Izomelettan 2. tétel PDF

Tartalomjegyzék 17. Az izomműködés szabályozása és a motoros véglemez 18. Az izomösszehúzódás molekuláris mechanizmusa, elektromechanikai kapcsoltság; kereszthíd-ciklus 19. A harántcsíkolt izom típusai, izomműködés energiaforrásai és az oxigénadósság; a hőtermelés és izomfáradás 20. Az i...

Tartalomjegyzék 17. Az izomműködés szabályozása és a motoros véglemez 18. Az izomösszehúzódás molekuláris mechanizmusa, elektromechanikai kapcsoltság; kereszthíd-ciklus 19. A harántcsíkolt izom típusai, izomműködés energiaforrásai és az oxigénadósság; a hőtermelés és izomfáradás 20. Az izomműködés makroszkopikus jelenségei; a hossz- feszülés diagram: izommunka, teljesítmény; 21. A simaizomra jellemző sajátosságok  Elektromechanikai kapcsoltság fázisai az izomi AP keletkezésétől a kontrakcióig zajló folyamatok, amit relaxáció követ szarkoplazmatikus retikulum négyszögingerlés Ca2+ -kötö feherje Ca2+ pumpák membránpotenciál vált. dihidropiridin receptorok T-tubulus intracelluláris Ca2+ konc. ryanodin receptorok izomösszehúzódás szarkoplazmatikus retikulum időkalibráló jel (100 ms)  Elektromechanikai kapcsoltság fázisai az izomi AP keletkezésétől a kontrakcióig zajló folyamatok, amit relaxáció követ Az idegi akcióspotenciál a myoneurális junctio területén átterjed az izomrostra, ezután a myolemmán tovaterjedő AP jön létre. A myolemma AP-jának elektromos jele végül a T-tubulus rendszeren keresztül eléri a triádot (ld. később), ahol az elektromos jel kalciumszignállá változik. Utóbbi kiváltja a mechanikai választ: kontrakció (izomrángás) jön létre. Az izomi AP keletkezésétől a rángásig lezajló folyamatot nevezik elektromechanikai kapcsoltságnak, amit relaxáció követ. 53  Elektromechanikai kapcsoltság ! véglemez pot ból akciós pot ca eltüntetése - sből kipumplni stb triádban dhp receptor ca receptor kinyílik ezt mechanikai inger (dhp) nyitja ca csatokat nyitja rianoni receptor - szívben nincs · Elektromechanikai kapcsoltság 1. Akciós potenciál (AP) az ideg felől átjut az izomrostra 2. AP eléri a T-tubulusokban található L-típusú (feszültségfüggő) Ca2+-csatornát, ami a feszültség változás hatására kinyílik 3. Az L-csatorna nyitása hatására a mechanoszenzitív rianodin-Ca2+ csatorna is kinyit: A sarcoplasmaticus reticulumból (SR) rengeteg Ca2+ jut az IC-be 4. IC emelkedő Ca2+ koncentráció feedback (+) hatására nyitja az SR Ca2+-dependens Ca2+-csatornáit (ionotróp rianodin csatornák) 5. továbbá sejtmembránon található Ca2+-csatorna is nyit (EC térből) 6. Eredmény: intracitoplasmaticus Ca2+ szint nagyon magas lesz a sarcomer körül, ami kontrakcióhoz vezet. Elektromechanikai kapcsoltság Az izomsejt triád struktúrája: a myolemma T-tubulusrendszere itt csatlakozik az IC sarcoplazmatikus retikulummal. Az AP hatására a T-tubulus feszültségérzékelő receptora (DHP v. L-típusú kalcium csatorna része) konformációváltozást szenved. Ez a hozzá szorosan illeszkedő, az SR membránon lévő mechanoszenzitív T-tipusú rianodin kalciumcsatornát nyitja: az SR-ből nagy mennyiségű kalcium szabadul ki az intracytoplasmatikus (myoplasmaticus) térbe. Ez pozitív feedback útján hirtelen megnyitja a többi SR kalcium csatornát (ún. Kalciumfüggő, ionotróp kalcium csatornák). E mellett megnyílnak a sarcolemma EC felé néző kalciumcsatornái