4/22/2015
A biológiai mozgások Molekuláris mozgás
A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai.
Celluláris mozgás
Mártonfalvi Zsolt
Szervezet mozgása
Bakteriális flagellum
Keratocita mozgása felületen
Motorfehérjék
Motorfehérjék közös tulajdonságai Szerkezeti homológia N-terminális részen globuláris fejet találunk: ez a motor domén (ATPáz), ami specifikusan köt a megfelelő citoszkeletáris polimerhez.
Olyan mechanoenzimek, amelyek kémiai energiát alakítanak mechanikai munkává. a) specifikusan kapcsolódnak valamilyen citoszkeletális filamentumhoz vagy biopolimerhez (pl. DNS) b)
a filamentum mentén elmozdulnak, illetve erőt fejtenek ki
c)
eközben ATP-t használnak.
C-terminális részen kötőhelyet találunk.
1.
4.
működést
biztosító
2.
Ciklusos működés:
3.
1.Kapcsolás 2.Munkacsapás (húzás) 3.Szétkapcsolás (disszociáció) 4.Visszacsapás (relaxáció)
1
4/22/2015
Motorfehérjék munkaciklusa Munkaciklus arány (r):
Processzív motor: r~1 Pl. kinezin, DNS-, RNS-polimeráz. Munkaciklus nagy részében kapcsolt állapotban. Egymaga képes a terhet továbbítani. Nem processzív motor: r~0 Pl. konvencionális miozin (vázizom: miozin II.) Munkaciklus nagy részében szétkapcsolt állapotban. Sokaság működik együtt.
Motorfehérjék típusai 1. Aktin alapú Miozinok: Az aktin filamentum mentén a plusz vég irányába mozognak. 2. Mikrotubulus alapú a. Dineinek: Ciliáris (flagelláris) es citoplazmáris dineinek. A mikrotubulus mentén a mínusz vég irányába mozognak. b. Kinezinek: A mikrotubulus mentén a plusz vég irányába mozognak. c. Dinaminok: Mikrotubulus-függő GTPáz aktivitás. 3. DNS alapú mechanoenzimek DNS- és RNS-polimerázok, virus kapszid csomagoló motor, kondenzinek. A DNS fonal mentén haladnak es fejtenek ki erőt 4. Rotációs motorok F1Fo-ATP szintetáz Bakteriális flagelláris motor 5. Mechanoenzim komplexek Riboszóma
Egyetlen motorfehérje által kifejtett erő: néhány pN
Citoszkeleton alapú motorok Nem processzív motor
Processzív motor
Vázizom miozin II. Aktin filamentum mentén mozog.
Kinezin Mikrotubulus mentén mozog.
Nukleinsav alapú motorok Riboszóma
Vírus portális motor
mechanoenzim komplex
DNS „pakolás”
2
4/22/2015
Rotációs motorok
Az izomműködés biofizikája
hajtóerő: proton grádiens
Flagelláris motor
F1Fo ATP szintetáz
bakteriális mozgás
Reverzibilis működés
Izomtípusok szívizom sejt
simaizom sejt
Harántcsíkolt izom
mioepiteliális sejt
Ín
vázizom rost Endomysium (rostok között)
szívizom sejtek
Több cm hosszú, ~100 µm vastag, multinukleáris (syncitium).
vázizom rostok
Szívben, mononukleáris sejt. Funkcionális syncitium. Autonom működés.
Izom rost (sejt)
Csont
Izompólya (fascia)
Véredény
Endomysium
Sejtmag
Miofibrillumok
idegrostok
Zsigerekben, mononukleáris, orsó alakú sejt. sima-izom sejtek
mioepiteliális sejtek szekretoros sejtek
Epiteliális sejt, szöveti kontrakcióért felelős (iris, mirigyexcretio).
3
4/22/2015
Az Izomműködés alapjelenségei I. Szummáció
Részleges tetanusz
Komplett tetanusz
Erő
Rángás
Az Izomműködés alapjelenségei II. 1. Izometriás kontrakció
2. Izotóniás kontrakció
Az izom nem rövidül (vagy nem képes rövidülni), de kifejtett erő növekszik.
A kifejtett erő állandó, miközben az izom rövidül.
erő
tetanus (fúziós frekvencia felett)
erő
idő fúziós ingerfrekvencia felett
Ingerlés
rángás (egyetlen inger hatására)
Egyszeri ingerlés egy összehúzódási választ – egy rángást – vált ki (összehúzódás – elernyedés). Egy ingersorozat fokozza az összehúzódási erőt, mert a következő inger még részlegesen kontrahált állapotban éri az izmot, így a rángások összeadódnak - szummáció.
hossz
Time
stimulus
stimulus
idő
Fúziós frekvencia feletti ingersűrűség esetén a relaxáció gátolt, így az izom állandó tónusba kerül - tetanusz.
idő
A kettő keveréke: auxotoniás kontrakció (rövidülés és erőkifejtés egyszerre)
Az Izomműködés alapjelenségei III. 1. Munka, Teljesítmény
Az izom energetikája I.
