Biofizika I 2013-2014
2013.10.02.
ÁTTEKINTÉS AZ IZOM
9. A HARÁNTCSÍKOLT IZOM SZERKEZETE ÉS MECHANIKÁJA 10. AZ IZOMMŰKÖDÉS ÉS SZABÁLYOZÁS MOLEKULÁRIS ALAPJAI
TÍPUSAI: SZERKEZET és FUNKCIÓ MŰKÖDÉSÉNEK MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSAI MECHANIKAI SAJÁTSÁGAI
Biofizika I. - 2013. 10. 01 – 02. Dr. Bugyi Beáta PTE ÁOK Biofizikai Intézet
AZ IZOM
AZ IZOM TÍPUSAI HARÁNTCSÍKOLT IZOM
makroszkópikus mozgás létrehozására specializálódott szövet filamentális fehérje rendszerek összeszerveződése mechanokémiai rendszer: kémiai energiát mechanikai munkává alakít
VÁZIZOM
SIMAIZOM
SZÍVIZOM (17. előadás)
v
elhelyezkedése
csontokhoz, bőrhöz kapcsolódik
szív
zsigerek, belső szem, légút, nagy artériák
összehúzódás szabályozása
akaratlagos
nem akaratlagos (belső szabályozás)
nem akaratlagos
harántcsíkolat
harántcsíkolat
nincs harántcsíkolat
sejt alak, megjelenés
hosszúkás, hengerszerű multinukleáris
elágazó mono-, binukleáris sejt
orsó mononukleáris sejt
Ca2+ forrás
szarkoplazmikus retikulum
szarkoplazmikus retikulum extracelluláris folyadék
szarkoplazmikus retikulum extracelluláris folyadék
Ca2+ szabályozás
troponin
troponin
calmodulin
AZ IZOM SZERKEZETE – HARÁNTCSÍKOLT IZOM
AZ IZOM SZERKEZETE – SZARKOMER
IZOM
SZARKOMER: AZ IZOM LEGKISEBB FUNKCIONÁLIS (kontraktilis) EGYSÉGE
szerv
SZARKOMER: Z-Z Z lemez H zóna Z lemez
I szakasz izotróp/világos
IZOMKÖTEG
A szakasz anizotróp/sötét
M vonal
IZOMROST
vékony filamentum titin
sejt
vastag filamentum
MIOFIBRILLUM organellum http://bursaclab.bme.duke.edu/gallery.php?id=19
A szakasz: sötét I szakasz: világos
L(szarkomer) ~ 2.2 µm
1
Biofizika I 2013-2014
2013.10.02.
AZ IZOM SZERKEZETE – MIOFILAMENTUM
MYOSIN II, EGY MOTOR FEHÉRJE (vastag filamentum) MIOZIN II (8. előadás: motor fehérjék)
MIOFILAMENTUMOK
FEJ
makromolekuláris fehérjekomplex vastag filamentum
kereszthíd fej nyak
vékony filamentum
NYAK farok aktin-kötő régió emelőkar
nukleotid-kötő régió
miozin II filamentum – VASTAG FILAMENTUM …FAROK A miozin II feji és nyaki régiójának 3D szerkezete (25. előadás: röntgendiffrakció)
VASTAG FILAMENTUM miozin II VÉKONY FILAMENTUM aktin szabályozó fehérjék: tropomiozin, troponin, tropomodulin Geeves and Holmes Advances in Protein Chemistry 2005.
A VÉKONY FILAMENTUM: AKTIN, A MIOZIN II PÁLYÁJA
IZOM SZERKEZET – FUNKCIÓ
AKTIN (7.előadás) 1 fordulat: 37 nm
MONOMER
FILAMENTUM
MECHANOKÉMIAI ALKOTÓELEMEK (aktin, miozin) ↓? SZERKEZET ↓? FUNKCIÓ erőkifejtés, mozgás
Az aktin monomer 3D szerkezete és az aktin filamentum szerkezetének 3D modellje.
Értsük meg a szerkezet-funkció kapcsolatát!
Hild, Bugyi et al. Cytoskeleton 2010 9. A HARÁNTCSÍKOLT IZOM SZERKEZETE ÉS MECHANIKÁJA
IZOM SZERKEZET - FUNKCIÓ
A VÉKONY FILAMENTUM – Z CSÍK, M VONAL
Mi másra van még szükségünk?
horgony: Z csík, M vonal szabályozás: tropomiozin, troponin vékony filamentum
vastag filamentum
Z csík
M vonal
Z csík
9. A HARÁNTCSÍKOLT IZOM SZERKEZETE ÉS MECHANIKÁJA
2
Biofizika I 2013-2014
2013.10.02.