is. Mindez létrehozza az átmeneti, igen gyors kalciumkoncentráció növekedést, ami kiváltja a kereszthídciklusok megindulását. Maga a kalciumjel stimulálja önmaga megszüntetését: az EC felé nátrium/kalcium antiporter, az SR felé ATP-függő kalcium pumpa hajtja vissza a kalciumot: megszűnik a kereszthíd ciklus működése, ellazul az izom. Elektromechanikai kapcsoltság 1. Ca felszabadítás a Triád révén (T-tubulusnál L-tipusú; DHP-val gátolható feszültség érzékelő Ca csatorna; AP hatásra konformáció változáson megy át. A konformáció változástól az SR terminális ciszternánál Rianodin érzékeny Ca-csatorna kinyit. 2. Izomfehérjék aktiválása (Ca segíti a Tropomyosin-Tn complex kapcsolódását, ami az acto-myosin komplex kialakulásához vezet) 3. Izomkontrakció létrejötte: Ca jelenlétében a kereszthidak folyamatosan működnek (power stroke), létrejön a kontrakció a „walk – along” („ratchet”) mechanizmussal 4. Relaxáció követi a folyamatot, a Ca eliminálódik az IC térből a következőképpen: a) Na/Ca antiporterrel (az EC-térbe) b) ATP függő Ca-pumpával vissza az SR-be c) mitochondriumba ill. szekveszterekbe Mind a kontrakció, mind a relaxáció ATP-t igényel: a) A power strokehoz b) a miozinfej energiával való feltöltéséhez c) A Ca visszapumpálásához 57 Elektromechanikai kapcsoltság 58 Elektromechanikai kapcsoltság A Ca ezután eliminálódik / kiürül 59 A Triád A Triád A T-tubulus membránjába ágyazottan feszültségérzékelő elemeket találunk. (L-típusú (dihidropiridinnel - DHP -gátolható) feszültség érzékelő receptorok). AP hatására az L-típusú csatorna egy konformáció változáson megy át és az IC oldalon közvetlen kapcsolatba kerül az ún. rianodin (T-tipusú) érzékeny kalcium csatornával, amelyek szintén konformáció változás függvényében nyitnak ill. zárnak. 61 A Triád 62 A Sarcomer molekuláris struktúrája Az aktinkomplex nem egységes fehérje. Fő komponense a G-aktin, amely polarizált aktinszálakat, abból felcsavarodott kettős spirált alkot. A spirálnak a felületén a tropomiozin molekula található. Nyugalomban a tropomiozin molekula fedi azokat az aktív pontokat (aminosav szekvenciákat) az aktin felületén, melyek a miozin ATP-áz aktivitását stimulálhatnák. A fedés úgy jön létre, hogy a tropomiozinra egy komplex fehérje kötõdik, a troponin komplex. Ennek Tn-I (inhibitorikus) és Tn-T (tropomiozin kötő) tagja rögzíti a tropomiozint, Tn-C (calcium kötő) része pedig nyugalomban kalciummentes. Utóbbi kalcium kötés után aktiválódik és sorozatos konformáció változások miatt elmozdítja a tropomiozin szálat: az a két aktinspirál árkába csúszik, felszabadulnak az addig fedett miozinkötő (ATP-áz aktiváló) aminosav szekvenciák az aktin felületén. Megindul a kereszthíd ciklus. 63  A Sarcomer molekuláris struktúrája Miozin kötőhely G-actin (Binding-site) alegység 1. F-actin α-helix 2. Tropomyosin Amikor a Tropomyosin az α-helix árkába csúszik, hét kötőhelyet blokkol ha a felületen van szabadon hagyja a miozin kötőhelyet; Ez az inaktiv status; relaxáció. ez az aktív státusz 3. Troponin-complex Troponin-C: Ca-kötő, behúzza a tropomyosint az árokba (aktív) Troponin-T: köti Tn-complexet a Tropomyosinhoz Troponin-I: Actinhoz kapcsolódik, a Tropomiosin-Tn complexet a helix felületén tartja (inaktiv) 64 A Sarcomer molekuláris struktúrája A