap – meliputi seluruh panjang filament tebal/ miosin, ada tumpeng tindih dengan filamen tipis • Pita I “isotropic”- Terang – Bagian dari yang hanya berisi filament tipis/ aktin • Zona H “helles: jernih” – daerah yang hanya ditempati filament tebal • Garis M “mittel: tengah” = tempat melekatnya filament tebal
7
Sumber: DU Silverthorn Human Physiology An Integrated Approach 6 th Ed pp 405
8
Filamen ditunjang oleh titin dan nebulin
Sumber: DU Silverthorn Human Physiology An Integrated Approach 6 th Ed pp 406
9
• Miosin rangkaian panjang (Myosin Heavy Chains) – Seperti 2 tongkat golf dengan ekornya saling melilit dan kepala bengkok keluar. • Miosin rangkaian pendek (Myosin Light Chains) terdiri dari essential light chains and regulatory light chains 10
• Bila heavy chain dipotong dengan enzyme maka structure daerah S1 (head) yg dikaitkan dengan light chain dpt ditentukan. • Heavy chain mengandung actin binding site and myosin ATPase site
11
12
13
14
NEURO-MUSCULAR JUNCTION
neurotransmitter
15
16
TUBULUS T
Sumber: DU Silverthorn Human Physiology An Integrated Approach 6 th Ed PP 404
17
18
Intraseluler
Ekstraseluler
K+
124
2.3
Na+
3.6
108.8
Ca2+
4.9
2.1
Mg2+
14
1.3
Cl-
1.5
77.9
HCO3-
12.4
26.6
Phosphocreatine
35.2
-
45
14
Organic anion
19
1
Somatic motor meuron releases Ach at neuro-muscular junction
Net entry of Na+ through Ach 2 receptor-channel initiates a muscle action potential 3
Action potential in T-tubule alters conformation of DHP receptor
DHP receptor opens Ca2+ release 4 channels in sarcoplasmic reticulum and Ca2= enter cytoplasm 5
Ca2+ bind to Troponin, allowing strong actin-myosin binding
6 Myosin head execute power stroke 7 Actin filament slides toward center of 20 sarcomere
KONTRAKSI OTOT
Observations: Kontraksi Otot adalah hasil kontraksi sarkomer. • Lebar Pita A tetap saat kontraksi • Pita I dan zona H memendek shorter •
Sliding Filament Theory (Teori pergeseran filamen) Panjang filamin aktin dan miosin tidak berubah selama kontraksi (hanya bergeser) • Lebar daerah tumpang tindih semakin melebar (H zones and I bands are regions of non-overlap. • Filaments tipis bergeser sepanjang filamen tebal. 21 • Karena filamen tipis terikat pada lempeng Z maka sarcomer memendek. •
ATP & KONTRASI 1. Pemutusan Ikatan silang Pada tahap ini ATP berikatan dengan Miosin. A-M + ATP A + M-ATP disosiasi Saat ini ATP terikat pada kepala miosin, terjadi penurunan afinitasnya kepala miosin terhadap aktin sisi lainnya. Contoh: Allosteric Regulation 2. Memberi energi (Energising) Miosin ATP dihidrolisis untuk memberi Miosin (kepala miosin seperti ATPase) energi agar dapat menempel kembali ke aktin sisi lainnya. A + M-ATP
A + M*-ADP-Pi
hidolisa ATP Note: Pi belum meninggalkan ADP. 22
ATP & KONTRASI 3. Penempelan Cross Bridge Miosin masih mengikat ADP dan Pi and situasi ini disebut “berenergi”, sehingga kepala miosin berikatan dengan aktin. A + M*-ADP-Pi
A-M*-ADP-Pi
berikatan 4. Pergerakan Cross Bridge Pada keadaan berenersi ini, M* menyebabkan pergerakan antara filamen actin and myosin melalui pelepasan Pi. ADP akan terlepas karena miosin tidak memiliki kemampuan mengikat ADP A-M*-ADP-Pi
A-M + ADP + Pi
pergerakan Pada tahap ini ikatan Actin and Myosin sangat kuat dan memerlukan enersi tambahan untuk memutuskan, yaitu input ATP 23
DEPOLARISASI SAMPAI KE DAERAH TRIAD
CA2+ DISEKRESIKAN OLEH Ca2+ CHANNEL
TERJADI PENYERAPAN SECARA AKTIF Ca2+ 24
1. Impuls syaraf me-depolar-kan sarcolemma. 2. SR merangsang pelepasan Ca2+ dari terminal cisternae. (SR segera memulai pengumpulan kembali Ca++.) 3. Ca2+ terikat di troponin, menggerakkan tropomyosin dan bagian aktive sites on actin.
