Excitáció-kontrakció csatolása szívizomsejtek. sejtekben. Dr. Tóth András

Átírás

1 Excitáció-kontrakció csatolása szívizomsejtek sejtekben Dr. Tóth András

2 2+ i Intracelluláris szabad kálcium koncentráció

3 Témák Az ECc-ben szerepet játszó sejtstruktúrák Myofilamentumok az ECc végsı effektorai Az aktivátor Ca kinetikája Akciós potenciálok és ioncsatornák* A Ca beáramlás csatornái A szarkolemma Ca pumpája és az NCX A szarkoplazmás retikulum mőködése Excitációs kontrakciós csatolás SR Ca felszabadulás és Ca fluxusok Inotrópia Ca mismanagement

4 1 Hasonlóságok a szív- és a vázizom EC csatolásában! Mindkét izomtípus harántcsíkolt (fejlett T-tubulus, illetve intracelluláris SR hálózat) Az akciós potenciál biztosítja az excitációs stimulust, mely aktiválja a plazmamembrán Ca csatornáit Az aktivált Ca csatornák triggerelik a szarkoplazmás retikulum Ca release csatornáit Ennek eredményeként megemelkedik az intracelluláris szabad Ca és aktiválja a kontraktilis apparátust

5 2 Különbségek a szív- és a vázizom EC csatolásában! A szívizomban a T-tubulus, illetve szarkoplazmás retikulum rendszer kevésbé fejlett A szívben specializálódott ingerképzı (SA) szövet és vezetı (Purkinje) rostok találhatók A szívizom sejtek szincitiumot alkotnak azaz gap junction-ok segítségével elektromosan összekapcsoltak A kamrai szívizomsejtek akciós potenciál kb. 100x hosszabb (250 ms) mint a vázizom akciós potenciálja

6 3 Az ECc fontosabb lépései szívizomban! Az AP szomszédos myocitákról gap junction csatoláson keresztül átterjed a szívizomsejtre és végigterjed azon A depolarizáció aktiválja a membrán Ca csatornáit, s az elnyújtott AP alatt jelentıs mértékő Ca influx jön létre Az intracelluláris Ca lokális növekedése nagymértékő Ca felszabadulást triggerel az SR-bıl (CICR) Az intracelluláris Ca globális növekedése aktiválja a myofilamentumokat s így kontrakciót hoz létre β 1 -adrenerg stimuláció a Ca áram, release és reuptake növelésén keresztül növeli a szív kontraktilitását

7 Az EC csatolásban szerepet játszó sejtstuktúrák

8 4 ~ 100 x 25 µm Hısünk, a kamrai szívizomsejt

9 5 Vázizom Szívizom Vázizomban az SR sőrő hálózatot alkot, jelentısen kiszélesedik a terminális ciszternáknál, a T-tubulusok átmérıje jóval kisebb, mint szívizomban. Szívizomban az SR hálózat ritkább, junkcionális csatolásokat tartalmaz a külsı szarkolemmával, illetve a T-tubulusokkal, melyek átmérıje sokkal nagyobb, mint vázizomban. A mitochondrium-denzitás is jóval nagyobb. Vázizomrost és szívizomsejt szerkezete!

10 6! A junkcionális SR/ER és a szarkolemma közötti restricted space külön intracelluláris kompartmentnek tekinthetı és kitüntetett szereppel rendelkezik az EC csatolás és a Ca-homeosztázis vonatkozásában. Ebben a térben jóval nagyobbak a Na +, K + és Ca 2+ koncentrációváltozások, mint a többi citoszol kompartmentben. A teret határoló szarkolemma L-típusú Ca csatorna és NCX fehérje denzitása sokkal nagyobb, mint a sejt más régióiban. A restricted space

11 7! Az SR belsejében számos calsequestrin molekula található A nem junkcionális SR felszínen nagyszámú Capumpa 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

12 8! Szívizomban a valószínőleg random módon elhelyezkedı DHP receptorok száma sokkal kisebb, mint vázizomban, ahol szabályos struktúrát alkotnak. T-tubulus junkciók szervezıdése váz-, illetve szívizomban

13 Myofilamentumok: az E-C csatolás végsı effektorai

14 9! Szív Troponin-C 1 db Ca kötı hely (reguláció) K d = 500 nm) 2 db Ca-Mg kötı hely (stabilitás) A szívizomsejtek kontraktilis fehérjéi

