2016.10.03.
Izomműködés élettana
Dr. Dux Mária
Testtömegünk kb. felét az izomszövet teszi ki. Témák: Vázizom (kb. 400 izom) Felépítés Kontrakció -mechanizmus -energetika -mechanika Simaizom - vázizommal összehasonlítva
1
2016.10.03.
Szövettani típusai: Simaizom Szívizom Vázizom -harántcsíkolt -idegi impulzus hatására húzódik össze -akaratlagosan működtethető -izomrostok között nincs anatómiai kapcsolat
a test mozog és szállít -légzés -szív/keringés -tápcsatorna
az izom összehúzódik és elernyed
Izom szerkezete izom Myofibrillum Izomrost átmérő: 10-100 µm
Izomrost (sejt)
A-csík
I-csík
Relaxáció M-vonal
H-csík
Kontrakció izom
Z-vonal
Z-vonal
Sarcomer (2 µm)
2
2016.10.03.
MYOFIBRILLUMOK
Izomrost szerkezete
T (transzverzális)-tubulus
I-csík
T-tubulus Triád L (longitudinális)-tubulus
A-csík TERMINÁLIS CISZTERNA
Sarcoplasmareticulum
T tubulus
Sarcolemma
Eckert: Animal Physiology,
Vastag filamentum: MIOZIN Vékony filamentum: AKTIN
kontraktilis fehérjék
(Straub F. Brunó 1941)
TROPOMIOZIN TROPONIN
Egyéb fehérjék: pl. α-Aktinin Titin
relaxáció
regulátor fehérjék
szerkezetet biztosító fehérjék
kontrakció
3
2016.10.03.
Dystrophin mutációja: Duchenne-izomdisztrófia (X-kromoszómához kötött recesszív öröklődésű betegség)
Filamentumok szerkezete Miozin (2 nehéz és 4 könnyű lánc): ATP-t köt és bont Fej és test közötti illeszkedés flexibilis Aktin-kötő hellyel rendelkezik
Miozin
Az aktin monomerek kötőhelyekkel rendelkeznek: - további aktin monomerek, - miozin, - tropomiozin, - troponin számára
G-aktin
nehéz lánc könnyű láncok
F-aktin
Tropomiozin Troponin
vastag filamentum vékony filamentum
vastag filamentum
vékony filamentum
4
2016.10.03.
A vékony filamentum szerkezete
Aktin
Troponin
TnI
TnC
Tropomiozin
TnT
Troponin alegységek
TnI: „inhibitoros” TnC: Ca2+ kötő TnT: Tropomiozin kötés
Aktin
Tropomiozin
Ca2+ kötőhely Troponin alegységek
TnI, TnC, TnT
(a) Aktin lánc miozin-kötőhelyei blokkolva; izom nem tud összehúzódni
Miozin kötőhelyek
(b) Aktin lánc miozin-kötőhelyei szabadon; izom össze tud húzódni
5
2016.10.03.
Csúszófilamentum-mechanizmus sarcomer hosszúsága (µm) A-csík szélessége (µm)
Huxley A.F., Niedergerke R.: Structural changes in muscle during contraction. Interference microscopy of living muscle fibres. Nature, 173, 971-973. (22 May 1954) Huxley H.E., Hanson J.:Changes in the cross-striations of muscle during contraction and stretch and their structural interpretation. Nature, 173, 973-976. (22 May 1954)
Motoros egység
gerincvelő
1. motoros egység
2. motoros egység
motoneuron sejttest motoneuron axon Dying Lioness, ca. 650 B.C. Palace of Ashurbanipal at Ninevah
izom izomrostok
6
2016.10.03.
Elektromiográfia Az izom kontrakciója közben az izomrostokban létrejövő elektromos aktivitás vizsgálata felszíni vagy tűelektródák segítségével.
nyugalom
gyenge kontrakció
közepes erősségű kontrakció
maximális kontrakció
Neuromuscularis synapsis myelin motoneuron axonja Schwann-sejt preszinaptikus végződések izomrost motoros véglemez
aktív zóna posztszinaptikus membrán redők izomrost
7
2016.10.03.