4. Crossbridge cycling begins 5. Ketika stimulus berhenti, [Ca2+] di sarcoplasm cepat turun dan otot relaksasi.
Video 25
26
REGULATION OF MUSCLE CONTRACTION PERAN CA2+ • Regulasi – diperlukan agar otot dpt kontrasi and relaksasi. Serabut otot akan gagal kontraksi bila konsentrasi Ca2+ dari simpanan internal ditekan. • "Skinned" serabut otot hasilkan tonus jika diberi ATP and Ca2+, tapi tidak akan tejadi bila hanya diberi ATP tanpa Ca2+. • Kekuatan yg dibangkitkan pada "skinned" serabut otot proposional dg konsentrasi Ca2+. 27
REGULATION OF MUSCLE CONTRACTION PERAN Ca2+
• Ca2+ and ATP diperlukan oleh otot untuk laksanakan siklus contraction/relaxation • Ca2+ tanpa ada ATP akan terjadi Rigor • Ca2+ memodulasi ATP-ase activity dari fragmen S1 miosin yg diamati + actin – tp hanya dg keberadaan troponin and tropomyosin
28
SERABUT SLOW-OXIDATIVE DAN FAST-GLYCOLITIC
Fast Twitch: • glycolytic muscles • larger diameter fibers, pale color; Easily fatigued • intermediate speed • anaerobic & aerobic
Slow Twitch: Aerobic, less fatigue • Smaller diameter fibers • More mitochondria • More capillaries • Dark color due to myoglobin • Endurance activities • Postural muscles
29
SIFAT SERABUT KERUT PADA OTOT KERANGKA MAMALIA SIFAT
Slow oxidative (Tipe I)
Fast oxidative (Tipe IIa)
Fast Glycolytic (Tipe IIb)
Diameter serabut Kekuatan per area potongan melintang Kecepatan kontraksi
Aktifitas miosin ATPase Resistensi terhadap kelelahan Jumlah mitokondria Kapasitas oksidasi fosforilasi Enzim untuk glikolisis anaerobik sedang
rendah
tinggi 30
PERBANDINGAN OTOT PUTIH DAN MERAH Tipe
Otot Putih
Otot Merah
Ukuran
Besar (banyak unit kontraksi)
Kecil
Warna
Pucat ( miskin mioglobin) Merah (kaya mioglobin – O2 )
Aliran Darah ? Mitokondria ?
Sedikit kapiler Sedikit mitokondria
Banyak kapiler Banyak mitokondria
Sumber ATP
Glikogen - asam laktat
Oksidasi fosforilisasi (terutama dari siklus Kreb’s)
Kegunaan fungsional
Kecepatan dan tenaga
Endurance (bertahan lama) kurang bertenaga
Kekurangan
Cepat lelah
Tenaga kurang
31
TRADE-OFFS BETWEEN FAST-TWITCH AND SLOW-TWITCH MUSCLE FIBERS • Serabut dg kec maksimum yg tinggi Vmax (kerut cepat/fast twitch) dpt menghasilkan lebih kerja, kekuatan mekanik(A) dan mechanical power (B), tp menggunakan lebih banyak dari serabut dg Vmax lebih rendah (kerut lambat). • Serabut dg Vmax rendah menggunakan energi lebih efisien pg lambat. • Serabut dg Vmax tinggi lebih efisien pd kecepatan pemendekan yg tinggi. • Jika hewan ingin meghasilkan baik gerakan cepat maupun lambat secara efisien, hewan itu hrs memiliki kedua tipe otot tersebut.
• Semua serabut otot dari 1 unit motorik dapat ditemukan serabut-serabut ototnya menyebar di otot tersebut • Syaraf motorik 1 menstimulasi serabut otot dalam unitnya saja, sementara staraf motorik 2 merangsang serabut otot di unitnya.
