Vázizom elektrofiziológia alapjai Tóth András, PhD
Témák • Struktúra • Kontrakció és relaxáció • Aktiváció • Excitáció-kontrakció csatolás
• Akciós potenciál • Ioncsatornák*
• Ca2+ homeosztázis
Struktúra
Vázizom
Szívizom
Vázizomban az SR sűrű hálózatot alkot, jelentősen kiszélesedik a terminális ciszternáknál, a T-tubulusok átmérője jóval kisebb, mint szívizomban. Szívizomban az SR hálózat ritkább, junkcionális csatolásokat tartalmaz a külső szarkolemmával, illetve a T-tubulusokkal, melyek átmérője sokkal nagyobb, mint vázizomban. A mitochondrium-denzitás is nagyobb.
Vázizomrost és szívizomsejt szerkezete
A junkcionális SR/ER és a szarkolemma közötti „restricted space” külön intracelluláris kompartmentnek tekinthető és kitüntetett szereppel rendelkezik az EC csatolás és a Ca2+-homeosztázis vonatkozásában. Ebben a térben jóval nagyobbak a Na+, K+ és Ca2+ koncentrációváltozások, mint a többi citoszol kompartmentben. A teret határoló szarkolemma L-típusú Ca2+ csatorna és NCX fehérje denzitása sokkal nagyobb, mint a sejt más régióiban.
A „restricted space”
Vázizom rosttípusok •
A vázizmokkülönböző rosttípusokat tartalmaznak, melyek más-más feladatokra specializálódtak. Legtöbbjük kevert rostösszetételű, bár ezek közül egyik domináns lehet. Minden akaratlagos izom gén expresszióját a hozzá futó motoneuron tüzelési paraméterei határozzák meg A motoneuronok az általuk ellátott izomban több rostot is kontrollálnak (motoros egység). A magas precizitással működő szemizmokban a motoros egység néhány rostból áll, de a hát laposizmai esetében akár több ezerből. Egyetlen motoros egységben található rostok azonos rosttípushoz tartoznak és egyszerre kontrahálnak.
•
1 típusú vagy lassú oxidatív rostok: kontrakció sebességük és miozin ATP-áz aktivitásuk is alacsony. Ezek az izmok steady, folyamatos működésre képesek és ellenállók a kimerüléssel szemben. Motoneuronjaik aktivitása magas, tüzelési frekvenciája alacsony. A rostok vékonyak, (nagy felület/térfogat arány), a kapilláris denzitás a hatékony gázcsere érdekében magas. Magas a mitochondrium és myoglobin tartalmuk (vöröses szín). Metabolizmusuk aerob, és elsődleges energiaforrásuk a zsír. A maraton futók izomrost típusa.
•
2A típusú vagy gyors oxidatív-glikolitikus rostok kontrakció sebességük és miozin ATP-áz aktivitásuk magas. Amikor nagyobb erőkifejtésre van szükség a rostok fokozatosan aktiválódnak (recruitment). Ezek is ellenállók a kimerüléssel szemben. Motoneuronjaik aktivitása szakaszos burst-ökből áll. A rostok vékonyak, (nagy felület/térfogat arány), a kapilláris denzitás a hatékony gázcsere érdekében magas. Magas a mitochondrium és myoglobin tartalmuk (vöröses szín). Metabolizmusuk aerob, és elsődleges energiaforrásuk egyaránt lehet a zsír és a glukóz. Ezek az izmok általánosan használhatók, magas atletikus teljesítmény leadására képesek, de működésük kevésbé gazdaságos mint az 1 típusé.
•
2B típusú vagy gyors glikolitikus rostok kontrakció sebességük és miozin ATP-áz aktivitásuk is magas. Szinte kizárólag rövid, maximális intenzitású aktivitásra képesek és könnyen kimerülnek. Motoneuronjaik ritkán, de rendkívül magas frekvenciájú burst impulzusokat generálnak. A rostok vastagok, (kis felület/térfogat arány), kapilláris denzitásuk mérsékelt, a gázcsere és a végtermék eltávolítás lassú. Alacsony a mitochondrium és myoglobin tartalmuk (fehér szín). Metabolizmusuk anaerob (glukóz → tejsav). Ez a sprinterek izomtípusa, nem alkalmas tartós teljesítményre.
