background image

Lec7            

Physiology

             Dr.HananLuay 

Objectives  

1-Recognize the meaning of summation of contraction and its types. 

2-detrmine the effect of changing length on skeletal muscle tension. 

3-Differntiate between the 2 types of muscle fibers. 

4- Describe the motor unit and how its type affects the function of the 
muscle? 

5- Discuss the energy sources for the muscle and for what it is used? 

6-Outline the abnormalities in muscle fiber contractions 

The summation of contraction: 

The  strength  of  a  muscle’s  contraction  is  influenced  by  a  variety  of 
factors. 

These 

include                                                                                           

                       

 

a- the number of fibers within the muscle that are stimulated to 

contract.

 

b- the frequency of stimulation.                                                                          

       

 

c- the thickness of each muscle fiber (thicker fibers have more myofibrils 

and thus can exert more power).                                                        

 

d- the initial length of the muscle fibers when they are at rest.It means 
the  adding  together  of  individual  twitch  contractions  to  increase  the 
intensity of overall contraction. Because the contractile mechanism has 
no  refractory  period,  repeated  stimulation  (i.e. increase  the frequency) 
before  relaxation  can  produce  additional  activation  of  the  contractile 
elements  and  a  response  will  be  added  to  that  already  present,  this  is 
called  "summation  of  contraction".  It  depends  on  the  frequency  of 

stimulation it occurs in 2 ways:

 

1  –  Multiple  fiber  summation  (increasing  the  number  of  motor  units 
contracting at the same time).When the central nervous system sends a 
weak signal to contract a muscle, the smaller motor units of the muscle 
may be stimulated in preference to the larger motor units. Then, as the 
strength of the signal increases, larger and larger motor units begin to be 
excited as well.   


background image

 
2-  Frequency  summation  and  tetanization,  with  rapid  repeated 
stimulation,  activation  of  the  contractile  mechanism  occurs  repeatedly 
before any relaxation occurs and the response fuses into one continuous 
contraction  and  the  whole  contraction  appears  to  be  smooth  called 
Tetanus (by increasing the frequency of contraction). 

During  tetanus  the  tension  developed  is  4  times  than  the  individual 
contraction. 

  At  slightly  higher  frequencies,  the  strength  of  the  muscle  contraction 
reaches maximum, so any additional increase  in frequency beyond that 
point has no further effect in increasing the force of contraction, this is 
because  enough  Ca  ions  are  maintained  in  the  sarcoplasm  ,even 
between action potentials  so will not allow relaxation to happen. 
But  if  a  lower  frequency  is  used,  there  will  be  a  period  of  incomplete 
relaxation  between  the  summated  stimuli;  this  condition  is  called 
incomplete tetanization or clonus.  
 
 
 
 

 

 

 

Treppe

(staircase effect): 


background image

 It  is  another  type  of  graded  response  occurs  when  a  muscle  begins  to 
contract  after  a  long  period  of  rest.

When  a  series  of  maximal  stimuli  is 

delivered  to  skeletal  muscle  at  a  low  frequency  (just  below  the 
tetanizing  frequency),  there  is  an  increase  in  the  tension  developed 
during  each  twitch  (the  second  more  than  the  first  and  the  third  more 
than the second etc.) until, after several contractions, a uniform tension 
per  contraction  is  reached.    It  is  believed  that 

Treppe  may  represent  a 

warm-up effect

, to be due to increased availability of Ca

2+

 for binding to 

troponin C , which is needed for muscle contraction.

 

 

Effect of muscle length on the force of contraction: 

When  the  length  of  the  unstimulated  muscle  fiber  is  changed  (the 
muscle  stretched  but  not  stimulated)  this  is  called  passive  tension.It 
exists  because  the  muscle  and  its  connective  tissues  have  some 
elasticity. 

Passive  tension  curve  is  the  curve  plotted  to  include  the  changes  in 
tension against the changes in the muscle length. It shows  that, as  the 
length increases, it rises sharply. 

The  total  tension  curve  shows  the  total  tension  against  the  passive 
tension, we will see a sharp increase up to a maximum value, then the 
curve declines. 

If  we  measure  the  distance  between  the  two  curves  we  will  see  the 
active  tension  curve  which  is  similar  in  shape  with  the  total  tension 
curve  but  has  a  lower  peak.So  the  active  tension  recorded  when  the 
muscle contracts. 