Neuromuscularis synapsis
Motoros ideg axonja Akciós potenciál
myelinhüvely
axon terminális Feszültségfüggő Ca2+ csatorna akciós potenciál terjedése az izomroston
Acetil-kolin (ACh) tartalmú vesiculák Feszültségfüggő Na+ csatorna
Sarcolemma
Izomrost
nikotinos ACh receptor véglemez-potenciál
Acetil-kolin-észteráz Ligandfüggő csatorna Motoros véglemez
Miniatűr véglemez potenciál 1 kvantum spontán felszabadulása 1 szinaptikus vezikula tartalma kb. 10 000 Ach molekula 1-2 mV potenciálváltozás (nincs élettani hatása)
Véglemez potenciál AP az axonvégződésen kb. 60 kvantum felszabadulása kb. 50 mV potenciálváltozás (AP az izommembránon)
A neuromuszkuláris szinapszisban az információ áttevődés aránya 1:1
8
2016.10.03.
Neuromuszkuláris szinapszis működésének gátlása
Acetat
Acetil-kolin felszabadulásának gátlása Botulinus toxin Ach kötődésének gátlása a nikotinos ACh-receptorhoz Kurare, d-tubokurarin (dem depolarizál) nem nyitja a receptor ioncsatornáját, de megakadályozza az ACh kötődését Szukcinil-kolin (depolarizál) a depolarizáció inaktiválja a feszültség függő Na+csatornákat ACh-receptor ellenes autoantitestek (receptorok számának csökkenése) Myastenia gravis – kolinészteráz gátló kezeléssel javítható az állapot Acetil-kolin észteráz gátlása reverzibilis: neostigmin irreverzibilis : peszticidek, harci gázok
Elektromechanikai kapcsolás akciós potenciál T-tubulus
Rianodin Dihidropiridin Receptor Receptor (DHPR) (RyR) sarcoplazmás retikulum
A depolarizáció Ca2+ csatornákat nyit meg
sarcolemma
sarcoplasma
terminális ciszterna terminális ciszterna
T-tubulus
akciós potenciál
sarcoplasma
Ca2+≈10-3 M
Miozin
Aktin
Ca2+<10-7 M
Kalszekvesztrin: 44-67 kDa tömegű fehérje 1 molekula 40-45 Ca2+-ot köt
9
2016.10.03.
Kontrakció molekuláris mechanizmusa
Mg2+-függő ATP-áz
gyenge aktin-miozin kölcsönhatás
ATP hidrolízise
Ca2+
Z-vonal disszociáció erőgenerálás
erőgenerálás
erős aktin-miozin kölcsönhatás
Miozin Aktin
Miozin fej
kereszthíd
Aktin gyenge affinitású kötőhely
nagy affinitású kötőhely
10
2016.10.03.
Elektromechanikai kapcsolás akciós potenciál
Rianodin Dihidropiridin Receptor Receptor (DHPR) (RyR) sarcoplazmás retikulum
T-tubulus
A depolarizáció Ca2+ csatornákat nyit meg
sarcolemma
sarcoplasma
terminális ciszterna terminális ciszterna
T-tubulus
akciós potenciál
sarcoplasma
Ca2+≈10-3 M
Miozin
Ca2+<10-7 M
Aktin
SERCA: Sarcoplasma-endoplasma reticulum ATP-ase
Kontrakció molekuláris mechanizmusa
ATP hidrolízise
gyenge aktin-miozin kölcsönhatás
Ca2+
Z-vonal disszociáció erőgenerálás
erőgenerálás
erős aktin-miozin kölcsönhatás
11
2016.10.03.
ATP Ca2+ Mg2+
5 ciklus /sec
12
2016.10.03.
Izmműködés energiaforrása ATP Kreatinfoszfát Kreatinfoszfát + ADP ↔ Kreatin + ATP Szénhidrát és lipid felhasználás szabad zsírsavak, glukóz, glikogén -anaerob (glikolízis, glikogenolízis, tejsav képződés) -aerob (oxidatív foszforiláció a mitokondriumokban, vérellátás szerepe, myoglobin - oxigén kötés)
Myoglobin: oxigénkötő fehérje egy hemcsoportot és egy vasiont tartalmaz.
