Hirdetés D.R. Wilkie professzor előadására a londoni Villamosmérnöki Intézetben. A téma: izom. Kapható: LINEÁRIS MOTOR. Kitartó és megbízható. A kivitelezés hosszantartó és világméretű próbaüzem során optimalizálódott. Minden típus gazdaságos, üzemanyagcella típusú emergiaátalakítót használ, mely a rendelkezésre álló üzemanyagok széles skálájával működtethető. Alacsony készenléti teljesítmény, azonban kapcsolás után milliszekundumok alatt akár 1 KW/kg csúcsteljesítmény elérésére képes. A moduláris konstrukció és a rendelkezésre álló számos alegység különleges, gyakran megoldhatatlannak látszó mechanikai igények kivitelezését teszi lehetővé. Választható két különböző szabályozó rendszerrel:
Izomműködés. Harántcsíkolt izom. Simaizom és simaizom-alapú szervek biofizikája.
1. Külső kapcsolású üzemmód. Sokoldalú, általános célú egységek. Digitálisan kontrollált pJ impulzusok. Az alacsony beviteli energia ellenére nagyon magas jel/zaj viszony. Erősítés cca 106. Mechanikai paraméterek (1 cm-es modulok esetében): maximális sebesség 0,1 - 100 mm/s között tetszés szerint állítható. Kifejtett mechanikai feszülés 2-5 x 10-5 Nm-2. 2. Autonóm üzemmód beépített oszcillátorokkal. Különösen alkalmas pumpálási funkciókra. Különböző frekvenciájú és mechanikai impedanciájú modulok állnak rendelkezésre az alábbi, célirányos felhasználásokra: a. Szilárd anyagok és sűrű szuszpenziók továbbítása (0,01 - 1,0 Hz). b. Folyadékok továbbítása (0,5-5 Hz): élettartam 2,6 x 109 ciklus (típusos), 3,6 x 109 (maximális), a frekvenciától függetlenül. c. Gázok továbbítása (50-1000 Hz). Számos különböző, opcionális extra áll rendelkezésre, pl. beépített szervó (hosszúság- illetve sebességvisszacsatolás) finom kontroll igénye esetén. Oxigén direkt pumpálása. Hőgenerálás. Stb, stb. Ehető! Finom! (Forrás: Leninger, A.L. Biochemistry 2nd ed. Worthington Publishers, New York, 1975)
Izom
Izomkutatás: Hungarikum
Szent-Györgyi Albert Akto-miozin precipitátum
Gergely János Ca szabályozás
Straub F. Brunó aktin
Bárány Katalin és Mihály Miozin izoformák és összehúzódási sebesség
Szent-Györgyi András Simaizom miozin
Guba Ferenc fibrillin
Harántcsíkolt izom
Izomtípusok szívizom sejt
simaizom sejt
mioepiteliális sejt
Ín
vázizom rost Endomysium (rostok között)
szívizom sejtek vázizom Több cm hosszú, rostok
Szívben, mononukleáris sejt. Funkcionális syncitium. Autonom működés.
~100 µm vastag, multinukleáris (syncitium).
Izom rost (sejt)
Csont
Izompólya (fascia)
Véredény
Endomysium
Sejtmag
Miofibrillumok
idegrostok mioepiteliális sejtek
Zsigerekben, mononukleáris, orsó alakú sejt. sima-izom
szekretoros sejtek
sejtek
Epiteliális sejt, szöveti kontrakcióért felelős (iris, mirigyexcretio).
A szarkomer sarcos: hús (Gr) mera: egység a harántcsíkolt izom legkisebb szerkezeti és funkcionális egysége szarkomer Z-lemez
M-csík
A-szakasz: Anizotróp Vastag filamentumok (miozin II.) I-szaksaz: Izotróp Vékony filamentumok (aktin, tropomiozin, troponin)
Z-lemez miozin (vastag filamentum)
Rángás
Szummáció
Részleges tetanusz
Komplett tetanusz
Erő
miofibrillum
Z-lemez
Az Izomműködés alapjelenségei I.
A-szakasz I-szakasz
Ingerlés
idő fúziós ingerfrekvencia felett
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. Fúziós frekvencia feletti ingersűrűség esetén a relaxáció gátolt, így az izom állandó tónusba kerül - tetanusz. aktin filamentu m plusz vége
minusz vég
aktin (vékony filamentum)
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.
Az Izomműködés alapjelenségei III. 1. Munka, Teljesítmény
2. Erő-sebesség összefüggés
Fmax = 30 N/cm2-izom
Fmax
erő
tetanus (fúziós frekvencia felett)
erő
W=Fs P=Fs/t=Fv
rángás
hossz
(egyetlen inger hatására)
F Pmax (kb. 30%-os sebességnél) P W=0
stimulus
stimulus
idő
W=0 v
idő
vmax
A kettő keveréke: auxotoniás kontrakció (rövidülés és erőkifejtés egyszerre)
Az izom energetikája I.