• Peningkatan jumlah serabut otot yang terlibat kontarksi melalui peningkatan keterlibatan unit motorik di otot tersebut. • Akan diperoleh respon bertingkat dalam kontraksi otot.
33
"All or none“ Fine touch 1:1 nerve to Fiber Finger tips Big muscles 1: 2000 Leg muscles
Weak stimulus Lowest threshold fibers Slow twitch typically Moderate: adds Fast Oxidative High stimulus: all fibers Asynchronous: Units take turns Prevents fatigue 34
Twitch: respons otot kerangka terhadap rangsangan tunggal atau potensial aksi: •Periode latent - no change in length; time during which impulse is traveling along sarcolemma & down t-tubules to sarcoplasmic reticulum, calcium is being released, and so on (in other words, muscle cannot contract instantaneously!) •Periode kontraksi - tension increases (cross-bridges are swivelling) •Periode relaksasi - muscle relaxes (tension decreases) & tends to return to its original length 35
36
1. isotonic - tension or force generated by the muscle is greater than the load & the muscle shortens 2. isometric - load is greater than the tension or force generated by the muscle & the muscle does not shorten
37
38
39
Tampilkan 30 detik
UJI DAYA KONSENTRASI ANDA SEKARANG !! Who is he?
40
OTOT POLOS • Berdasarkan lokasi: Vaskular, Gastrointestinal, Uninarius, Respirasi, Reproduksi, Okular
• Pola kontraksi
41 Sumber: DU Silverthorn Human Physiology An Integrated Approach 6th Ed pp 426
• Pola koordinasi
42
PERBANDINGAN SINGLE UNIT AND MULTI UNIT
Single-Unit smooth muscle – serabut kontraksi bersama dan bekerja sebagai satu unit (single unit). Seperti serabut jantung, kecil, memanjang and pipih pd tiap ujungnya. Dihubungkan dengan lainnya melalui gap junctions Depolarisasi spontan (myogenic) – disebarkan ke sel dekatnya secara aktif Kontraksi peristaltik – gelombang aktifitas yang bergerak sepanjang saluran pencernaan, mendorong makanan. Juga ditemukan di urinary bladder, ureters, dan uterus Rangsangan syaraf memodulasi kekuatan frekwensi kontraksi, tapi tidak menginisiasinya, seperti pada otot jantung.
Multi-Unit Smooth Muscle – serabut bekerja secara independen dan hanya kontraksi jika dirangsang oleh neurons or hormones (neurogenic) Umumnya otonom dan involunter. Kecuali: Bladder Tidak ada motor end plate - transmitter dilepas dar beberapa varicosities sepanjang akson - receptors tidak terkonsentrasi tapi difuse. Serabut otot tidak dihubungkan oleh Gap Junctions Iris mata - regulasi diameter pupil Otot polos pada dinding pembuluh darah 43
• Dapat ditemukan pada dinding organ: digestive tract, urinary bladder, uterus • Fungsi viseral - gerakan peristaltik untuk mendorong isi atau squeezing to expel contents – inervasi oleh sistim syaraf otonom – beberapa otot polos dapat juga berfungsi secara independent (myogenic). • Heterogenous - banyak subtipe • Tidak ada Sarkomer shg tidak nampak lurik • Berinti satu • Retikulum sarkoplasma tidak berkembang • Tidak ada tubulus T • Memiliki filamen tipis dan tebal tapi tidak tersusun dalam sarkomer. • Bundel filamen tipis melekat pada Dense Bodies atau Attachment Plaques – dihubungkan dgn penghubung khusus yg juga mengikat sel tetangga - mengandung alpha-actinin (seperti lempeng Z pd otot kerangka) dan vinculin - khusus pada otot polos. • Bundel Bundles of Thin Filaments are interdigitated with the thin filaments. • Gap junctions pada otot polos single-unit - kontraksi bersama-sama. 44
PERBANDINGAN MIKROSKOPIS OTOT KERANGKA DAN POLOS 45
REGULASI KONTRAKSI OTOT POLOS Beberapa otot polos kontraksi dan relaksasi sangat lambat. Mekanisme Eksitasi-kontraktion berbeda dari otot kerangka tapi masih tergantung pada [Ca2+] dlm sarkoplasma. Retikulum sarcoplasmic tidak berkembang - Ca2+ datang dari ekstraseluler dengan cara: Depolarisasi Voltage gated Ca2+ channels pada sarkolema terbuka Ca2+ masuk – mendorong kontraksi Relaksasi jika permeabilitas Ca2+ kembali normal and pompa Ca2+ pada sarkolema menurunkan level Ca2+ intraseluler. Some Smooth muscle cells have Ca2+ spikes - inward current carried by Ca2+ - quick rise in Ca2+ levels.