From these curves we will see that the maximum tension occurs when 
the  muscle  length  is  at  its  resting  length  i.e.  the  sarcomere  length  is 
about  2  micrometer  (relaxed  state).  Shortening  or  contraction  of  the 
muscle will reduce this tension. This is because the maximum number of 
interaction  between  actin  and  myosin  occurs  at  the  resting  length 
.Stretching of muscle fiber (increase in its length) will cause less actin to 
myosin interaction i.e. bigger sarcomere with a large gap in the middle 
.Shortening  of  the  muscle  fiber,  causes  smaller  sarcomere  and  actin 
filament overlap, so less actin to myosin interaction sites. 


background image

 

 

Energy sources and metabolism:

 

Contraction of the muscle depends on energy supplied by ATP. 

In general the source of energy is the metabolism of carbohydrates and 
lipids. 

Most of the energy required for Physical activity (contraction, relaxation) 
or walk along mechanism, and small amounts are required for: 

1-  Pumping  of  Ca  ions  from  the  sarcoplasm  to  the  sarcoplasmic 
reticulum after the contraction is over. 

 

 

2- Regeneration of ATP.

 

ATP split to ADP, then ADP rephosphorlated to ATP. 

3- Removal of lactic acid. 

4- Heat production. 

Sources of energy for the re phosphorlation: 

1- Substance called phosphocreatine (high energy phosphate bond) 

ADP+P→ATP 

This  compound  synthesized  during  resting  conditions  .During  exercise 
this  compound  hydrolyse  at  the  junction  between  actin  and  myosin 
releasing  energy  ,this  reaction  is  catalyzed  by  the  enzyme 
phosphorylcreatinine at the mitochondria and myosin heads. 


background image

ADP+Phosphocreatinin→creatinine + ATP 
2- Glucose: it is supplied by the blood and undergoes series of reactions 
forming finally Co2, H2o and Energy. 
3- Glycolysis of glycogen stored in the muscle cells: enzymatic break 
down of glycogen to pyruvic which has 2 pathways in the presence of 
O2, it enters citric acid cycle (crips cycle), then the respiratory chain to 
form co2, H2O and large amount of energy, (aerobic Glycolysis).  But in 
the absence of O2(like in prolong contraction), pyruvate is reduced to 
lactate and lactic acid and small amount of energy.  

4- The free fatty acids(FFA) (gives double the energy that glucose gives) 
skeletal muscles take the FFA in the blood and oxidized to give Co2, H2o 
and  ATP  (the  use  of  FFA  mainly  at  rest  and  during  recovery  after 
contraction).   

The oxygen debt mechanism: 

   During exercise the blood vessels dilates to provide enough O 2 for the 
muscle, the energy is supplied by aerobic glycolysis ,but if the exercise is 
sever or continues for longer periods, the anaerobic glycolysis contribute 
also  to  provide  energy  ,but  it  is  self  limiting  ,because  lactic  acid  will 
diffuse  to  the  blood  it  will  lower  the  PH    ,accumulate  in  the  muscle 
causing muscle exhaustion .So after the exercise there will be a period of 
hyperventilation to produce the extra amount of O2 in order to remove  
the lactic acid and to rebuild the storage of ATP and phosphorylcreatinin 
. This  extra amount  of O2 taken to replace the demand required more 
than that supplied by the aerobic glycolysis during exercise is called the 
oxygen debt mechanism.  

  Trained persons need less period of hyperventilation because they have 
smaller oxygen debt mechanism (i.e. he has endurance, he can use the 
muscle to perform the job better). They have a lactate threshold that is a 
higher than untrained. These athletes thus  produce less lactic acid at a 
given level of exercise than the average person, and therefore they are 
less  subject  to  fatigue  than  the  average  person.  They  have  adaptation 
that  spares  muscle  glycogen  will  improve  physical  endurance.  By  an 
increased  proportion  of  energy  that  is  derived  from  the  aerobic 


background image

respiration of fatty acids, resulting in a slower depletion of their muscle 

glycogen.                                                            

 

 

 
 

Heat production in the muscle:

 

This is produced as:  

  1- Resting heat: liberated during resting stage.  

2- Initial heat which is produced during activity and it is divided into: 

a- Activation heat: produced during contraction, from the actin –myosin 
interaction. 

b - Shortening heat:  produced during shortening (isotonic contraction), 
due to the changes in muscle fiber structure during shortening. 

In isotonic contraction there are both activation and shortening heat but 
in isometric there is only activation heat. 

3- Recovery heat: liberated by the metabolic processes that restore the 
muscle fiber to its precontraction state and it is rather equal to the initial 
heat. 

4- Relaxation heat: liberated because work should be done to return the 
muscle to its original length (after isotonic contraction) in addition to the 
recovery heat. 