Izomkontrakció energiaforrása Anaerob glikolízis ATP
Aerob glikolízis
Kreatinfoszfát
Kreatinfoszfát
idő (s)
13
2016.10.03.
Izomrostok típusai I. típus
II. típus II. a
Kontrakció sebessége Fáradás gyorsasága Mitokondriumok száma Kapillárisok száma Mioglobin tartalom Miozin ATPáz aktivitása Izomrost átmérője
II. b
Lassú oxidatív
Gyors oxidatív/glikolitikus
Gyors glikolitikus
Lassú Lassú Sok Sok Jelentős Lassú Kicsi
Gyors Közepes Sok Sok Jelentős Gyors közepes
Gyors Gyors Kevés Kevés Alacsony Gyors Nagy
maratoni futó
rövidtáv futó
Izomrostok típusai Michael Phelps – minden idők legsikeresebb olimpiai sportolója
Hosszú Katinka
„gyors” miozin izoformák szerepe
A sportteljestményt kb. 200 gén bizonyítottan befolyásolja. Ezek érintik az izom vérellátását, az izom szerkezetét, oxigén szállítást, tejsav lebontást, energiatermelést.
14
2016.10.03.
Izom fáradása ATP szint csökkenése Intracelluláris pH savas irányba tolódik (tejsav) Neuromuszkuláris junkció „fáradása” + pszichés tényezők
Glykolízis lassul Ca2+ kisebb affinitással kötődik Nociceptor aktiváció
Izomműködés hatásfoka maximum 40-50% Hőtermelés: Hőszabályozás – reszketés/akaratlagos izomösszehúzódás
Rigor mortis (hullamerevség) nincs ATP!
Kontraktúra – izomösszehúzódás akciós potenciál nélkül Izomláz Androgén hormonok, növekedési hormon – anabolikus hatás (dopping)
15
2016.10.03.
Elektromos és mechanikai változások az izomrost kontrakciója során (mV)
Izomrost akciós potenciál
Izomrost rövidülés
Latencia
Idő (ms)
Az akciós potenciál, Ca2+ szignál és izomkontrakció időbeli viszonyai Stimulus előtt Akciós potenciál
Kontrakció sarcomer
5 ms a stimulust követően
20 ms a stimulust követően
16
2016.10.03.
Izomrost kontrakcióinak összeadódása
Komplett tetanusz Inkomplett tetanusz Izomrángás
Idő (ms)
Egyetlen motoros egység a minden vagy semmi törvénynek megfelelően húzódik össze.
Izomkontrakció erejének fokozása: 1) egyes izomrostok kontrakciójának mértéke növelhető (AP frekvencia növelése révén) A legerősebb akaratlagosan kifejthető izomkontrakció is csak inkomplett tetanuszos összehúzódást okoz. 2) a válaszban részt vevő motoros egységek számának növelése (recruitment – besorozás) motoros egységek - méret elv
17
2016.10.03.
Izomkontrakció típusai Feszülés-érzékelő
Izom
Izomfeszülés
Rövidülés
izom
izom Idő
Idő IZOTÓNIÁS KONTRAKCIÓ (izom rövidül, feszülése nem változik)
IZOMETRIÁS KONTRAKCIÓ (izom hossza nem változik, feszülése nő)
AUXOTÓNIÁS KONTRAKCIÓ (feszülés nő, izomhossz csökken)
Előterhelés
Utóterhelés
Izomhossz – feszülés összefüggése Izotóniás kontrakció
Izometriás kontrakció Izometriás Kontrakció maximuma passzív feszülés görbéje
erő
erő
Izotóniás kontrakció maximuma
Izomhossz
Izomhossz Izom nyugalmi hossza
Passzív feszülés: titin feszülése
teljes feszülés feszülés
Aktív feszülés: rögzített filamentum pozíció mellett a kereszthíd ciklusok a miozinfej elasztikus deformációját okozzák
aktív feszülés
Passzív feszülés
hossz
18
2016.10.03.
A vázizomrost hossza és aktív izometriás feszülése közötti összefüggés
max. kifejthető erő %-a
Sarkomer hossz (µm)
Sarkomer hossz (µm)
Maximális erőkifejtés nyugalmi sarkomer-hossz mellett várható. Maximálisan a kiindulási hossz 60 %-ára tud rövidülni az izom.