miozin köteg 6 elemi miozin molekulából áll. Két nehéz lánc (HC) hosszú szakaszon alfa-hélixből, végükön globuláris részből áll és egymásba csavarodnak. A globuláris rész alkotja a miozin feji részét ("kereszthíd„), mely az aktin szálak felé az alfa-hélix résszel kb. 90-fokos szögben tér ki. Mindkét alfa hélix feji részéhez két - két könnyű lánc (LC) csatlakozik. A teljes molekulalánc egy nehéz és egy könnyű meromiozin (MM) tagra osztható. A feji rész max. 45 fokos elmozdulásra képes. Ez tartalmazza az ATP- beépítésért és hasításért felelős láncokat (miozin izotípusok). Ezek LC-1, LC-2, LC-3 típusúak lehetnek. Típusuk meghatározza az ATPáz aktivitás sebességét és ezáltal az egész sarcomer teljesítőképességét. Genetikailag ezen enzimrészlet aktivitása határozza meg az adott izomrost hovatartozását: a gyors (fast-twitch) izomrostokban LC-2, a lassúakban LC-3 izotípus található. 65 A Sarcomer molekuláris struktúrája Actin kötőhely Farok (Tail) Könnyű lánc light chain (LC) LC1,LC2,LC3 α-helix ATP kötőhely Nehéz lánc (HCh) Feji (globularis) kereszthíd (Cross-Bridge) A fej 90˚-ot A kereszthíd Max 45˚ zár be az α-helix Elmozdulásra képes résszel Myosin Filamentum (200 Miozin egység akot egy M-filamentumot) 66  A Csúszófilamentum Modell Az izomösszehúzódás alapja az aktin és miozinszálak egymás feletti elcsúszása, aminek elemi mozzanata a miozinfej és az aktinszál közötti kapcsolat kialakulása után a miozinfej elmozdulása kb. 45 fokkal (kb. 7 nm- el) Ez az igen rövid idő alatt lejátszódó esemény több egymás utáni lépésben zajlik le: 1. Először a kalcium kötődik a TnC-hez, majd az elcsúsztatja a tropomiozint. 2. Kötődik az aktin és a miozin, aktiválódik az ATPáz, elmozdulás jön létre és a kapcsolat az aktin és miozin között megszűnik. 3. A miozinfej ATP-t köt, visszakerül eredeti helyzetébe. Ha van jelen kalcium, akkor a ciklus újra lezajlik, ha az IC kalciumjel megszűnik, akkor a kereszthíd-ciklus leáll. Sok egymás utáni ciklus aszinkron működése a Z-csíkok egymáshoz való közeledését, a sarcomer - ill. az izom - rövidülését hozza létre. 67 A Csúszófilamentum Modell Vékony filamentum (aktin) Vastag filamentum (miozin) Megrövidült izom Megnyúlt izom 68 A kereszthíd-ciklus A kereszthíd-ciklus megindítója a kalcium jel. Az idegi akcióspotenciálnak az izomra való átterjedése után, a sarcoplazmatikus retikulumból szabadul fel a kalcium. Koncentrációja az intracitoplasmatikus térben, tehát a TnC környezetében időlegesen több százszorosra emelkedik. Ugyanakkor éppen a kalciumszint emelkedés indít meg egy sor, kalciumot a cytoplasmából kipumpáló mechanizmust, ami a kalciumkoncentráció növekedésének gátat szab. Egy idő után a kalcium újra micromol/l koncentráció értékre esik vissza a sarcomer közelében. E jelenség az ún. kalcium tranziens. A kalcium hatására az aktin-miozin kapcsolat létrejön. Az aktin aktiválja a miozint, ami ATPáz aktivitása miatt hasítja a kötött ATP- t: energia szabadul fel, a miozin fejecske elmozdul, de mivel köti az aktint, ezért a Z-csíkok is egymás felé mozdulnak, izomösszehúzódás lesz. A további történések aszerint mennek végbe, hogy van-e a rendszerben jelen elég ATP. Ha nincs ATP, akkor a miozin elmozdul, de nem tud leválni az aktinról. 69  A kereszthíd-ciklus Ha nincs több ATP a rendszerben (élettani körülmények között nem fordul elő), akkor az izom a nyugalmi állapotba került (45º-ban meghajolt) miozinfejjel kötve tartja az aktint: tartós, inaktív összehúzódottsági állapot jön létre. Ez a helyzet akkor, mikor halál után kifogynak az ATP raktárak: az izom merev, összehúzódott állapotba kerül: hullamerevség, rigor mortis jön létre. A merevség csak azért oldódik a későbbiekben, mert autolízis (önfeloldódás) következik be. A halál után a lysosomális enzimek feloldják a saját fehérjéket. Normális esetben mindig van jelen ATP. A miozin újra ATP-t köt, elválik az aktintól és energiatartalma növekszik: visszahajlik eredeti helyzetébe. Az aktin-miozin komplex szétcsúszik. A további mozzanatok a kalcium jelenlététől függenek. Ha van kalcium, akkor a ciklus újra indul. Ha nincs kalcium, akkor a tropomiozin újra elfedi az aktinnak a miozint aktiváló részét és izomellazulás következik be: ekkor a miozin fejecskék ATP-vel feltöltött, energiadús állapotban 90 fokos szöget zárnak be a miozin molekula hossztengelyével. 70 A kereszthíd-ciklus Tropomyosin Aktin szál Feltöltött „cocked head” állapot Miozin szál 90˚ ∟ 1. Alapállapot: miozinfej (kereszthíd) „feltöltve”, nyugalom  A kereszthíd-ciklus Aktin szál Miozin „kereszthíd” fej Miozin szál 2. Akciós Potenciál Ca felszabadulást eredményez, TnC-Ca komplex lehúzza a Tropomyosint, Miozin kötőhely felszabadul, a Miozin kötődik az Aktinhoz, ez energia felszabadulást eredményez. 72  A kereszthíd-ciklus 40˚ Az ADP és a P csoport disszociál +5˚ 45˚ 3. Ha a Miozin kötőhely felszabadul, és kialakul az aktomiozin komplex (kereszthíd ciklus), energia szabadul fel. Ezt követően a P és az ADP disszociálódik a miozinfejről. Az ADP disszociáció további energia felszabadulásával jár. A folyamat végeredménye kontrakció, azaz az energetikai nyugalom. Az összehúzódás két lépésben történik meg: 1. Power stroke 1: a miozin fej 40 fokban hajlik 2. Power stroke 2: az ADP disszociáció hatására még 5 fokos elhajlás történik 73  A kereszthíd-ciklus Az ATP hozzáköt a miozin fejhez, ami 90˚ elengedi az aktinszálat „cocked head” 4. A Ca eliminálódik a rendszerből, vissza a SR-ba, stb. és az aktin és miozin szétválik. Ha van ATP a környezetben a fej újra megköti azt (amin az ATP disszociál ADP+P-ra, de rajta marad a fejen). Energia szabadul fel, ezáltal a fej visszatér 90˚-os szögbe, ami az ún. „felhúzott ravasz” („cocked head”) (energiában gazdag) állapot.  Beef muscle Contraction and Relaxation https://youtu.be/_9WL8x-pLMg?t=125 https://youtu.be/_9WL8x-pLMg?t=125 75 http://legacy.owensboro.kctcs.edu - ATP - Calcium - Magnesium - Myosin - Actin - Tropomyosin - Troponin - complex https://www.youtube.com/watch?v=Ct8AbZn_A8A Az animációk megtekintéséhez kövesd a linkeket  Az ATP és Ca2+ szerepe a kontrakcióban Folyamatos permanens relaxáció (Parturient Paresis) Kalcium hiányában a miozinszál képtelen az aktinszálhoz kötni (a „letakart” kötőhelyek következtében) Rigor Mortis ATP hiányos állapotban az aktomiozin komplex nem tud feloldódni (az Aktin és Miozin disszociálni) After death, respiration in an organism ceases, depleting the corpse of oxygen used in the making of adenosine triphosphate (ATP). ATP is required to cause separation of the cross- bridges during relaxation. When oxygen is no