Types of muscle fibers

:  

3 types according to the differences in enzyme activity, metabolism and 
contractile properties

1- Type I fibers: these are darker than other muscles called Red muscles 
or  the  slow  fibers,  they  response  slowly  and  have  longer  duration  of 
action  (resist  fatigue).  They  are  specialized  for  long  slow  sustained 
contraction, supplied by slow conducting fibers. e.g. muscles in the back 
and  in  the  lower  limbs  which  are  used  to  maintain  posture.They  are 
small  fibers,  have  more  extensive  blood  supply  to  supply  high  oxygen, 
and high number of mitochondria and large number of myoglobulin.  


background image

2-  Type  II  b:  called  the  white  muscles  or  the  fast  fibers,  they  are 
innervated  by  large  mylinated  fibers,  they  have  short  duration  of 
action(fatigue quickly) .so they are specialized for fine skilled movement 
e.g.  muscles  of  the  hand  and  the  extra-ocular  muscles.They  are  large 
fibers and have extensive sarcoplasmic reticulum for rapid release of Ca 
ions,  large  amounts  of  glycolytic  enzymes  for  rapid  release  of  energy, 
they have less extensive blood supply and fewer mitochondria and less 
myoglobulin

3- Type II a: this is rare type in human, has properties similar to type I, 
and other properties to type II.  

The motor units:

 

The motor unit means all the muscle fibers innervated by a single nerve 
fiber  .i.e.  the  axon  of  a  single  motor  neuron  divides  to  supply  many 
muscle fibers. There are 2 types of motor units: 
1-  Small  motor  units:  contain  3-6  muscle  fibers,  concerned  with  fine 
graded, precise movement, like movements of the hand. They are Small 
muscles that react rapidly and whose control must be exact have more 
nerve  fibers  for  fewer  muscle  fibers  (2-3  muscle  fibers  for  each  motor 
unit, e.g. laryngeal muscles). 
2- large motor units :contain usually 120-165 muscle fibers ,like muscles 
of the back ,for the sustained form of activity. These are large muscles 
that  do  not  need  fine  control  (e.g. 

soleus 

muscle),  may  have  several 

hundreds of muscle fibers in the motor unit. 

    Each motor unit is of one type i.e. innervates one type of muscle, but 
when  a  nerve  to  slow  muscle  is  cut  and  replaced  by  a  nerve  to  fast 
muscle ,the slow muscle after a period of time becomes fast.  

    The  muscle  fibers  in  each  motor  unit  overlap  other  motor  units  in 
microbundles  of  3-15  fibers.  This  interdigitation  allows  the  separate 
motor  units  o  contract  in  support  of  one  another  rather  than  as 
individual segment. 

Denervation : 

Means the deprivation of muscles from the nerve supply, the following 
effects will happen: 


background image

1- Immediate loss of muscular activity called flaccid paralysis. 
2-  Abnormal  excitability  of  muscle  fiber  with  increase  sensitivity  to 
circulate Ach (deneravation hypersensitivity), this result in fine irregular 
contraction of individual muscle fiber (fibrillation). 
Up to these 2 points, if the nerve fiber regenerates these 2 effects will 
disappear. 
3- Atrophy of the muscle: prolong denervation results in degeneration of 
the  muscle  fibers  and  replacement  by  fibrous  tissue,  this  result  in 
reduction of muscle size called wasting (because of decay of contractile 
proteins). If after 2 months the nerve supply back, full return of function 
.but after 3 months the return back of muscle function is less, and after 
1-2 years, no return of muscle function. 
All these features are of lower motor neuron lesions which is the effect 
from  the  spinal  cord  to  the  muscle.  Above  that  is  called  upper  motor 
neuron lesion. 
Contracture: 
This is persistent sustained contraction of the muscle without an action 
potential,  causing  no  relaxation.  It  occurs  due  to  the  increase  level  of 
extracellular calcium. 
 
Rigor: 
When  the  muscle  fiber  is  completely  depleted  of  ATP  and 
phosphorylcreatinin,  they  develop  a  state  of  complete  contraction 
causing  increase  rigidity  after  death  because  no  ATP  available  for 
relaxation  ,in  this  state  Rigor  mortis  ,almost  all  the  myosin  heads 
attached  to  the  actin  in  an  abnormal  fixed  and  resistant  way.(it  occurs 
more rapidly in high temperature). 
 
Muscle fatigue: 
Prolonged  and  strong  muscle  contraction  lead  to  muscle  fatigue.  This 
results from: 
-Depletion  of  glycogen  stores  in  the  muscle  (inability  of  the  contractile 
and metabolic processes to continue supplying the same work). 
-Diminished transmission in the NMJ. 


background image

-  Interruption  of  blood  supply  or  flow  results  in  nutrient  and  O2 
deficiency. 
 
 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 9 أعضاء و 129 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل