III. AZ IZOMMŰKÖDÉS ÉLETTANA Bevezetés Az élő szervezetek egyik legalapvetőbb működési megnyivánulása a mozgás, aminek alapja a különleges, kontraktilis sejtek/szövetek jelenléte. A mozgatásra differenciálódott sejtorganellumokban (sejtekben és szövetekben) a kémiai energia mechanikai munkává (és hővé) alakul. A mozgás szervrendszere mezodermális eredetű. A működési egységek összhúzékony fehérjeszálakat (aktin, miozin) tartalmazó sejtekből, rostokból állnak. A sejtek összehúzódása történhet spontán, vagy ingerek hatására. Az izomzat működése számottevő energiabefektetést igényel, és a magasabb rendűeknél az egész test tömegének átlagosan mintegy a felét kitevő izomzat működése jelentősen befolyásolja az anyagcserét, a keringést és a légzést is. A gerincesek izomzatát mikroszkópos struktúrájuk és működésük alapján három nagyobb csoportba soroljuk: vázizomzat (harántcsíkolt izomzat), simaizomzat és szívizomzat. Ebben a fejezetben a gyakorlatok során a harántcsíkolt izom működését és az izomműködés evolúcióját tekintjük át. A vázizom szerkezete, alapvető működése A gerinces állatok hely- vagy helyzetváltoztatása harántcsíkolt izmok működése révén történik. A vázizomzat (skeletalis izomzat) viszonylag nagy, el nem ágazó rostokból és sejtekből áll, és mikroszkóposan jellegzetes harátcsíkolatot mutat. Működése túlnyomórészt akaratlagos kontroll alatt áll. A vázizomszövet szerkezeti egységei az izomrostok, amelyek több ezer sejtmagot tartalmaznak. A sejtmagvak a rostok szélén helyezkednek el, középső részüket összehúzódásra képes fehérjeelemek töltik ki. A miofibrillumok aktin – és miozinfilamentumok kötegeiből állnak, hosszanti irányban periodikusan ismétlődő működési egységeket, szakromereket alkotnak. A szakromereket középen miozinfilamentum, két szélén aktinfilamentum alkotja, amelyek az összehúzódás során egymásba csúsznak, az izomrost megrövidül. A szarkomer kontraktilis fehérjéi hexagonális elrendeződést mutatnak: egy miozinfilamentum körül 6 aktinfilamentum van, és egy aktin körül 3 miozin van. Egyszeresen és kétszeresen fénytörő mezőkből állnak. A mozgatóideg végződés minden izomrostot egyenként hoz ingerületbe. Az egyes izomrostokat, azok kötegeit, primer és szekunder nyalábokat vékony
1
kötőszöveti hártya fogja egybe. A vázizomzat javarészt gyors és nagy erejű rövid ideig tartó összehúzódásra képes, de fáradékony. Az egyes izmokat sok izomrost építi fel. A harántcsíkolt izmoknak spontán aktivitasa nincs, működésüket a gerincvelő mellső szarvában elhelyezkedő motoneuronok végzik. Egy motoneuron által beidegzett izomrostok összességét motoros egységnek (unit) nevezzük, általában egy kifejlett izomrost egy motoneurontól kap bemenetet. A kapcsolatot egy különleges szinapszis biztosítja, amit motoros véglemeznek nevezünk (a neuromuszkuláris junkció). A preszinaptikus membránból felszabaduló acetilkolin (ACh) serkenti a posztszinaptikus membránban található nikotinosACh receptorokat. Na+-áram aktiválódik, az izomsejt membránpotenciálja depolarizálódik, ami jelentős citoplazmatikus Ca2+-szint növekedéshez vezet. Ezt követően játszódnak le az izomösszehúzodás (mechano-elektromos transzdukció), majd elernyedés biokémiai folyamatai. Mindkét folyamat energiaigényes. A mechanikai összehúzódások detektálása erő-feszültség transzducerekkel történik. A vázizomzat működését kísérő mechanikai munkát, elektromos potenciálváltozásokat és az ideg-izom kapcsolat működését vizsgálhatjuk direkt módon, in vitro preparátumon (béka ideg-izom készítmény), vagy saját magunkon is az elektromiográfia segitségével.