15 10! A kontrakció mechanizmusa szívizomban

16 11 Resting muscle Ca 2+! ADP+P i A + M ADP P i High actin affinity * ADP+P i A-M ADP P i * ATP A-M ATP Low actin affinity P i ATP A-M * Rigor Complex ADP A kereszthíd ciklus fontosabb lépései szívizomban

17 12 A vázizom kontrakciós erejét meghatározó tényezık A) Kontrakció szummáció (tetanusz) B) További rostok aktiválása (recruitment) C) Szarkomer hossz (myofilamentum overlap )! A szívizom kontrakciós erejét meghatározó tényezık A) Intracelluláris Ca koncentráció (analóg) (intrinsic reguláció) B) Szarkomer hossz (myofilamentum overlap ) (extrinsic reguláció) A kontrakciós erı szabályozása váz- és szívizomban

18 13! A kontrakció hossz-feszülés görbéje váz- és szívizomban

19 14 Ca szenzitizáló szerek Pozitív inotróp szerek Hipoxia iszkémia A Ca-érzékenységet befolyásoló fontosabb tényezık

20 15! A kontrakciós erı-rövidülési sebesség görbe szívizomban

21 Az aktivátor kalcium forrásai, eltávolítása és kinetikája

22 16!! (From Bers, 2002) Ca transzportfolyamatok kamrai myocitákban

23 17 A) A myofilamentumok Ca érzékenysége (F = F max /(1 + (K m /[Ca] i ) n ) B) A kontrakció aktiválásához szükséges hozzáadott Ca mennyisége A görbék a skinned szívizomrostokra (Hill koefficiens n = 2), illetve intakt szívizomsejtekre (n = 4) vonatkoznak A myofilamentumok aktiválásához szükséges ( aktivátor ) Ca

24 18 Nyúl kamrai myocita modell A [Ca] i pontos értékének kísérletes meghatározása szinte lehetetlen!!!!!!! A) Változások a szabad és az összes intracelluláris Ca koncentrációkban B) Változások a citoplazmatikus Ca-kötı ligandokhoz kötött Ca mennyiségében C) Ca áram és transzporter fluxusok Dinamikus Ca változások (Ca tranziens) a kontrakció során

25 Extracelluláris tér (ECS 30% teljes testtérfogat) [Ca]: Influx: Efflux: Belsı szarkolemma felszín [Ca]: Szarkoplazmás retikulum [Ca]: Influx: Efflux: Mitochondriumok [Ca]: 2 mmol/l ECS x 0.55 L ECS/L citoszol = 1000 µmol/l citoszol VD Ca csatornák, Na/Ca kicserélı, leakage csatornák Na/Ca kicserélı, szarkolemma Ca-ATPáz 60 µmol/l citoszol (nincs szerepe az EC csatolásban!) (ui. gyors extracelluláris Ca eltávolítást követıen a depolarizáció nem hoz létre mérhetı [Ca] növekedést) µmol/l citoszol SR Ca-release csatorna (citoszolba!) Sr Ca ATP-áz (SERCA 2 ) (SR-be!) µmol/l citoszol (in vitro) (PO 4 3- matrix loading ) [Ca]: 100 µmol/l citoszol (in vivo) Influx: Na/Ca antiport (citoszolba!) Efflux: Ca uniport (mitochondriumba!) A citoszol Ca tartalma, Ca influx és efflux mechanizmusok

26 19 Coffein: felszabadítja az SR Ca tartalmát és gátolja visszavételét 0Na, 0Ca: gátolja az NCX-et FCCP: szétkapcsolja a mitochondriumokat Az egyes Ca transzporter mechanizmusok szerepe a relaxációban

27 20 Kritikus [Ca] i 500 nm A mitochondriális Ca ciklus a [Ca 2+ ] m változások tükrözıdnek a dehidrogenázok aktivitásában A mitochondrium szabad Ca tartalma [Ca] m a citoszol [Ca] i függvényében A mitochondrium szerepe az intracelluláris Ca regulációban

28 Akciós potenciálok és ioncsatornák a szívben*

29 21! Ioncsatornák szívizom sejtekben

30 Ca beáramlás a szarkolemma Ca csatornáin keresztül

31 22! (From Bers, 2002) Ca transzportfolyamatok kamrai myocitákban

32 23! A myokardium L - és T-típusú Ca csatornáinak legfontosabb tulajdonságai

33 24 Ca L csatorna: 3-5/µm 2 DHP receptor: 20/µm 2 Az L-típusú Ca csatornák tulajdonságai

