तंतु छोटे नहीं होते, फिर भी पेशी कैसे छोटी हो जाती है

सिमुलेशन का उपयोग कैसे करें

1. सार्कोमियर को विश्राम की लंबाई पर रहने दें और नीचे के चार्ट में तीनों बैंड पढ़ें: ए बैंड 1.60 µm, आई बैंड 0.90 µm और एच क्षेत्र 0.50 µm है। "नाम दिखाएँ" चालू है, इसलिए चित्र के हर भाग का नाम लिखा है।
2. "संकुचित करें" दबाएँ। कैल्शियम चालू हो जाता है, हर पतले तंतु के पास की बैंगनी लड़ी खिसककर हट जाती है, ओवरलैप वाले हिस्से के मायोसिन सिर चक्र चलाने लगते हैं और दोनों ज़ेड रेखाएँ एक-दूसरे की ओर सरकती हैं।
3. पट्टियों पर नज़र रखें। सार्कोमियर, आई बैंड और एच क्षेत्र की पट्टियाँ छोटी होती हैं, पर ए बैंड की पट्टी बिल्कुल नहीं हिलती। यही एक अवलोकन स्लाइडिंग-फ़िलामेंट सिद्धांत है।
4. संकुचन के बीच में "कैल्शियम आयन मौजूद" बंद कर दें। लड़ी वापस बंधन स्थलों पर आ जाती है, सिर छूट जाते हैं और पेशी खिंचना बंद कर देती है। चरण रीडिंग में "विश्राम" लिख आता है।
5. कैल्शियम चालू रखकर "एटीपी मौजूद" बंद करें। सिर एक्टिन से चिपककर वहीं अटक जाते हैं: यह रिगर है, यानी वही अवस्था जो मृत्यु के बाद अकड़न (रिगर मॉर्टिस) में होती है। एटीपी फिर चालू करें तो चक्र दोबारा चलने लगता है।
6. सार्कोमियर की लंबाई का स्लाइडर एकदम दाईं ओर खींचें। जैसे-जैसे पतले तंतु मोटे तंतुओं से बाहर खिंचते हैं, सापेक्ष बल शून्य की ओर गिरता है। इसे 2.0 µm से भी बाईं ओर ले जाएँ तो बल फिर घटता है, क्योंकि तंतु आपस में भिड़ने लगते हैं।

चावल की बोरी वाली पहेली

आप फ़र्श से चावल की बोरी उठाकर रसोई की अलमारी पर रखते हैं। बाइसेप्स उभर आती है, कोहनी मुड़ती है, बोरी ऊपर उठ जाती है। पेशी छोटी और मोटी हो गई, और यह सब एक सेकंड के भीतर हुआ। जीव वैज्ञानिकों को बहुत समय तक यही समझ नहीं आया कि यह होता कैसे है।

सीधा अंदाज़ा यही है कि पेशी लंबी आणविक रस्सियों से बनी है जो आदेश मिलते ही स्प्रिंग की तरह सिमट जाती हैं। यह अंदाज़ा गलत निकला, और इसे गलत साबित करने वाला प्रयोग बहुत सुंदर है। सूक्ष्मदर्शी में सिकुड़ती पेशी की सारी पट्टियाँ छोटी नहीं होतीं। एक गहरी पट्टी की चौड़ाई जस की तस रहती है। उसके दोनों ओर की हल्की पट्टियाँ सँकरी हो जाती हैं, और गहरी पट्टी के बीच की फीकी धारी बंद हो जाती है।

1954 में दो दलों ने, ह्यू हक्सले और जीन हैन्सन ने तथा एंड्रू हक्सले और रॉल्फ़ नीडरगर्क ने, इसे एक साथ समझाया। पेशी तंतुओं के दो आपस में गुँथे समूहों से बनी है, और संकुचन का अर्थ है इन समूहों का एक-दूसरे के बीच से सरकना, जैसे दो कंघियों को एक-दूसरे में धकेला जाए। किसी भी समूह का कोई तंतु छोटा नहीं होता।

यह पन्ना आपको वही मशीन चलाने देता है। आप सार्कोमियर को सिकोड़ेंगे, पट्टियों को बदलते देखेंगे, कैल्शियम या एटीपी हटाकर तंत्र को बिगाड़ेंगे, और हिसाब लगाएँगे कि पेशी को छोटा करने के लिए एक मायोसिन सिर को कितने नन्हे खिंचाव लगाने पड़ते हैं।

पेशी से सार्कोमियर तक: ज़ूम की सीढ़ी

कंकाल पेशी देखने में मांस का एक टुकड़ा लगती है, पर असल में वह गट्ठरों का गट्ठर है। कदम-दर-कदम ज़ूम करने पर बनावट साफ़ हो जाती है।

