FISIOLOGI OTOT. Bagian Fisiologi Departemen AFF FKH IPB INSTITUT PERTANIAN BOGOR

FISIOLOGI OTOT

Bagian Fisiologi

Departemen AFF FKH IPB

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

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

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)

OTOT SECARA MIKROSKOPIS

4

5

Sumber: Clinical Anatomy and Physiology for Veterinary Technician 3rd_{Ed (2008) pp 218}

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

 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.

 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.

Thin

Thick

• 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

8

9

Filamen ditunjang oleh titin dan nebulin

• 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

• 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

neurotransmitter

NEURO-MUSCULAR JUNCTION

17

TUBULUS T

Intraseluler

Ekstraseluler

K

+

₁₂₄

_2.3

Na

+

_3.6

_108.8

Ca

2+

_4.9

_2.1

Mg

2+

₁₄

_1.3

Cl

-

_1.5

_77.9

HCO

₃-

_12.4

_26.6

Phosphocreatine

35.2

-Organic anion

45

14

19

Somatic motor meuron releases Ach at neuro-muscular junction

1

Net entry of Na+ through Ach

receptor-channel initiates a muscle action potential

2

Action potential in T-tubule alters conformation of DHP receptor 3

DHP receptor opens Ca2+ release channels in sarcoplasmic reticulum and Ca2= enter cytoplasm

4

Ca2+ bind to Troponin, allowing strong actin-myosin binding 5

Myosin head execute power stroke 6

Actin filament slides toward center of sarcomere

7

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.

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.

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

DEPOLARISASI SAMPAI KE DAERAH TRIAD

CA2+ DISEKRESIKAN OLEH Ca2+ CHANNEL

TERJADI PENYERAPAN SECARA AKTIF Ca2+

1.

Impuls syaraf me-depolar-kan sarcolemma.

2.

SR merangsang pelepasan Ca2+ dari terminal cisternae. (SR

segera memulai pengumpulan kembali Ca++.)

3.

Ca

2+

_{terikat di troponin, menggerakkan tropomyosin dan bagian}

aktive sites on actin.

4.

Crossbridge cycling begins

5.

Ketika stimulus berhenti, [Ca

2+

_{] di sarcoplasm cepat turun dan}

otot relaksasi.

25

REGULATION OF MUSCLE

CONTRACTION

PERAN CA

2+

• Regulasi – diperlukan agar otot dpt

kontrasi and relaksasi. Serabut otot

akan gagal kontraksi bila konsentrasi

Ca

2+

_{dari simpanan internal ditekan.}

• "Skinned" serabut otot hasilkan

tonus jika diberi ATP and Ca

2+

_{, tapi}

tidak akan tejadi bila hanya diberi

ATP tanpa Ca

2+

_.

• Kekuatan yg dibangkitkan pada

"skinned" serabut otot proposional

dg konsentrasi Ca

2+

_.

REGULATION OF MUSCLE

CONTRACTION

PERAN Ca

2+

• 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

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

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

PERBANDINGAN OTOT PUTIH DAN MERAH

31

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

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.

 "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

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

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

UJI DAYA KONSENTRASI ANDA SEKARANG !!

 Who is he?

Tampilkan 30 detik

• Berdasarkan lokasi:

Vaskular, Gastrointestinal, Uninarius, Respirasi, Reproduksi, Okular

• Pola kontraksi

41

OTOT POLOS

• Pola koordinasi

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

• 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.

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 [Ca

2+

_{] dlm sarkoplasma.}



Retikulum sarcoplasmic tidak berkembang - Ca

2+

datang dari

ekstraseluler dengan cara:



Depolarisasi



Voltage gated Ca

2+

channels pada sarkolema terbuka



Ca

2+

masuk – mendorong kontraksi



Relaksasi jika permeabilitas Ca

2+

kembali normal and pompa Ca

2+

pada sarkolema menurunkan level Ca

2+

_{intraseluler.}



Some Smooth muscle cells have Ca2+ spikes - inward current carried

by Ca2+ - quick rise in Ca2+ levels.

• 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.

• 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.

Homeostatic role 􀂄 Control fluid 􀂄 Sphincters Tonic contractions 􀂄 Support tubes 􀂄 Move products Slow contractions 􀂄 Little fatigue 􀂄 Low O2 use

Duration of muscle contraction in three types of muscle

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

Actin + Myosin Actin + Myosin_P-ATP

Myosin Light Chain Phosphatase Ca₄++_{-Calmodulin-MLCK} active Cross Bridge Cycling Power Stroke ADP + P_i ATP Actin-Myosin_P-ADP-P

(Relaxed)

Head Detachment Recock Head 90o

Stimulation

(Latched)

Slow Detachment Phosphatase

+

(low ATPase activity) (high ATPase activity) ATP Actin-Myosin-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

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.



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.

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.

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

•

Peningkatan Ca

2+

_{intraseluler memicu kontraksi.}



Tubulus T mengalirkan potensial aksi jauh di dalam serabut otot.



Depolarisasi mengaktifkan reseptor dihydropyridine pada Tubulus T.



Influx of Ca

2+

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.



Ca

2+

dari ruang extrasellular memicu reseptor ryanodine pada

retikulum sarcoplasmic untuk terbuka, melepas Ca

2+

_{dari simpanan}

intrasellular - Ca

2+

_{yang tergantung dari Ca}

2+

_release.



Ca

2+

dikeluarkan melalui Pompa Ca

2+

pada retikulum sarkoplasma

dan melalui pertukaran Na+/ Ca

2+

_{di membran plasma.}

•

Kekuatan kontraksi proposional dengan konsentrasi Ca

2+

_{intraseluler.}

•

Ca

2+

_{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 Ca

2+

_{berasal dari ruang}

extrasellular, sedikit daridari SR, yang berkembang jelek.

Tension in isolated frog muscle as a function of

depolarization. The greater the depolarization, the

greater the tension.

Tension also depends on extracellular Ca

2+

concentration. With greater extracellular Ca

2+

_{, 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).

Creatine Phosphate Intermediate Limited store Rapidly Depleted Glycolysis (Glucose) Kreb's Cycle Oxidative Phosphorylation

Dari Darah atau Glycogen

ADP + Creatine Phosphate

ATP + Creatine

Glycolysis

2 ATP + Asam Piruvat

Anaerobik Asam Laktat Aerobic Acetyl Co-A 36 ATP CO₂ Water 64

Calcium effects Action potential process

Ryanodine receptor