34 25 A Ca-dependens I Ca -facilitáció (vagy gátlás) az un. lépcsı (starcase) jelenség oka a nyugalmi és folyamatos aktivitás alatti Ca szintek közötti eltérés. Egyes speciesekben (pl. kutya, nyúl, humán) az összefüggés pozitív, más speciesekben (pl. patkány, egér) negatív starcase jelenség mutatható ki PR: post rest (a nyugalom utáni elsı pulzus) SS: steady state pulzus Ca-dependens Ca-áram facilitáció I Ca positive starcase

35 26 Az AP alakja (idıtartama QT) meghatározza a transzportált Ca mennyiségét Hosszú AP: nagy Ca influx Rövid AP: kevés Ca influx Az I Ca mértéke négyszögimpulzus és AP-clamp alatt

36 27! Antagonisták: Dihidropiridin (DHP)-származékok (nifedipine, nitrendipine, nimodipine, nisoldipine, (+) Bay K 8644, azidopine, iodipine) Fenil-alkilamin (ΦAA)-származékok (Verapamil) Benzothiazepin (BTX)-származékok (Diltiazem) Agonisták: (-) Bay K8644 (+) S , stb. Agonisták: mode 2 ( tartósan nyitott állapot) (pl. Bay K 8644 esetén 0.6ms 20 ms) Antagonisták: mode 0 ( tartósan zárt állapot) A Ca csatorna mőködését moduláló fontosabb ágensek

37 G s Adenil-cikláz camp PKA(REG) 2. G s direkt hatás (AKAP: PKA rögzítı protein, PLB: foszfolamban) Az I Ca kétutas β-adrenerg aktivációja szívizomsejtekben

38 Összefoglalás! A) Az L-típusú Ca csatornán bejutó áram (I Ca ) a Ca influx legfontosabb mechanizmusa. B) Az I Ca centrális szereppel rendelkezik a szív EC-csatolásában, a Ca regulációban és a kontrakcióban. C) Az I Ca AP alatti kinetikája és amplitúdója kritikus faktorok az SRbıl felszabaduló Ca mennyiségének meghatározásában (is). D) Az I Ca -ban belépı Ca közvetlenül hozzájárul a myofilamentumok aktiválásához, az SR Ca-raktárainak feltöltéséhez/fenntartásához. E) A tartós Ca steady state feltétele, hogy a belépı teljes Ca mennyiség ugyanazon szívciklus alatt (fıleg az NCX mőködése következtében) hagyja el a szívizomsejtet. Ha nem így történik, a sejt fokozatosan telítıdik kalciummal. F) Az L csatornák nagy Ca konduktanciájának következménye, hogy ha (viszonylag kevés) L-csatorna nem inaktiválódik (vagy reaktiválódik), jelentıs intracelluláris [Ca]-szint emelkedés jön létre, (különösen depolarizált sejtben). Ennek következtében a relaxáció gátlódik, illetve arritmia is kialakulhat

39 A Na/Ca kicserélı és a szarkolemma Ca pumpája

40 29! (From Bers, 2002) Szarkolemmális Ca-transzport folyamatok kamrai myocitákban

41 30 A) A PMCA lineáris reprezentációja: 10 TM régió, foszfolipid (PL) szenzitív régió, calmodulin-kötı régió (CaM-BD), stb. B) A PMCA kétdimenziós modellje: autoinhibíciós állapotban (bal), Ca 2+ -CaM stimulációt követıen (jobb) A plazmamembrán Ca 2+ -ATP-áz szerkezeti és mőködési modellje

42 31! A fiziológiás aktivitás alapfeltétele a calmodulin-kötés kialakulása!!! A plazmamembrán Ca 2+ -ATP-áz kinetikus tulajdonságai

43 32 szabályozás XIP: exchange inhibitory protein A Na/Ca kicserélı (NCX) szerkezeti modellje

44 33 A. 2D topológiai modell B. TM 2, 3, 7, 8, illetve α-1 és α-2 loop-ok alkotják a transzport centrumot Az NCX transzport ciklusának lépései szívizomban. A kicserélési aktivitást az intracelluláris Na i & Ca i koncentrációk szabályozzák (E 1 befelé nyitott, E 2 kifelé nyitott) Az elektrogén Na/Ca kicserélı mőködési modellje

45 34! Spike fázis: Plato fázis Repolarizáció (E m > 0) a Ca influx dominál ion-eloszlások függvényében influx, vagy efflux egyaránt lehet az Ca efflux dominál (különösen magas [Ca 2+ ] i esetén) A Na/Ca kicserélı áram (I Na/Ca ) membránpotenciál (E m ) függése