• पूरी पेशी (जैसे बाइसेप्स) संयोजी ऊतक में लिपटी होती है और पेशी-बंडलों (फ़ैसिकल) से बनी होती है।
• हर बंडल में कई पेशी तंतु होते हैं। ये बहुकेंद्रकीय विशाल कोशिकाएँ हैं, जिनकी लंबाई कई सेंटीमीटर तक हो सकती है।
• हर तंतु में उसकी लंबाई के साथ छड़ जैसी पेशी-तंतुक (मायोफ़िब्रिल) भरे होते हैं, जिनकी मोटाई कुछ माइक्रोमीटर होती है।
• हर मायोफ़िब्रिल एक जैसी इकाइयों, यानी सार्कोमियरों, की श्रृंखला है जो सिरे से सिरा जोड़कर बैठे हैं। छोटा होने का काम यही इकाई करती है।
• हर सार्कोमियर में दो प्रकार के प्रोटीन तंतु हैं: एक्टिन के पतले तंतु, लगभग 1.0 µm लंबे, और मायोसिन के मोटे तंतु, 1.6 µm लंबे।

पहले ये शब्द जान लें

इस अध्याय के ज़्यादातर अंक परिभाषाओं और नामांकित चित्रों से आते हैं। हर शब्द को उसके बगल वाले शब्द के साथ सीखें, क्योंकि परीक्षक जोड़ियाँ पूछना पसंद करते हैं।

सार्कोमियर की पट्टियाँ पढ़ना

सूक्ष्मदर्शी में सार्कोमियर पर गहरी और हल्की पट्टियाँ बारी-बारी से दिखती हैं। हर पट्टी बस वह क्षेत्र है जहाँ तंतु ओवरलैप करते हैं या नहीं करते। इसी हिस्से से तय होता है कि स्लाइडिंग-फ़िलामेंट सिद्धांत आपको समझ आएगा या नहीं, इसलिए धीरे-धीरे पढ़ें।

ए बैंड (गहरा) उतना ही लंबा है जितने मोटे तंतु, यानी 1.6 µm। इसमें मोटे तंतु और उनमें सरककर आए पतले तंतु होते हैं। आई बैंड (हल्का) में केवल पतले तंतु होते हैं, इसलिए यह सार्कोमियर का वह भाग है जो ए बैंड नहीं है। एच क्षेत्र ए बैंड के बीच का फीका धब्बा है जहाँ केवल मोटे तंतु हैं, और एम रेखा इसी से होकर गुज़रती है।

स्लाइडिंग-फ़िलामेंट मॉडल सरल शब्दों में

दो कंघियाँ आमने-सामने रखें, दाँते एक-दूसरे में फँसे हुए। कंघियों को पास धकेलें तो पूरी रचना छोटी हो जाती है, पर कोई दाँता छोटा नहीं हुआ। कंघियाँ पतले तंतुओं समेत ज़ेड रेखाएँ हैं, और उनके बीच के दाँते मोटे तंतु हैं।

सार्कोमियर में पतले तंतु दोनों ज़ेड रेखाओं से लटके हैं और मोटे तंतु बीच में एम रेखा के सहारे तैरते हैं। हर मोटे तंतु से मायोसिन के सिर पतले तंतुओं की ओर निकले हैं। जब सिर एक्टिन को पकड़कर मुड़ते हैं, तो पतले तंतु एम रेखा की ओर खिंच जाते हैं। ज़ेड रेखाएँ पास आती हैं, और सार्कोमियर 2.5 µm से घटकर 2.0 µm की ओर जाता है।

अब देखें कि क्या घटा। आई बैंड घटता है क्योंकि पतले तंतु ए बैंड में घुस जाते हैं। एच क्षेत्र घटता है क्योंकि पतले तंतुओं के सिरे एक-दूसरे की ओर बढ़ते हैं। न मोटे तंतु की लंबाई बदलती है, न पतले की।

अब गुणा करें। एक मायोफ़िब्रिल में हज़ारों सार्कोमियर कतार में होते हैं, और एक तंतु में सैकड़ों मायोफ़िब्रिल साथ-साथ। जब हर सार्कोमियर थोड़ा-सा छोटा होता है, तो पूरी पेशी काफ़ी छोटी हो जाती है।

क्रॉस-ब्रिज चक्र, चरण-दर-चरण

मायोसिन का एक सिर हर बार काम करने पर पतले तंतु को केवल कुछ नैनोमीटर खींचता है। पेशी की ताकत हज़ारों सिरों के एक साथ यही करने से आती है, और हर सिर वही चार चरणों का चक्र दोहराता है। सिमुलेशन ओवरलैप वाले हिस्से के सिरों पर यह चक्र दिखाता है; सिरों के चलने के साथ "वर्तमान चरण" रीडिंग देखते रहें।