Az izom energetikája II. A Fenn-féle effektus
+ H2O
gyors
Mg.ADP1- + Pi2- + H+
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
A hőfelszabadulás megnő ha az izom mechanikai munkát végez. A hőfelszabadulás gyorsul a kontrakció sebességének növekedésével. Energia felszabadulási sebesség
Energia forrása: Mg.ATP2-
Fmax
Q+W
W W=0
W=0 v vmax
Az izomösszehúzódás mechanizmusai Relatív izometriás erő (%)
Fenomenologiai mechanizmus: A csúszó filamentum modell
4
Az izomösszehúzódás molekuláris mechanizmusai ciklikus, ATP-függ aktin-miozin kölcsönhatás
32
Az aktin filamentum
5
1 37 nm
Szarkomerhossz (μm) (µm) Szarkomerhossz
Andrew F. Huxley, Jean Hanson, Hugh E. Huxley
“szöges” (+) vég
~7 nm vastag, hossza in vitro tobb 10 μm, in vivo 1-2 μm
Szarkomer keresztmetszet
Jobbmenetes dupla helix. Szerkezetileg polarizalt
vastag f.
Szemiflexibilis polimerlanc (perzisztenciahossz: ~10 μm)
“hegyes” (-) vég
Szakitoszilardsag: kb. 120 pN (N.B.: izometrias korulmenyek kozott akar 150 pN er is hathat a filamentumra) Aktin filamentumok szama az izomban: 2 x 1011/cm2-izomkeresztmetszet
vékony f.
A miozin II 2 db alfa-hélixbl “coiled-coil”
Miozin mutáció - patológia könnyű láncok Miozin motor domén és mutációs helyek
nyaki vagy pánt régió
Regulatórikus Könnyű Lánc (RLC) ATP-kötő zseb
Vastag filamentum
csupasz zóna
miozin fejek
miozin fejek
NYak (lerőkar) Aktin-kötő hely Esszenciális Könnyű Lánc (ELC)
miozin farok
Konverter domén
Arg403Gln pontmutáció: hipertófiás kardiomoipátia
A miozin “cross-bridge” ciklus M-csík
Kontrakciószabályozás a harántcsíkolt izomban
Z-lemez
troponin komplex
aktin
tropomiozin
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.
Excitáció-kontrakció csatolás
A harántcsíkolt izom rugalmassága Titin: a szarkomer rugója
plazma membrán miofibrillum
140
Titin (rugó)
Vékony filamentum
Egyedi titin molekula
120
M-csík
Vastag filamentum
Z-lemez
100
Erő (pN)
Szarkoplazmatikus retikulum (Ca2+ raktár)
160
Izom-keresztmetszetre eső passzív erő (kN/m2)
Transzverz (T) tubulus membrán invagináció
Z-lemez
Erő
Ca2+ csatornák
80
Teljesl
60 40
aktív
20 0 0
1
2
3
4
Megnyúlás (μm)
5
6
passzív
Izom rost
Szarkomer hossz (μm)
Hossz
Simaizom
A titin szerepe: A szakasz szimmetria fenntartása
Longitudinális símaizom réteg
Vékonybél
Mukóza Cirkuláris símaizom réteg
Változatos morfológia
bélrendszer
Simaizmok osztályozása
véredények
urogenitális
Simaizom összehúzódás
Fázisos: Általában relaxált, periodikusan összehúzódik. Húgyhólyag (néhányszor naponta)
Vastag f.
Bélrendszer (néhányszor óránként) Endoplazmatilus retikulum
kontrakció
Vékony f.
relaxált
Kontrakció
órák
Miozin Könnyű Lánc Kináz
percek MKLK
Defoszforilált Miozin könnyű lánc
Tónusos: Folyamatosan kontrahált, csak rövid időre relaxál. alsó nyelőcső sphincter kontrahált
erek simaizmai fenntartja és szabályozza az értónust feszülés
zárt
relaxáció
nyitott idő
0
Miozin ATPáz inaktív Nincs crossbridge ciklus
Foszforilált Miozin könnyű lánc
Miozin ATPáz aktív Crossbridge ciklus Kontrakció
Nincs csíkolat: „dense bodies” (Z-lemez analóg) Kevesebb vastag filamentum (vázizom 25%-a ) Nincs troponin (szabályozás MKLK-n keresztül) Caldesmon, calponin: ATPáz inhibitorok
Dezmin: A simaizom fő intermedier filamentuma. Simaizom miozin: alacsonyabb aktin affinitás, foszforilációs szabályozás.
nem relaxál teljesen
idő
Simaizom összehúzódása
A simaizom energetikája
Vegetatív beidegzés Független kontrakciós aktivitás Légutak, erek, sugártest
Energiaforrás Mg.ATP2- + H2O Harántcsíkolt izom
Többegységes simaizom
1 ATP „crossbridge”-ciklusonként (miozin ATPáz)
Vegetatív beidegzés Szinkronizált kontrakció (gap junction). Bél perisztaltika: Bazális Elektromos Ritmus – BER Urogenitális traktus
Egyegységes simaizom
Méhizomzat
Mg.ADP1- + Pi2- + H+ Simaizom 1 ATP „crossbridge”-ciklusonként (miozin ATPáz) ~ 1 ATP „crossbridge”-ciklusonként (miozin könnyű lánc kináz)
Simaizom több ATP-t használ mint a harántcsíkolt? ATPáz aktivitása és mechanikai ciklusa jelentősen lassabb, így kevesebb „crossbridge” képződik egységnyi idő alatt. A simaizom képes hosszú vagy akár extrém hosszú kontrakciókat fenntartani alacsony ATP felhasználás mellett.