46 35 Az NCX mőködését serkentı és gátló tényezık

47 36! Reverse mode : Ca 2+ influx, Na + efflux AP kezdeti fázisa Forward mode: Ca 2+ efflux, Na + influx AP késıi fázisai Az NCX AP alatti forward, illetve reverse irányú transzportját az ionkoncentrációk mellett a membránpotenciál értéke befolyásolja

48 37 Ilyen egyszerő az NCX áram közelítı kiszámítása

49 38 Szívelégtelenség: I NCX I SERCA Ca transzport-mechanizmusok versengése a szívizom relaxációja alatt

50 39 A nyugalmi csökkenés mértékét elsısorban az SL & SR szivárgási áramainak aránya, illetve a Na/Ca kicserélı aktivitása határozza meg A nyugalmi állapot nem fiziológiás állapota a szívizomsejtnek!!! A csökkenés mértéke erısen species-függı: patkányban igen kicsi, nyúlban viszont jelentıs Az SR Ca tartalmának nyugalmi csökkenése

51 Összefoglalás! A) A Na/Ca kicserélı mechanizmus alapvetı jelentıségő a miokardium intracelluláris Ca-regulációjában B) Ez az elsıdleges mechanizmus, mellyel az L-típusú Ca-csatornákon keresztül bekerülı Ca a relaxáció/diasztolé során kitranszportálódik a sejtekbıl. A szarkolemma Ca-pumpája (SLCP) szívizomban alárendelt jelentıségő. C) A Na/Ca kicserélı rendszer teljesítménye igen nagy, összemérhetı az SR Ca-ATPáz (SERCA 2 ) teljesítményével (~ 1 : 2), s ezáltal számottevıen hozzájárul a relaxációhoz D) Ugyanakkor az NCX elvben képes a kontrakcióhoz szükséges és elégséges Ca-influx létrehozására is. Erre fiziológiás körülmények között nincsen szükség. E) Az NCX által átlagosan kipumpált Ca mennyisége meg kell, hogy egyezzen az L-típusú Ca-csatornán bejutó Ca mennyiségével. F) Mivel az NCX a legfontosabb mechanizmus a Ca efflux kialakításában, jelentıs mértékő gátlása esetén várható az intracelluláris Ca szint progresszív emelkedése

52 Szarkoplazmás retikulum - Ca felvétel, tárolás és felszabadítás

53 40! (From Bers, 2002) Az SR Ca-transzport folyamatai kamrai myocitákban

54 41 Struktúra: 10 transzmembrán hélix. A protein 70%-a a membrán citoszol felıli oldalán van (β-lánc, foszforilációs és nukleotid kötı hely, membránon kívüli domainek, billenı tag) M 4 -M 6 & M 6 : Ca 2+ kötésben és transzportban fontos hélixek. A: Ca 2+ felvétel a citoszolból B: Ca 2+ leadás az SR lumenbe A B A transzport lépései: E 1 : 2 Ca 2+ magas affinitású kötése, ATP kötés, foszforiláció + konf. vált. E 2 -be E 2 : 2 Ca 2+ release az SR-be, két proton transzportjával, konf. vált. E 1 -be Az SR Ca-pumpa (SERCA 2 ) szerkezete és a transzport lépései

55 42 Arány: 2(-3) PLB monomer/serca 2 (nem szaturált) PLB-SERCA2 interakció: heterodimer PLB- SERCA gátolja a Ca transzportot foszforiláció vagy Ca kötés csökkenti a gátlást PLB A foszfolamban szerkezete és hatása az SR Ca transzportjára

56 43 A SR Ca-ATPáz (SERCA 2 ) farmakológiai inhibitorai Thapsigargin (TG) (K d < 2 pm) Ciklopiazonsav (CPA) 2,5-di(tert-butyl)-1,4-benzo-hidrokinon (TBQ)! A SERCA fontosabb (pato)fiziológiás szabályozó faktorai Ca: ph: ATP: Mg: az elérhetı Ca mennyisége ([Ca] i ) alapvetıen meghatározza a pumpa mindenkori aktivitását a pumpa mőködése szempontjából optimális ph 8, a ph jelentıs csökkenése (különösen ph < 7,4, azaz acidózis) esetén csökken a pumpa aktivitása (is), ezáltal a szívizom relaxációja (is) a pumpa 2 ATP-kötı hellyel rendelkezik (szubsztrát + reguláció) általában az ATP mennyisége nem limitáló tényezı, de súlyosiszkémia alatt, az ATP szintézis lassulása miatt csökkenhet a SERCA aktivitása (is), s ezáltal a szívizom relaxációja (is) a SERCA aktuális szubsztrátja valószínőleg Mg-ATP, így a Mg koncentráció jelentıs csökkenése gátolhatja mőködését (is) A SERCA 2 inhibitorai, illetve fontosabb szabályozó faktorai