longer present, the body may continue to produce ATP via anaerobic glycolysis. When the body's glycogen is depleted, the ATP concentration diminishes, and the body enters rigor mortis. https://en.wikipedia.org/wiki/Rigor_mortis https://en.wikipedia.org/wiki/Rigor_mortis 78 „She calved yesterday. Found her this morning lying flat out but 1 bottle of calcium and she was back on her feet after just 5 mins. First thing she done after getting up was top search for her Swedish red x Holstein calf” https://www.youtube.com/watch?v=F85cuRuQjLE 79 A kereszthíd-ciklus 80 A „walk–along” („racsni”) mechanizmus Miozin „visszacsúszik” Miozin nem tud visszacsúszni Folytonos kontrakció A folyamatos összehúzódáshoz a miozinfejeknek aszinkron módon kell összehúzódniuk 81 A kalcium eltávolítása A kalcium eltávolítása A triád (ill. szívizomban a diád) működése kapcsán az IC tér kalcium koncentrációja az eredeti tized mikromol/l koncentráció értékről több mikromol/l -re emelkedik. Ez az emelkedés automatikusan megindítja a myoplasmaticus kalcium eltávolító mechanizmusokat: 1. Legfontosabb a myolemma/EC tér között működő nátrium ion / kalcium ion antiporter, amely másodlagosan aktív transzporttal távolítja el a kalciumot. 2. Jelentős az SR-be való visszapumpálás: aktív, ATP függő kalcium pumpa végzi. 3. Ugyanakkor harmadik lehetőségként egyéb sequesterek (kalciumot elkülönített helyen tartó organellumok) is fontosak pl. a mitokondrium ill. kis vesiculumok. E folyamatok energiaigényesek!  A Ca2+-jel vizsgálata Aequorea victoria ⑧ Az Izomkontrakció Molekuláris Alapjai (Kereszthíd ciklus; cross-bridge; az előző lépések összefoglalása) 1. AP hatására a sarcolemma depolarizálódik 2. Az AP a T-rendszeren át aktiválja az SR-t (Ca-kiáramlás, koncentráció növekedés és egyidejű Ca visszapumpálás a citoplazmából a raktárakba) 3. (sarcomer szinten) Ca köt a TnC-hez (TnC 2 Mg-t is köt; ez a Myosin fej ATPáz aktiválásához elengedhetetlen) 4. A TnC-Ca kontaktus miatt konformáció változás lesz, a TnI elválik az Aktintól, TnT köti a Tropomyosint - becsúszik a hélix árkába - szabaddá válik a miozin kötőhely a G-aktinon 5. Az ATP-vel „feltöltött” miozinfej az Aktinhoz kötődik (90˚) 6. A fej ATPáz aktiválódik (TnC-Mg is támogatja), így: ATP - ADP+P-re disszociál és energia szabadul fel. 7. Az aktinhoz kötött kereszthíd (cross-bridge) 45˚-ban elmozdul, a Z-lemezeket a centrum felé húzza; ez az ún. erőlökés (Power-Stroke) 8. Actin – Myosin komplex elválik, mivel a Ca visszapumpálódik az SR-be, stb. (ha nincs újabb Ca, elválva marad) – relaxáció áll be (ekkor a Ca koncentáció csak mikromol/l). Ha van újabb Ca, akkor indul a ciklus elölről) 9. Ha van ATP, a fej újra ATP-t köt, ez a fejen maradva ADP+P-re disszociál + Energia szabadul fel, tehát a fej vissza kerül 90˚-ba, energiában gazdag („cocked head”) állapot alakul ki. 10. Más kereszthidak ezalatt ugyancsak „erőlökést” csinálnak, így az aszinkron „power stroke”-ok a Z-lemezeket közelebb hozzák, és a kereszthíd ciklust fenntartják. 85 Az izomösszehúzódás mechanizmusa Az izomösszehúzódás mechanizmusa Az izomösszehúzódás mechanizmusa Az izomösszehúzódás mechanizmusa Az izomösszehúzódás mechanizmusa Az izomösszehúzódás mechanizmusa Az izomösszehúzódás mechanizmusa Az izomösszehúzódás mechanizmusa t