कैल्शियम और एटीपी: दो स्विच

विश्राम की पेशी संयोग से ढीली नहीं होती। चक्र चलने से पहले दो चीज़ों का होना ज़रूरी है, और सिमुलेशन में आप दोनों में से कोई भी हटा सकते हैं।

पहला, कैल्शियम। विश्राम में ट्रोपोमायोसिन की लड़ी एक्टिन के बंधन स्थलों पर पड़ी रहती है, इसलिए सिरों के पास पकड़ने को कुछ नहीं होता। तंत्रिका आवेग तंत्रिका-पेशी संधि से होकर पेशी तंतु तक पहुँचता है, तंतु की झिल्ली सक्रिय होती है, और सार्कोप्लाज़्मिक रेटिकुलम कोशिका में कैल्शियम आयन छोड़ देता है। कैल्शियम ट्रोपोनिन से जुड़ता है, ट्रोपोनिन ट्रोपोमायोसिन को खिसका देता है, और स्थल खुल जाते हैं। कैल्शियम को वापस पंप कर दें तो स्थल फिर ढक जाते हैं।

दूसरा, एटीपी। एटीपी दो काम करता है: उसके टूटने से सिर तैयार होता है, और उसके नए जुड़ने से सिर एक्टिन से छूटता है। एटीपी के बिना सिर जुड़ तो जाते हैं पर छूट नहीं पाते, इसलिए पेशी अकड़ जाती है। यही रिगर है, और मृत शरीर इसी वजह से अकड़ता है: एटीपी बनना बंद हो जाता है, पंप रुक जाते हैं, रेटिकुलम से कैल्शियम रिसने लगता है, और प्रोटीन टूटने तक सिर एक्टिन पर जमे रहते हैं।

• तंत्रिका आवेग तंत्रिका-पेशी संधि पर पहुँचता है (एसिटाइलकोलीन छूटता है)।
• आवेग तंतु की झिल्ली के साथ फैलता हुआ कोशिका के भीतर जाता है।
• सार्कोप्लाज़्मिक रेटिकुलम से कैल्शियम निकलता है।
• कैल्शियम ट्रोपोनिन से जुड़ता है, ट्रोपोमायोसिन हटता है, बंधन स्थल खुल जाते हैं।
• जब तक कैल्शियम और एटीपी मौजूद हैं, क्रॉस-ब्रिज चक्र चलता रहता है।
• कैल्शियम वापस पंप होता है, स्थल बंद होते हैं, पेशी शिथिल हो जाती है।

सार्कोमियर कितना लंबा हो, और कितना ज़ोर लगा सके?

बल इस पर निर्भर करता है कि कितने सिर एक्टिन तक पहुँच सकते हैं, और यह तंतुओं के ओवरलैप पर टिका है। सार्कोमियर इतना खिंच जाए कि पतले और मोटे तंतु मुश्किल से छुएँ, तो क्रॉस-ब्रिज लगभग नहीं बनते और बल भी लगभग शून्य होता है। लगभग 2.0 से 2.2 µm पर ओवरलैप पूरा होता है और बल सबसे अधिक होता है। सार्कोमियर को बहुत छोटा कर दें तो पतले तंतु बीच में एक-दूसरे को लाँघने लगते हैं और मोटे तंतु ज़ेड रेखाओं से टकराते हैं, इसलिए बल फिर गिरता है।

सिमुलेशन में विश्राम की लंबाई 2.5 µm पर सापेक्ष बल अधिकतम का 79 % है। आप सापेक्ष बल की रीडिंग से जाँच सकते हैं: 2.1 µm पर यह 100 % दिखाता है, 3.0 µm पर 45 %, और 3.2 µm तक आते-आते केवल 31 % बचता है। यह वक्र आदर्श रूप है, पर उसका आकार असली है।

सिमुलेशन में खुद आज़माएँ

इन पर दस मिनट लगाएँ। हर एक वह सवाल है जो परीक्षक पूछ सकता है, और उसका जवाब आपको चित्र में दिख जाएगा।