A GYAKORLATOK KIVITELEZÉSE 1. A csillómozgás megfigyelése béka nyálkahártyáján A gyakorlatokhoz a dekapitált békák fejét használjuk. Egy békafejet a szájpaddal felfelé boncpadhoz rögzítünk, majd béka-Ringer oldattal leöblítünk. A szájpad alapjára kevés kárminport szórunk és megfigyeljük annak mozgását. Majd a szájpad nyálkahártyájából három kis darabot kimetszünk. Az egyiket üveglapra helyezzük a csillós felszínével lefelé. Ringer oldatot cseppentünk rá, majd a helyét 5 percig percenként megjelöljük. Az üveglap alá jégdarabokat rakunk, s ismét 5 percen át megjelöljük a nyálkahártya-darab helyét. A két mérést összehasonlítjuk. A másik két nyálkahártya-darabot a csillós felszínével felfelé egy-egy tárgylemezre helyezzük. Az egyiket Ringer-oldattal mossuk (vagy kárminszemcsékkel
2
ingereljük) majd a csillók mozgását mikroszkóp alatt mindkét preparátumon megvizsgáljuk. A szájpad csillós hámsejtjei nyálkával borítottan nyugalomban vannak. Inger hatására (víz, korpuszkulum, stb.) gyors, erőteljes egyirányú mozgást végeznek (ld. mikroszkópos preparátumok). Ezért a szájpadra került festékszemcsék a garat felé mozdulnak el. A lefelé csillókkal borított nyálkahártya-darab, amit az üveglapra helyeztünk, szintén elmozdul. Mozgását a környezet hőmérséklete befolyásolja (a hűtés a mozgást lassítja, melegítés 35 °C-ig fokozza, afölött lassítja). 2. Vizsgálatok béka ideg-izom készítményen 2.1. Különböző ingerparaméterek alkalmazásának hatása béka ideg-izom készítményen Ideg-izom preparátumot készítünk a II. fejezetben leírtak szerint. Béka hiányában a gyakorlatok emlősön is elvégezhetők. 2.1.1. Ingerlés galvánárammal Az ideg-izom készítményt állványra szereljük. A kioperált femurcsonkot (térdizületet) szorítóba fogjuk, az Achilles-ínba fonálhoz erősített horgot akasztunk, majd a fonalat az erő-feszültség átalakítóhoz csatlakoztatjuk. A négyszöghullámú elektrostimulátor két pólusát a csontszorítóhoz (+) és az Achilles-ínba helyezett horoghoz (-) csatlakoztatjuk (direkt ingerlés). Az izom ingerelhető az ideg felől is, ilyenkor a n. ischiadicust az elektródákat tartalmazó tartóberendezéshez rögzítjük (indirekt ingerlés). A műszert DC állásba állítjuk, a kimeneti feszültséget közepes nagyságúra kapcsoljuk, majd indítjuk a rendszert. Direkt és indirekt ingerléseket hajtunk végre az áram indításával és megszakításával. Az izotóniás kontrakciókat (megjelenítési időkalibráció>2 sec) regisztráljuk és összehasonlítjuk. A galvánáram indítása erősebb inger, mint annak megszakítása, mert indításkor a kontrakciós hullám a katód környezetében képződik. Az izom kontrakciója gyors folyamat, ezért a kis felbontású időtengelyen csak függőleges vonalat látunk.