Izom feszülése és a kontrakció sebessége közötti összefüggés
rövidülés
Izometriás kontrakció
erő ill. terhelés
megnyúlás
sebesség
Izotóniás kontrakció
19
2016.10.03.
Simaizom
Aktin filamentum
Relaxált
Kontrahált
Miozin filamentum
„minisarcomer” α-aktinin
Membrán felszíni betüremkedései
VAN Calmodulin (Ca2+-kötő citoplazma fehérje)
Miozin (egyik könnyű lánca regulátor funkciójú)
Aktin + Tropomiozin, Caldesmon, Calponin NINCS Troponin
Maximális rövidülés: eredeti hossz 30%-ára (vázizomban 60%-ára)
20
2016.10.03.
Simaizom kontrakciója A kontrakció létrejöttét döntően a miozin állapota határozza meg
MLCK: Miozin könnyű lánc kináz (Myosin light chain kinase)
erős aktin-miozin kölcsönhatás gyenge aktin-miozin kölcsönhatás
Kereszthidak képződése
Kereszthíd képződés gátolt MLCP: Miozin könnyű lánc foszfatáz (Myosin light chain phosphatase)
„Ca2+ szignál” Akciós potenciál
Feszültség-függő Ca2+-csatorna
Aktiváció Ligand-függő Ca2+-csatorna
Elektromechanikai kapcsolás
Relaxáció Simaizom
Farmakomechanikai kapcsolás
antiport
katecholaminok
sarcoplasmareticulum
katecholaminok
α1-receptor
β2-receptor + Mechanomechanikai kapcsolás sarcolemma mechanoszenzitív Ca2+ csatornáinak nyitása
Ca2+-indukálta Ca2+ felszabadulás RyR: Rianodin Receptor
21
2016.10.03.
Simaizom „Ca2+-érzékenységének” szabályozása Ca2+-deszenzitizáció Miozin könnyű lánc foszforilációja tónus
Ca2+-szenzitizáció Miozin könnyű lánc foszforilációja tónus
NO
Erő (%)
Szerotonin Angiotenzin II Endothelin-1
nitrogén monoxid
Ca2+szenzitizáció Ca2+-deszenzitizáció
MLCK Miozin könnyű lánc kináz (Myosin light chain kinase) MLCP
Miozin könnyű lánc foszfatáz (Myosin light chain phosphatase) Ca2+-koncentráció (mol/l)
Simaizom típusok
izomréteg endothel
Artéria TÖBBEGYSÉGES SIMAIZOM belső szemizmok pilomotor izmok
EGYEGYSÉGES (VISZCERÁLIS) SIMAIZOM erek, légutak, tápcsatorna, méh gap junction – funkcionális szincícium
átmeneti típusok!
22
2016.10.03.
Simaizom kontrakció sajátosságai A kereszthíd kialakulását követően az ADP disszociációja lassú folyamat. Azonos izom keresztmetszetet figyelembe véve a simaizom ATP felhasználása mindössze 1/100-1/500 része a vázizom kontrakció ATP igényének.
Lassú, DE tartós és gazdaságos kontrakció!
„Reteszelés”
Egyegységes (viszcerális) simaizom membránpotenciál
Funkcionális szincícium - gap junction „pacemaker sejtek” Miogén tónus - izom nyújtása fokozza az aktivitást - vegetatív idegrendszer transzmitterei módosítják az aktivitást
kontrakció
Többegységes simaizom Spontán aktivitást nem mutató simaizom Alig néhány izomsejt kapcsolódik egymáshoz funkcionálisan Vegetatív idegrendszer innerválja (serkentő ÉS gátló neurotranszmitterek felszabadulása), tónusa alapvetően neurogén tónus Nyújtás csak átmeneti ellenállásfokozódást vált ki, ami az izom viszko-elasztikus tulajdonságának köszönhetően gyorsan megszűnik (üreges szervek – húgyhólyag, epehólyag telődése nyomásnövekedés nélkül)
"stressz relaxáció"
23