• डिफ़ॉल्ट पर "संकुचित करें" दबाएँ। कौन-सी दो पट्टियाँ घटती हैं और कौन-सी नहीं हिलती?
• संकुचन के दौरान रोकें और "वर्तमान चरण" रीडिंग में दिखे क्रॉस-ब्रिज चक्र के चरण का नाम बताएँ। फिर चलाएँ और उसे बदलते देखें।
• संकुचन के दौरान "कैल्शियम आयन मौजूद" बंद करें। सिर क्या करते हैं और सार्कोमियर का क्या होता है?
• कैल्शियम चालू रखकर "एटीपी मौजूद" बंद करें। चरण रीडिंग क्या कहती है, और पेशी शिथिल क्यों नहीं होती?
• सार्कोमियर की लंबाई 2.0 µm पर ले जाएँ। एच क्षेत्र अब कितना है?
• इसे 3.4 µm पर खींचें। सापेक्ष बल की तुलना 2.1 µm वाले मान से कैसे होती है?
• नाम छिपाकर ज़ेड रेखा, एम रेखा, ए बैंड, आई बैंड और एच क्षेत्र याद से बताएँ, फिर दिखाकर मिलाएँ।

हल किए गए प्रश्न

हर हल पहले नियम बताता है, फिर संख्याएँ रखता है। परीक्षा में भी इसी क्रम में लिखें। हर आँकड़ा उसी कोड से निकला है जो सिमुलेशन चलाता है।

आम गलतियाँ

ये वे चूकें हैं जिनसे हर साल अंक कटते हैं।

• यह लिखना कि तंतु छोटे होते हैं। वे नहीं होते; वे सरकते हैं। ए बैंड इसका प्रमाण है।
• यह लिखना कि ए बैंड घटता है। आई बैंड और एच क्षेत्र घटते हैं, ए बैंड नहीं।
• यह लिखना कि एटीपी केवल पेशी को सिकोड़ने के लिए चाहिए। एटीपी सिर के एक्टिन से छूटने और कैल्शियम पंप के लिए भी चाहिए।
• यह भूल जाना कि कैल्शियम ट्रोपोनिन पर काम करता है और ट्रोपोनिन ट्रोपोमायोसिन को हटाता है। कैल्शियम सीधे एक्टिन से नहीं जुड़ता।
• ज़ेड रेखा और एम रेखा को आपस में मिला देना। ज़ेड रेखाएँ सार्कोमियर के सिरे हैं; एम रेखा बीच में है।
• पतले तंतुओं को एम रेखा से जुड़ा बना देना। वे ज़ेड रेखाओं से लटके होते हैं।

असल ज़िंदगी में कहाँ दिखता है

मृत्यु के कुछ घंटे बाद रिगर मॉर्टिस शुरू होता है और एक-दो दिन में उतर जाता है। कारण ठीक वही है जो आपने सिमुलेशन में किया: एटीपी नहीं, इसलिए सिर छूट नहीं पाते। बाद में पेशी प्रोटीन टूट जाते हैं तो शरीर फिर ढीला पड़ जाता है। फ़ोरेंसिक वैज्ञानिक इस अकड़न से मृत्यु का समय आँकते हैं।

ऐंठन (क्रैम्प) लगातार चलने वाला अनैच्छिक संकुचन है। अक्सर यह थकी हुई, आयन-असंतुलित पेशी से आती है जो बार-बार सक्रिय होती रहती है, इसलिए जब आप उसे रोकना चाहते हैं तब भी सिरों का चक्र चलता रहता है। खिंचाव (स्ट्रेचिंग) से राहत मिलती है क्योंकि वह पतले तंतुओं को वापस बाहर खींचकर ओवरलैप तोड़ देता है।

हृदय पेशी भी यही सरकते तंतु इस्तेमाल करती है। हृदय के तंतु भी रेखित हैं, और हर धड़कन के लिए वे भी कैल्शियम के तेज़ उछाल पर निर्भर हैं, इसीलिए कैल्शियम-चैनल ब्लॉकर हृदय की एक आम दवा हैं।

परीक्षा कोना

आम सवाल, और पूरे अंक वाले उत्तर में क्या होना चाहिए।

पुनरावृत्ति सारांश

सार्कोमियर एक ज़ेड रेखा से दूसरी तक है और संकुचन में लगभग 2.5 µm से घटता है। पतले एक्टिन तंतु ज़ेड रेखाओं से लटके हैं; मोटे मायोसिन तंतु (1.6 µm) बीच में हैं। सार्कोप्लाज़्मिक रेटिकुलम से निकला कैल्शियम ट्रोपोनिन से जुड़ता है और ट्रोपोमायोसिन को खिसकाता है, ताकि मायोसिन सिर जुड़ सकें। हर सिर जुड़ता है, लगभग 10 nm का पावर स्ट्रोक लगाता है, नया एटीपी जुड़ने पर छूटता है, और उसे तोड़कर फिर तैयार हो जाता है। ए बैंड स्थिर रहता है; आई बैंड और एच क्षेत्र घटते हैं। कैल्शियम न हो तो पेशी शिथिल होती है, एटीपी न हो तो रिगर में जकड़ जाती है, और बल लगभग 2.0 से 2.2 µm के आसपास सबसे अधिक होता है।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न