3
2.1.2. Az ingerküszöb és a maximális ingererősség meghatározása A fenti preparátumon direkt és indirekt ingerléseket hajtunk végre elektrostimulátorral. Nagy impulzusszélességű négyszögimpulzust (>10 ms) alkalmazva, a kimeneti feszültséget a minimumról indítva lassan (pl. osztásonként) emeljük, majd minden lépésnél egyes ingerléseket végzünk a start gomb lenyomásával. Megkeressük és regisztráljuk azt a legkisebb feszültséget (rheobázis), ami már az izmot összehúzódásra készteti. Majd lassan tovább emeljük a kimeneti feszültséget addig az értékig, amíg az izom összehúzódása tovább már nem növekszik. Az így kapott értékeket (direkt és indirekt ingerlés esetén) szintén regisztráljuk. Az izom ingerküszöbének nevezzük azt a legkisebb feszültséget, ami hosszú impulzusidejű négyszöghullámokal való ingerlés esetén is már kontrakciót vált ki. Indirekt ingerlés esetén az ideg ingerküszöbét határozhatjuk meg. Tovább emelve a feszültséget az izomkontrakciók mértéke egy bizonyos határig növekszik. Maximális ingernek nevezzük azt a feszültséget, amely fölötti értékek már nem befolyásolják az izom összehúzódásának mértékét. Az idegsejtek, az egyedi axonok és az izomsejtek a "minden vagy semmi" elv alapján működnek. Mivel azonban az idegek és az izmok eltérő ingerküszöbű rostok tömegéből épülnek fel, ingerületük mértéke az inger erősségével maximumgörbét vesz fel. Tehát maximális az az inger, aminek hatására már az izomban található összes izomrost kontrakciós állapotban van (mert az inger összes idegrostnak/izomrostnak meghaladta az ingerküszöbét).
2.1.3. Ingerszummáció Ismerve az izom ingerküszöbét, ingereljük azt egyes impulzusokkal, olyan küszöb alatti feszültségértékkel, ami még éppen nem váltott ki összehúzódást (szubminimális inger). Majd állítsuk a négyszögingerlő készülék megfelelő kapcsolóját sorozat állásba, és újra ingereljük az izmot néhány Hz frekvenciával. (Vagy egyes állásban gyors egymásutánban nyomjuk le a start gombot). A hatásokat regisztráljuk kimográffal vagy számítógépes mintavételezéssel.
4
Ha szubminimális ingereket gyors egymásutánban alkalmazunk, ingerszummáció jön létre, ami kontrakciót eredményez. 2.1.4. Szuperpozíció, inkomplett és komplett tetanusz Ingereljük az izmot maximális ingererősségű, rövid impulzusidejű (200 microsec) egyes ingerekkel, majd növekvő frekvenciájú (1, 2, 5, 10, 15, 20 Hz) sorozatokkal. Hasonlítsuk össze az így kapott regisztrátumokat. Több, egymás után adott maximális erősségű impulzus esetén az izom kontrakciója az egyes ingerekre adottnál nagyobb lesz, ha az egymás utáni ingerek kontrakciós fázisban találják az izmot. A jelenséget szuperpozíciónak nevezzük. (Legnagyobb kontrakciókat akkor kapunk, ha az újabb inger az összehúzódás csúcsán éri az izmot.) Tovább emelve az ingerlés frekvenciáját, az izom nem képes elernyedni az ingerlés szüneteiben, és remegésszerű megrövidülésben marad. Kontrakciós tempója azonban megfelel az ingerlés frekvenciájának. Ezt az állapotot inkomplett tetanusznak nevezzük (1. ábra). A frekvenciát tovább emelve az izom egyáltalán nem képes elernyedni, kontrakciós görbéje meredek felszálló ágból, az ingerlés időtartamától függő platóból, valamint meredek leszálló ágból áll. Az így előidézhető kontrakciót sima vagy komplett tetanusznak nevezzük (1. ábra). Békáknál komplett tetanuszt általában 10-15 Hz-es ingerekkel lehet létrehozni.
A
B
C
5
1. ábra. Rángás (A), inkomplett (B) és komplett tetanusz (C) mechanikai kontrakciós görbéi béka ideg-izom készítményen, számítógépes adatfeldolgozó programmal megjelenítve. Időkalibráció: 4 s.