A VÉKONY FILAMENTUM - SZABÁLYOZÓ ELEMEK
TROPOMIOZIN TROPOMIOZIN
TROPONIN KOMPLEX
alfa helikális coiled-coil dimer aktin filamentum-kötő fehérje (N-C terminális kapcsolat tropomiozin polimer) 1 tropomiozin dimer 7 aktin alegységgel van kölcsönhatásban
PDB: 2TMA
AKTIN
C
N
TROPOMIOZIN
A tropomiozin 3D szerkezete és az aktin-tropomiozin komplex szerkezetének 3D modellje. Greenfield et al. JMB 2006.
TROPONIN KOMPLEX
AZ IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSA
TROPONIN KOMPLEX három alegység:
stimulus
TROPONIN T
[Ca2+]citoplazma↑
37 kDa tropomiozint és a többi troponin alegységet köti stabilizálja a komplexet
a troponin C Ca2+ -ot köt
TROPONIN I
a troponin- tropomiozin elmozdul az aktin filamentumon:
22 kDa gátolja a miozin II – aktin kötést
szabad miozin II kötő hely
TROPONIN C
a miozin II az aktin filamentumhoz kötődik
18 kDa Ca2+-ot köt
kereszthíd ciklus kontrakció
PDB: 1TCF A troponin C 3D szerkezete kötött Ca2+-mal.
TÉRBELI KIZÁRÁSOS MODELL: Ca2+ szerepe
TÉRBELI KIZÁRÁSOS MODELL: ATP szerepe
A: aktin, M: miozin II
RIGOR rigor mortis
MUNKACSAPÁS erőkifejtés
A:M – ADP-Pi
Pi disszociáció ADP disszociáció
kapcsolás
A:M miozin II aktin – kereszthíd: kapcsolt
miozin II aktin – kereszthíd: kapcsolt KERESZTHÍD CIKLUS
ATP kötés szétkapcsolás
VISSZACSAPÁS
M – ADP-Pi miozin II – aktin kereszthíd: kikapcsolt
ATP hidrolízis
M – ATP miozin II – aktin kereszthíd: kikapcsolt
3
Biofizika I 2013-2014
2013.10.02.
AKTO-MIOZIN KERESZTHÍD CIKLUS
AKTO-MIOZIN KOMPLEX
egy kereszthíd ciklus során kifejtett erő: í ~2 pN 2 a kereszthidak száma: N összes erő : ö ∗ í
∗ 10 N
A kereszthidak száma függ: a vékony és vastag filamentumok közötti átfedés mértékétől a miozin II ATPáz aktivitásától: á kereszthíd ciklusidő: 1/ á
1: RIGOR állapot (kötött nukleotid nélkül) 2: szétkapcsolás (ATP kötés) 3: visszacsapás (ATP ADP+Pi) 4: kapcsolás (ADP, Pi disszociáció), munkacsapás, erőkifejtés 5: RIGOR állapot (kötött nukleotid nélkül) http://www.esrf.eu/UsersAndScience/Publications/Highlights/2003/MX/MX03
AZ IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSA
CSÚSZÓFILAMENTUM MODELL A.F. Huxley (1954), H.E. Huxley (1954)
Z-Z: szarkomer: rövidül I szakasz: rövidül A szakasz: nem változik H szakasz: rövidül http://www.sci.sdsu.edu/movies/actin_myosin_gif.html
IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS – AKCIÓS POTENCIÁL
IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS - VÁZIZOM
STIMULUS – RECEPTOR POTENCIÁL - AKCIÓS POTENCIÁL: a nyugalmi membrán potenciál időleges változása, amit annak visszaállása követ. (3 – 4 előadás)
STIMULUS
KONTRAKCIÓS VÁLASZ
MINTÁZAT
Ca2+ csatornák nyílása VÁZIZOM
SZÍVIZOM
egyszeri ingerlés
RÁNGÁS kontrakció & relaxáció
páros ingerlés
ÖSSZEGZŐDÉS S1: részleges összehúzódás az S2 stimulus érkezésekor: S1+S2
többszöri ingerlés alacsony frekvencia
LÉPCSŐZETES ÖSSZEGZŐDÉS INKOMPLETT TETANUSZ
többszöri ingerlés magas frekvencia
KOMPLETT TETANUSZ összefüggő kontrakció, relaxáció nélkül (patológiás eset, görcs, Clostridium tetani)
lassú gyors
akciós potenciál ~ ms
akciós potenciál ~ 250 ms
4
Biofizika I 2013-2014
2013.10.02.
IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS: IZOTÓNIÁS, IZOMETRIÁS
SZINERGIA A HAJLÍTÓ-, ÉS NYÚJTÓIZMOK KÖZÖTT
IZOTÓNIÁS
FLEXORS (hajlítóizom) & EXTENSOR (nyújtóizom)
izom hossza változik állandó sebesség triceps (nyújtó)
quadriceps femoris négyfejű combizom (nyújtó)
biceps (hajlító)
gastrocnemius kétfejű lábikraizom (hajlító) triceps kontrakció
biceps kontrakció
IZOMETRIÁS
quadriceps femoris relaxáció
az izom hossza állandó sebesség: 0 kar nyújtás
quadriceps femoris kontrakció gastrocnemius kontrakció
kar hajlítás
lábhajlítás
AZ IZOM MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI
láb nyújtás
AZ IZOM MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI 3. típusú emelő alkar + könyökizület + bicepsz
EMELŐ 1. típusú emelő „libikóka” mechanikailag kedvezőtlen vagy kedvező fej hátrabillentése alkar-könyök izület-triceps
!" # " 35&' ∗ 10() ∗ 10 erőkar - izom
2. típusú emelő „talicska” mechanikailag kedvező lábujjhegyre állás
erőkar - teher
ERŐ – SEBESSÉG, TELJESÍTMÉNY – SEBESSÉG DIAGRAMM 0 * / Fv 1 1
IZOMETRIÁS W=0J
F: kifejtett erő (%) 100 %
Fmax
P: teljesítmény (%) Pmax 100 %
TERHELETLEN IZOTÓNIÁS W=0J
0% 30% vmax
,-. 30 N/&'
* F
ERŐ – SZARKOMERHOSSZ DIAGRAMM
maximum erő (%)
3. típusú emelő „lapát” mechanikailag kedvezőtlen legtöbb izom alkar-könyök izület-biceps állkapocs-állkapocsizület
W: teher P: erőkifejtés F: forgáspont
700N
' ∗ 5&' *
szarkomer hossz (µm)
0% vmax
v: az összehúzódás sebessége (%) (17. előadás Frank–Starling törvény)
5
Biofizika I 2013-2014
AZ IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS ENERGETIKÁJA
2013.10.02.
A SIMAIZOM ÖSSZEHÚZÓDÁSA
ENERGIA FORRÁS
stimulus
BC/ 9 D E BF/ 9 /G 9 D H ΔJ K L30.5 (N/'OP
[Ca2+]citoplazma↑
l
calmodulin Ca2+ -ot köt (CaCM)
1 ATP/akto-miozin II kereszthíd ciklus
CaCM miozin könnyű lánc kinázt köt (MLCK)
HATÁSFOK
CaCM caldesmont köt
4é,6-6 0,7 -86-6 9 :
0,7 -86-6 hatásfok 0,7 -86-6 9 :
MLCK foszforilálja a miozint (foszfo miozin)
miozin aktin tropomiozin caldesmon calmodulin Ca2+ ATP
a tropomiozin elmozdul az aktin filamentumon: szabad miozin II kötő hely
foszfo miozin az filamentumhoz kötődik
aktin
kereszthíd ciklus kontrakció
A SIMAIZOM ÖSSZEHÚZÓDÁSA
VÁZ & SIMAIZOM ÖSSZEHÚZÓDÁS SZABÁLYOZÁSA
stimulus
miozin II aktin tropomiozin Ca2+ ATP
[Ca2+]citoplazma ↑
a troponin Ca2+ -ot köt
a troponin-tropomiozin elmozdul az aktin filamentumon:
miozin II aktin tropomiozin caldesmon calmodulin Ca2+ ATP
l
calmodulin Ca2+ -ot köt (CaCM)
CaCM miozin könnyű lánc kinázt köt (MLCK)
CaCM caldesmont köt
szabad miozin II kötő hely a miozin II az aktin filamentumhoz kötődik
MLCK foszforilálja a miozint (foszfo miozin)
a tropomiozin elmozdul az aktin filamentumon: szabad miozin II kötő hely
foszfo miozin az filamentumhoz kötődik
IZOM ÉS BETEGSÉGEK – VÉKONY FILAMENTUM MIOPÁTIA: = myo „izom" + pathos „szenvedés"
kereszthíd ciklus
kereszthíd ciklus
kontrackió
kontrackió
aktin
IZOM ÉS BETEGSÉGEK – VASTAG FILAMENTUM dilatált kardiomiopátia hipertrófiás kardiomiopátia
Moore J R et al. Circulation Research 2012;111:375-385
6