46
• Otot polos tdk punya troponin, tapi punya mekanisme pengaturan untuk aktin: • Protein Caldesmon berikatan dg filamen halus, mencegah ikatan dg myosin. • Caldesmon dihilangkan dg: 1. Calmodulin - Ca2+ berikatan dg calmodulin and kompleks calmodulin/Ca2+ berikatan dg caldesmon, pembebasan daerah pengikatan kepala miosin pd aktin. 2. Foforilasi caldesmon by Protein Kinase C. Phosphorylated caldesmon does not bind to actin, so myosin does bind actin.
47
•
•
Smooth muscles lack troponin. Have other regulatory mechanisms - for myosin: – Binding of Ca2+ directly to myosin regulatory light chains changes myosin conformation, allowing it to bind actin. – phosphorylation of myosin light chains by Myosin Light Chain Kinase. Myosin LC Kinase is activated by Ca2+/calmodulin. – Phosphorylation of another site on the myosin regulatory light chain by Protein Kinase C induces a conformational change that prevents actin myosin binding relaxation. Slow action of kinases, and slow changes of Ca2+ levels - slow rate of contraction of smooth muscle. 48
Duration of muscle contraction in three types of muscle
Homeostatic role Control fluid Sphincters Tonic contractions Support tubes Move products Slow contractions Little fatigue Low O2 use
Two Types of Smooth Muscle • Single-unit smooth muscle Connected by gap junctions; Sheet of muscle contracts a unit e.g. small intestines • Multi-unit smooth muscle Cells are not electrically connected; each cell is stimulated independently 49 e.g. Iris and ciliary body of the eye
50
51
52
53
Stimulation
+ Ca4++-Calmodulin-MLCKactive ATP Actin + Myosin Actin + MyosinP-ATP Head Detachment (Relaxed) Myosin Light Chain Recock Head 90o Phosphatase ATP
Cross Bridge Cycling
Slow (low ATPase Detachment activity)
(Latched) Actin-Myosin-ADP-P
(high ATPase activity) ADP + Pi Power Stroke
Phosphatase
Actin-MyosinP-ADP-P
54
Central "Feeling" Lactic acid
Peripheral Glycogen depletion Ca2+ interference High Pi levels ECF high K+ ACh depletion
55
MUSCLE HYPERTROPHY AND ATROPHY A. Repeated, exhaustive stimulation of a muscle will tend to result in an increase in muscle mass: Hypertrophy 1. addition of more myofibrils (i.e., an increase in diameter) 2. increase in the machinery for energy production – more mitochondria – more glycolytic enzymes
note: Hypertrophy does not involve the addition of new muscle fibers The synthesis of new mass is stimulated by androgen (male) hormones (e.g., testosterone). Consequently, males tend to get bigger muscles. That is also why the so-called ‘anabolic steroids’ are effective - but the benefits of increased muscle growth do not out weight to many substantial health risks of using these agents B. A decrease in stimulation leads to a loss of muscle mass Atrophy. if prolonged, it can result in the irreversible loss (death) of muscle fibers 56
57
Perbandingan Otot Jantung dgn Kerangka ►Skeletal
Muscle:
Large and Multinuclear Fibers Fibers contract separately - small groups innervated by the same neuron Under voluntary control - motor neurons Surrounded by connective tissue and coupled to bones with tendons ►Cardiac
Muscle:
Small fibers with Single Nuclei Connected by Gap Junctions - Fibers contract all at once Involuntary control - intrinsically active, autonomic nerves Connected to each other with Desmosomes - special intracellular adhesions.