Kontrakció - relaxáció
A vázizom kontrakciós erejét meghatározó tényezők A) Kontrakció szummáció (tetanusz) B) Szarkomer hossz (myofilamentum „overlap”) C) További rostok aktiválása (recruitment)
A szívizom kontrakciós erejét meghatározó tényezők A) Intracelluláris Ca koncentráció (analóg) (intrinsic reguláció) B) Szarkomer hossz (myofilamentum „overlap”) (extrinsic reguláció)
A kontrakciós erő szabályozása váz- és szívizomban
A kontrakció hossz-feszülés görbéje váz-, és szívizomban
Aktiváció
Excitation-contraction coupling (ECC)
A) Izolált patkány kamrai szívizomsejt
B) Béka vázizom rost
A szívizommal ellentétben a vázizomban a kontrakció aktiválásához nem szükséges a külső Ca2+ beáramlása
Az SR belsejében számos calsequestrin molekula található A nem junkcionális SR felszínen nagyszámú Ca2+-pumpa egység található A RyR „lábak” két párhuzamos sort alkotnak
A DHP receptorok hasonló, de alternáló szimmetriájú struktúrát alkotnak a T-tubulus membránban
A kulcsfehérjék relatív helyzete a vázizom triádban
Szívizomban a valószínűleg random módon elhelyezkedő DHP receptorok száma sokkal kisebb, mint vázizomban, ahol szabályos struktúrát alkotnak.
T-tubulus junkciók szerveződése váz-, illetve szívizomban
Vázizomban A DHPR és RyR közötti fizikai kapcsolat alapvető jelentőségű Nincsen szükség külső Ca2+ beáramlásra Szívizomban A DHPR és RyR közötti fizikai kapcsolat nem közvetíti a VDCR-t A külső Ca2+ beáramlása (ICa) alapvető jelentőségű
EC-csatolás vázizomban (VDCR), illetve szívizomban (CICR)
A)
2 db Ca2+ spark (2D konfokális) fluoreszcencia)
B)
1 db Ca2+ spark (1D „line-scan”)
C)
Előbbiből nyert Ca2+ tranziens
D)
A fenti sparkot 3D-ben mutató felületi Ca2+ plot
Az SR-ből történő Ca2+ felszabadulás elemi eseménye a lokális „spark”, mely gyakran spontán, sztohasztikus módon is létrejön. Számos RyR vesz benne részt, a T-tubulus közelében indul, 10 ms alatt 200-300 nmol csúcs [Ca2+]i-t hoz létre. A csökkenés oka Ca2+ diffúzió, illetve Ca2+ reuptake.
Ca2+ sparkok
Hasonlóságok a váz- és szívizom EC csatolásában
Mindkét izomtípus harántcsíkolt (fejlett intracelluláris SR, illetve T-tubulus, hálózat)
Az akciós potenciál biztosítja az excitációs stimulust, mely aktiválja a plazmamembrán Ca2+ csatornáit
Az aktivált Ca2+ csatornák triggerelik a szarkoplazmás retikulum (SR) Ca2+ release csatornáit
Ennek eredményeként megemelkedik az intracelluláris szabad Ca2+ és aktiválja a kontraktilis apparátust
Különbségek a váz- és szívizom EC csatolásában
A vázizomban a T-tubulus, illetve szarkoplazmás retikulum rendszer sokkal fejlettebb A vázizomban nincsen specializálódott ingerképző szövet és nem találhatók ingerület vezető rostok
A vázizom rostok nem alkotnak szincitiumot – nincsen bennük gap junction, ezért elektromosan nem csatoltak A vázizom rostok akciós potenciálja kb. 100x rövidebb (2,5 ms), mint a szívizom akciós potenciálja
Összefoglalás A) Lényegét tekintve a 3-féle izom modellként szolgálhat az SR-ből történő Ca2+felszabadulás 3-féle mechanizmusára. (VDCR: vázizom; CICR: szívizom; IP3ICR: simaizom). Ez komoly egyszerűsítés, mivel mindhárom alapvető izomfajtában mindhárom mechanizmus jelenléte, és működése igazolt B)
Vázizomban a release indítása szempontjából a VDCR alapvető, a CICR szerepe is nagyon fontos a DHPR-ekkel fizikailag nem kapcsolódó (kb. 50%), VDCR-rel nem aktivált RyR-ok aktiválásában (recruitment), továbbá az IP3 is létre tud hozni (perinukleáris) Ca2+ felszabadulást (IP3ICR).