2.2. Megterhelés hatása az izomkontrakcióra, a fáradás vizsgálata Ideg-izom preparátumot készítünk. Ha lehetőség van rá, végezzük el a gyakorlatokat Sherrington-készítményen is. Az utóbbi előnye az, hogy az izomműködést in situ tanulmányozhatjuk, megtartva annak természetes oxigén- és tápanyagellátását. 2.2.1. Teljesítménygörbe felvétele A preparátumot regisztráló kimográfhoz vagy transzducerhez csatlakoztatjuk. Az izmot növekvő nagyságú súlyokkal (10-300 g) terheljük, majd az ideget maximális erősségű egyes négyszögimpulzusokkal ingerelve rövid (1s) tetanuszokat idézünk elő. Az ideget pihentetjük, majd a súlyt növeljük. Az egyes kontrakciók magasságát (cm), valamint a hozzájuk tartozó terhelés tömegét (g) regisztráljuk. A két érték szorzata adja az izom munkavégzését g×cm-ben. Ezt az értéket a tömeggel szemben grafikusan ábrázolva kapjuk az izom teljesítménygörbéjét. Fokozódó megterhelés hatására az izomösszehúzódások nagysága maximumgörbe (haranggörbe) szerint változik. Az izom a fokozatos terheléssel arányosan megnyúlik, majd maximális ingererősség alkalmazása esetén az egyes rángások (vagy rövid tetanuszok) nagysága eleinte fokozódik. A harántcsíkolt izom egyik alapvető tulajdonsága, hogy növekvő megterhelésre fokozódó teljesítménnyel válaszol. Azonban ha a terhelést egy adott értéknél tovább növeljük, az izom egyre kisebb kontrakciókkal reagál, majd végül az ingerület alatt hossza változatlan marad, csak feszülésének mértéke nő (izometriás kontrakció).
2.2.2. A neuromuszkuláris apparátus "fáradásának" vizsgálata A fenti preparátumot a legnagyobb összehúzódást kiváltó súllyal terheljük, majd indirekt módon maximális ingerekkel stimuláljuk. Az ingerek
6
között 1 s szünetet tartva az ingerlést mindaddig folytatjuk, amíg az izom már nem képes összehúzódni. Ekkor az izom ingerlését direkt úton folytatjuk. A rángássorokat kimográffal vagy elektronikus úton regisztráljuk, majd az egyes értékeket összehasonlítjuk. Ismételjük meg a kísérletet növekvő ingerfrekvenciákkal is. A fáradás az egyes rángások amplitúdójának csökkenésében, valamint a kontrakciós idő növekedésében nyilvánul meg. Grafikusan ábrázolva a rángások nagyságát az időtengellyel szemben egy hiperbolikus lefutású fáradási görbét kapunk. A görbe meredeksége (a fáradás mértéke) függ az izom megterhelésétől, valamint az inger frekvenciájától. Nagyobb terhelés és/vagy nagyobb ingerlési frekvencia meredekebb görbét (gyorsabb fáradást) eredményez. Az indirekt ingerlés hatástalanná válása után direkt módon még ingerelhető az izom, mert először a neuromuszkuláris junkció szinapszisainak tartalékai "merülnek ki" (átmeneti neurotranszmitter-szint csökkenés, ACh hiány következtében).
3. Vizsgálatok izolált béka sartorius izmon: kémiai, ozmotikus, valamint termikus ingerek hatása az izomműködésre 3.1. Sartorius-izom izolálása békából A békát a II. fejezetben ismertetett módon dekapitáljuk, eviszceráljuk, a törzsét és bőrét eltávolítjuk. A symphysis pubist láthatóvá tesszük, majd a medencét középvonalában hosszanti metszéssel kettévágjuk. A femur ventrális felszínén futó m. sartoriust felkeressük, majd a térdizület felőli ín alá fonalat vezetve, az inat lekötjük és izoláljuk. (Vigyázzunk, hogy a kötésbe izomrostok ne kerüljenek!) A leválasztás után az izmot a medencecsontig óvatosan feltárjuk, majd a rövid eredési ín alá is fonalat vezetve, és az ínt átkötve az izmot leválasztjuk. (Mivel a m. sartorius felső ina különösen rövid, célszerű a medencecsont egy kis darabját és a femur ízületét az izmon hagyni, azokat átfúrni, és a kötést nem az inakra, hanem a furatokba helyezni. Így elkerülhető az izom megsértése.) A preparátumot béka Ringerben inkubáljuk.
3.2. Ionhatások, kontraktúra, termikus ingerlés
7
Izolált m. sartorius preparátumot készítünk a korábban leírtak szerint. A sartorius izom eredésére kötött fonal végeit összehurkoljuk, majd a béka Ringer-oldatot tartalmazó sartorius-edény (2. ábra) alsó részén található horogra akasztjuk. Az izom másik végén levő fonalat a sartorius-edény nyitott felső részén keresztül a kimográf írókarjához, vagy erő-feszültség átalalkító transzducerhez csatlakoztatjuk. A sartorius-edény aljához szorítóval ellátott gumicsövet erősítünk, amin keresztül az edénybe előzőleg fölül betöltött folyadék könnyen leereszthető.