58
Contractile Fibers (shown here) Striated appearance - actin and myosin arranged in sarcomeres in myofibrils T tubules associated with Z-disks of sarcomeres extensive sarcoplasmic reticulum Intercalated disks - specialized places of contact between muscle fibers - gap junctions are located here
Conducting Fibers - Pacemakers Tidak ada Actin atau Myosin – tidak kontrasi. Banyak punya gap junctions, dengan yg lainnya dan serabut kontraktif, berfungsi sbg sistim transmisi signal.
59
Kontraksi Otot Jantung • Myogenic – dimulai dari otot itu sendiri (berlawanan dg neurogenic) – Bioeletrisitas muncul secara spontan pada pacemaker. Mereka menimbulkan potensial aktion secara ritmis. – PA menyebar melalui gap junction yang ada di serabut otot. – serabut otot jantung kontraksi secara bersama-sama. • Inervasi oleh sistim syaraf sympatis dan parasympatis. – Tidak menghasilkan potensial aksi pada sinaps – Berperan sebagai modulator. – Syaraf symphatis meningkatkan kekuatan & kecepatan kontraksi • Parasympathis menurunkan kecepatan dan kekuatan kontraksi. 60
Action Potensial • Durasi potensial aksi pada otot jantung jauh lebih lama dibanding otot kerangka. • Tahap plateau ratusan milliseconds. – Tergantung pada influx of Ca2+ yg melalui voltage gated Ca2+ channels
• Rise in tension overlaps the action potential • Periode refractory panjang jadi – mencegah kontraksi tetani – Otot dapat relax di antara denyut – Menghasilkan pengaturan denyut janjtung 61
• Peningkatan Ca2+ intraseluler memicu kontraksi. Tubulus T mengalirkan potensial aksi jauh di dalam serabut otot. Depolarisasi mengaktifkan reseptor dihydropyridine pada Tubulus T. Influx of Ca2+ dari ruang extrasellular melalui reseptor dihydropyridine – tidak seperti otot kerangka dimana yang penting adalah aktivasi mekanis dari reseptor ryanodine pada retikulum sarcoplasmic. Tidak ada aktivasi mekanis pada serabut otot jantung. Ca2+ dari ruang extrasellular memicu reseptor ryanodine pada retikulum sarcoplasmic untuk terbuka, melepas Ca2+ dari simpanan intrasellular - Ca2+ yang tergantung dari Ca2+ release. Ca2+ dikeluarkan melalui Pompa Ca2+ pada retikulum sarkoplasma dan melalui pertukaran Na+/ Ca2+ di membran plasma. • Kekuatan kontraksi proposional dengan konsentrasi Ca2+ intraseluler. • Ca2+ dari ruang extracellular and dari simpanan intracellular bervariasi antara species – pada hewan (mis: kodok) with serabut otot yang kecil (larger surface/volume ratio), pada umumnya Ca2+ berasal dari ruang extrasellular, sedikit daridari SR, yang berkembang jelek. 62
Tension in isolated frog muscle as a function of depolarization. The greater the depolarization, the greater the tension. Tension also depends on extracellular Ca2+ concentration. With greater extracellular Ca2+, more Ca2+ enters the cell at any level of depolarization (greater driving force). Little or no change seen with changing extracellular Ca2+ in mammalian heart, where Ca2+ comes from intracellular stores. Increase in contraction strength by sympathetic nervous system stimulation. Catecholamines: • stimulate release of Ca2+ from SR (a-adrenergic receptor and innositol phospholipid 2nd messenger). • Increase Ca2+ conductance of plasma membrane (b-adrenergic receptors and adenylate cyclase 2nd messenger). 63
Creatine Phosphate
Intermediate Limited store Rapidly Depleted
Glycolysis (Glucose)
Dari Darah atau Glycogen
Kreb's Cycle Oxidative Phosphorylation
36 ATP CO2 Water
Acetyl Co-A ADP + Creatine Phosphate
Glycolysis Aerobic
ATP + Creatine
2 ATP + Asam Piruvat Anaerobik Asam Laktat
64
65
66
67
68
69
70
Action potential process
Calcium effects 71
Ryanodine receptor
72