C)
Szívizomban a CICR az alapvető jelentőségű EC-csatolási mechanizmus. Ugyanakkor az IP3ICR release-moduláló szereppel rendelkezhet. Néhány megfigyelés felveti a szarkolemma és az SR közötti funkcionális direkt kapcsolat (így a VDCR) létét. E kapcsolat tényleges súlya nem ismert.
D)
Simaizomban mind az IP3ICR, mind a CICR szerepe bizonyított, sőt az is bizonyított, hogy az IP3ICR kölcsönhat egy más típusú, a csatolásban is résztvevő plazmamembrán Ca2+ csatornával (TRPC).
Akciós potenciál
Ca2+ homeosztázis vázizomban
INFLUX
=
EFFLUX
ICa
+ TRIGGER
INFLUX
EFFLUX
ICa ↑↑
INCX
+
≠
+ TRIGGER
-
Ca2+-tranziens
1
=
EFFLUX
ICa↑
+ TRIGGER
Ca2+-tranziens
2
„Steady-state”
INFLUX
“Kiürített” sejt
INFLUX
INCX ↓
+
=
EFFLUX
ICa
+ TRIGGER
-
INCX
+
Ca2+-tranziens
3
INCX ↓↓
+
“Újratöltődés” alatt
Ca2+-tranziens
4
„Steady-state”
Az SR Ca2+ tartalmának “autoregulációja” szívizomban. Vázizomban ez a mechanizmus nem működik!!!
A szabályozott Ca2+ belépés általános típusai. A Ca2+ néhány különböző csatornatípuson keresztül léphet be: 1) feszültség-függő csatornák (VOC), 2) második messenger-aktivált csatornák (SMOC), 3) „store-operated” csatornák (SOC), és 4) receptor-aktivált csatornák (ROC). 1) VOC: a membrán depolarizációja aktiválja. 2) SMOC: kis méretű messenger molekulák (inozitol foszfátok, ciklikus nukleotidek és lipidszármazék messengerek (pl. diacilglicerol, arachidonsav és metabolitjai)) aktiválják 3) SOC: intracelluláris Ca2+ raktárak kiürülése aktiválja. 4) ROC: neurotranszmitter vagy hormon agonista (Ag) direkt kötődése aktiválja 5) Ezenkívül, bizonyos körülmények között Ca2+ léphet be a sejtbe a Na-Ca2+ exchanger (NCX) reverz irányú transzportaktivitása következtében.
A SOCE (store operated calcium entry) modellje vázizomban Vázizomban a SOCE kinetikája jóval gyorsabb, mint nem-excitábilis sejtekben. Ezért a különbségért a STIM1 (stromal interaction molecule) lokalizációja lehet felelős. Gén blokkolt egér vázizomból készült elektron mikrográfok STIM1 igazolták, STIM1 protein aggregátumok jelenlétét terminális ciszternák és para-junkcionális SR membránokban. A junkcionális STIM1 molekulák Orai1 (calcium-release activated calcium channel protein) mellett, vagy azokkal komplexet alkotva fordul elő és képes rövid idő alatt reagálni a tároló kiürülésére.
Receptor-aktivált Ca2+ szignálút
STIM + ORAI: a SOCE két fő komponensének aktivációja
STIM1 + Orai1 kapcsolódás-modellek a „store-operated Ca2+ entry” aktivációja során. (A) A legegyszerűbb modell: a Orai1 (PM) és az aggregált STIM1 (ER) közvetlenül kapcsolódik (B) Első lépés: a STIM1 (PM) és aggregált STIM1 (ER) kölcsönhatása; ezt követően a STIM1 (PM) mediálja az Orai1 (PM) aktiválását és kapcsolódását a STIM1-hez (ER). (C) Az aggregált STIM1 (ER) az (A) esethez hasonlóan aktiválja az Orai1 (PM) csatornákat, ugyanakkor a STIM1 (PM) és az aggregált STIM1 (ER) komplex kölcsönhatása modulálja a kialakuló 2+ Ca csatorna aktivitását.
A kóros Ca2+ beáramláshoz köthető myopathiák