2. ábra. Sartorius-edény
A sartorius-edényben levő Ringer-oldatot cseréljük ki az alábbi oldatokra a megadott sorrendben: Ca2+ mentes Ringer-oldat; normál Ringer-oldat; K+ mentes Ringer-oldat; 15×-ös KCl tartalmú Ringer-oldat (megfelelő módon csökkentett NaCl tartalommal, úgy, hogy az oldat ozmolaritása ne változzék); 15×-ös CaCl2 tartalmú Ringer-oldat (csökkentett NaCl tart., mint a d) pontban); normál Ringer-oldat, amibe 3-5 csepp híg HCl oldatot csepegtetünk;
8
normál Ringer-oldat, amibe 3-5 csepp híg NH4Cl oldatot csepegtettünk; 105×-es hígítású acetilkolin oldatot tartalmazó normál Ringer-oldat; 0,2 %-os koffein oldatot tartalmazó normál Ringer-oldat; 0,4 %-os tejsav oldatot tartalmazó normál Ringer-oldat; telített NaCl oldat; 40 °C-os normál Ringer-oldat; 70 °C-os normál Ringer-oldat. Az inkubáló oldatok cseréje közben (az oldatok leengedése után) ingereljük az izmot direkt módon, egyes, maximális ingerekkel. Vessük össze a regisztrátumokat. Az egyes inkubáló oldatok használata után mossuk le a preparátumot normál Ringer oldattal. Fontos, hogy az inkubáló oldatokat viszonylag gyorsan cseréljük normál Ringer-oldatra, mert így a preparátum esetleges irreverzibilis károsodását elkerülhetjük. Ca2+ mentes környezetben az izom koordinálatlan fibrilláris rángásokat végez, ingerlékenysége is fokozódik (ingerküszöb-csökkenés). A hatás néhány csepp CaCl2 oldat hozzáadásával jelentősen csökkenthető, valamint az inkubáló folyadék normál Ringerre való cseréjével megszüntethető. K+ mentes és Ca2+ többlettel rendelkező Ringer-oldatban az izom ingerlékenysége erősen csökken, míg a K+-ot nagy mennyiségben tartalmazó átmosás az izmot lassú, tónusos kontrakcióra készteti. Savak (H+) és bázisok (OH-) egyaránt ingerlik az izmot, és kontrakciós rendszerét is erősen károsítják. Lassú, reverzibilis, tartós összehúzódást eredményeznek. Ugyanez a hatás érhető el acetilkolin, koffein vagy tejsav alkalmazásával. A hosszú idejű, folyamatos izomösszehúzódás során a membrán tartósan depolarizált állapotú, csúcspotenciálok nem keletkeznek. Az izom ozmotikus ingerlése (telített NaCl oldat) szintén fibrilláris kontrakciót eredményez a kialakult vízelvonó hatás miatt. Az izmot termikus ingerek is összehúzódásra késztetik. Magas hőmérsékleten az izomfehérjék kicsapódnak (hőkoaguláció), és az izom irreverzibilisen összehúzódik. Ez a jelenség a hődermedés.
3.2. A d-tubokurarin (kuráre) hatása béka ideg-izom készítményen
9
Két ideg-izom preparátumot készítünk. Mindkét preparátum működőképességét négyszögingerlővel ellenőrizzük Az egyik készítményen a n. ischiadicust, a másikon a m. gastrocnemiust (vagy a teljes ideg-izom készítményt) inkubáljuk 1%-os d-tubokurarin oldatban. (A d-tubokurarin a kuráre nevű alkaloidákból álló keverék leghatásosabb komponense, az acetilkolin kompetitív antagonistája.) Az izom fasciáján előzetesen ejtsünk metszéseket a hatás gyorsítása érdekében. Egy óra elteltével ingereljük a preparátumokat direkt és indirekt úton egyaránt. Az a preparátum, aminek az idegét inkubáltuk, hosszan megtartja ingerelhetőségét, míg az a preparátum, amit teljesen inkubáltunk (az ideget és az izmot együtt) csak direkt módon ingerelhető. A kuráre tehát a neuromuszkuláris apparátust bénítja.