2. Erő-sebesség összefüggés F 1 cm2 izomkeresztmetszetre:
F0
Fmax = kb. 30 N
Energia forrása: Mg.ATP2- + H2O
Mg.ADP1- + Pi2- + H+
Pmax (kb. vmax 30%-ánál) P vmax Wmech=0
Hill egyenlet: F: erő, v: rövidülési sebesség a és b: konstansok, F0: maximális izometriás erő
v
gyors
lassú
I-es típusú rostok * sok mitokondrium * ATP képzés sejtlégzéssel * lassú fáradás * mioglobinban gazdag: "vörös izom" * kis átmérőjű, lassú idegrostok aktiválják * lassú izomrost * testtartó izmokban dominálnak II-es típusú rostok * kevés mitokondrium * glikogénben gazdag *ATP képzés glikolízossel *gyors fáradás a felszaporodó laktát miatt * mioglobinban szegény: "fehér izom" *nagy átmérőjű, gyors neuronok aktiválják * gyors izomrost * gyors működésű izomokban dominálnak
4
4/22/2015
A szarkomer az izom funkcionális egysége
Az izom energetikája II.
Energia felszabadulás
Fenn-féle effektus: A hőfelszabadulás megnő ha az izom mechanikai munkát végez. A hőfelszabadulás gyorsul a kontrakció sebességének növekedésével.
A-szakasz I-szakasz miofibrillum
Az izom által felhasznált kémiai energia nagyobb része hővé alakul
Z-lemez
sarcos: hús (Gr) mera: egység a harántcsíkolt izom legkisebb szerkezeti és funkcionális egysége
Q+W
A-szakasz: Anizotróp Vastag filamentumok (miozin II.) I-szaksaz: Izotróp Vékony filamentumok (aktin, tropomiozin, troponin)
szarkomer Z-lemez
Z-lemez M-csík
miozin (vastag filamentum)
W (mechanikai)
v vmax
Fenomenologiai mechanizmus: A csúszó filamentum modell
Relatív izometriás erő (%)
Az izomösszehúzódás mechanizmusai
aktin filamentum plusz vége
minusz vég
aktin (vékony filamentum)
Az izomösszehúzódás molekuláris mechanizmusai Az aktin filamentum
Szarkomerhossz (mm) (µm) Szarkomerhossz
37 nm
Andrew F. Huxley, Jean Hanson, Hugh E. Huxley
“szöges” (+) vég
~7 nm vastag, hossza in vitro több 10 μm, in vivo 1-2 μm
Szarkomer keresztmetszet Jobbmenetes dupla helix. Szerkezetileg polarizált vastag f.
Szemiflexibilis polimerlánc (perzisztenciahossz: ~10 μm)
“hegyes” (-) vég
Szakítószilárdság: kb. 120 pN (N.B.: izometriás körülmények között akár 150 pN erő is hathat a filamentumra) vékony f.
Aktin filamentumok száma az izomban: 2 x 1011/cm2-izomkeresztmetszet
5
4/22/2015
A miozin II munkaciklusa
A miozin II
„cross-bridge” ciklus M-csík
2 db alfa-hélixbl “coiled-coil”
Z-lemez
könnyű láncok 1.Kapcsolás nyaki vagy pánt régió
Regulatórikus Könnyű Lánc (RLC)
Vastag filamentum csupasz zóna
miozin fejek
NYak (lerőkar)
miozin fejek
Aktin-kötő hely
3. Szétkapcsolás (ATP kötés)
Esszenciális Könnyű Lánc (ELC) Konverter domén
miozin farok
troponin komplex
ATP hiányban a miozin fej kapcsolt állapotban marad: rigor mortis
Miozin mutáció - patológia
Kontrakciószabályozás a harántcsíkolt izomban aktin
2. Munkacsapás (Pi disszociál)
4. Visszacsapás (ATP hidrolízis)
ATP-kötő zseb
tropomiozin Miozin motor domén és mutációs helyek
Tropomiozin: Blokkolja a miozin-kötő helyeket az aktin filamentumon. Troponin komplex: 3 alegység, (C, T, I) Troponin C szabad Ca2+-ot köt, majd a tropomiozin konformációs változását okozza, így a miozin-kötő helyek felszabadulnak.
Arg403Gln pontmutáció: hipertófiás kardiomoipátia
6