4. Elektromiográfia Az izomösszehúzódásokkal egyidőben az izmokról elektromos potenciálkülönbségek vezethetők el. A motoros egységekben keletkező elektromos potenciálok néhány ms-os késéssel terjednek szét az izomrostokon. Ezeket az akciós potenciálokat megfelelően megjelenítve, 5-12 ms időtartamú, általában 50 μV-tól (felszíni elektródok) 20-30 mV-ig (tűelektródok) tejedő amplitúdójú, éles, tüske alakú (spike), leggyakrabban bifázisos jelek sorozatát regisztrálhatjuk. (3. ábra). A motoros egységekről regisztrálható akciós potenciálok frekvenciája általában 7-20 Hz, az izom méretétől, és működésének épségétől függően. Vizsgálataink során az emberi kar antagonista izmainak működését figyeljük meg. Felszíni elvezető elektróda-párokat helyezünk ugyanazon végtagon a bicepsz (m. biceps brachii) és a tricepsz (m. triceps brachii) fölötti bőrszakaszokra. Majd a vizsgált személyt földeljük az alkarra helyezett földpontokkal. Bipoláris (differenciál) elvezetési módban csatlakoztatjuk az elektróda-párokat a biológiai erősítő-rendszerhez, valamint egy kétcsatornás tároló oszcilloszkóphoz/számítógépes adatfeldolgozó rendszerhez. Megfigyeljük és regisztráljuk az izmok működését nyugalomban, súly felemelésekor (a bicepsz működtetése), valamint a kézfej lefeszítésekor (a m. triceps működtetése). Ezután a vizsgált személlyel összetett izommunkát igénylő feladatot (pl. fekvőtámaszok) hajtatunk végre. Az izmok működését regisztráljuk, elektromiogramot készítünk.
10
3. ábra. Elektromiogram megjelenítése kétcsatornás oszcilloszkópon erőteljesen kontraháló (CH2) és nyugalomban levő (CH1) egymással antagonista módon működő izomcsoportokról. Időkalibráció: A=40 ms.
A gyakorlat során megfigyelhető, hogy a normális innervációjú harántcsíkolt izmokról nyugalmi helyzetben nem vezethető el jelentős elektromos aktivitás (3. ábra, CH1). Akaratlagos izommunka esetén az izomösszehúzódások erejével összhangban egyre több motoros egység és izomcsoport lép működésbe, amit a felszíni elektródákkal nagyobb amplitúdójú és időtartamű, összetett (compound) akciós potenciálokként regisztrálhatunk. Öszetett izommunka során az izmok aktivitás-változásai egymáshoz képest is megfigyelhetők (3. ábra). Kísérleteinket preparált emlős ideg-izom készítményen (pl. Sherrington-készítmény) is elvégezhetjük. Ilyenkor célszerű koncentrikus tűelektródákat alkalmazni, hogy csak néhány izomrost (optimális esetben egyetlen motoros egység) aktivitását reisztráljuk. A perifériás ideget ingerelve megfigyelhető, hogy minden rángásnak megfelelően akciós potenciálok vezethetők el. Komplett tetanuszos összehúzódások esetén, amikor a izom folyamatos kontrakcióban van, az öszetett akciós potenciálok továbbra is szakaszos jellegűek maradnak, de frekvenciájuk és amplitudójuk jelentősen megemelkedik.
11
Az EMG használata a klinikai gyakorlatban Az elektromiográfiának a klinikai gyakorlatban diagnosztikai jelentősége van a perifériás idegek, a neuromuszkuláris junkció és az izomműködés vizsgálatában egyaránt. Az izomrostok elektromos tevékenységének vizsgálata és rögzítése grafikus módszerrel, általában invazív módon (tűelektródok használatával) történik. A vizsgálattal lehetővé válik a központi idegrendszer (agy, gerincvelő) és a perifériás idegek sérüléseinek (távolabb futó idegek, ideg- és izomösszeköttetések) megkülönböztetése, valamint az idegek ingerületvezetési sebességének a megmérése. Az EMG két fő betegségkategória, a perifériás idegek betegségeinek (neuropathiák) és az izom megbetegedéseinek (myopathiák) diagnózisát segíti.
12