57 44! SOC: store operated channels triadin, junctin: SR struktúrfehérjék A SR Ca tartalmát befolyásoló tényezık összegzése

58 45 Egyes feltételezések szerint a Ca csatorna kimenete a molekula oldalán lehet, s ezáltal a Ca ionok az SR-bıl közvetlenül a restricted space -be kerülhetnek. MW = Da FKBP: PKA kötı hely CaM: calmodulin kötı hely Az SR Ca release csatornájának (ryanodin receptor, RyR) modellje

59 46 A) 2 db Ca spark (2D konfokális) fluoreszcencia) B) 1 db Ca spark (1D line-scan ) C) Elıbbibıl nyert Ca tranziens D) A fenti sparkot 3D-ben mutató felületi Ca plot Az SR-bıl történı Ca felszabadulás elemi eseménye a lokális spark, mely gyakran spontán, sztohasztikus módon is létrejön RyR vesz benne részt, a T-tubulus közelében indul, 10 ms alatt nmol csúcs [Ca 2+ ] i -t hoz létre. A csökkenés oka Ca diffúzió, illetve Ca reuptake. Ca sparkok izolált kamrai szívizomsejtben Számos lokális spark fúziója Ca-tranziens kialakulásához, ezáltal kontrakcióhoz vezet!!!

60 47 A RyR makromolekuláris signaling komplex számos regulációs mechanizmus végsı integrátora!!! As SR-bıl történı Ca felszabadulást serkentı és gátló tényezık

61 48 Kiriazis 2000 A SR Ca-transzport genetikai modulációinak következményei

62 Összefoglalás! Az SR képes az szívizom-kontrakció aktiválásához elegendı Ca-t tárolni és megfelelıen gyorsan felszabadítani Néhány jellemzı számérték Tipikus kamrai szívizomsejtben ~ 2.5*10 5 DHPR, ~ *10 6 RyR, illetve ~ *10 9 SR Ca-ATPáz molekula található Tipikus nyugalmi Ca spark aktivitás: ~ 50/s, ehhez mindössze ~ 1000/s RyR aktivációja szükséges (az összes RyR ~ 0.02%-a) Csúcs SR Ca release-hez (~ 3 mm/s) ~ /s RyR szükséges (~ 4%) Teljes SR Ca release-hez (~ 50 µmol/l citoszol) ~ 7500 spark szükséges (azaz a RyR-ok ~ 5%-a) Hasonlóan, a mért Ca influx áram (max. 1 na) kialakulásához az L-típusú Ca csatornák (DHP receptorok) ~ 2-3%-a (~ 5000 db) szükséges

63 Excitációs-kontrakciós csatolás (ECc)

64 49! A) Izolált patkány kamrai szívizomsejt B) Béka vázizom rost A vázizommal ellentétben a szívizomban a kontrakció aktiválásához szükséges a külsı Ca beáramlása

65 50 Az SR-bıl történı Ca felszabadulás lehetséges aktivátor mechanizmusai

66 51 Aktiválás Delay idıtartam Gátlás A. Eltérı [Ca]-jú oldatok gyors cseréjét követıen mért tenziók B. Az SR Ca-release-ét indukáló (trigger) [Ca] az adott [Ca] eléréséhez szükséges (delay) idıtartam és a max. kontrakció kapcsolata (pca = - log[ca]) A tenzió (azaz Ca release) függ mind a trigger [Ca]-tól, mind annak változási sebességétıl (rate of change), azaz a mért delay mértékétıl Egy adott Ca-szint alatt pozitív, felette negatív feed-back van, azaz alacsony [Ca] sm aktiválja, magas deaktiválja a CICR mechanizmust. Ezt támasztja alá, hogy a delay idıtartam növekedésével a tenzió csökken! A CICR mechanizmus igazolása, illetve lokális (Ca) kontroll szívizomban (skinned Purkinje rostokon)

67 52! A RyR két Ca-kötıhelye eltérı kinetikával köti a Ca iont, ezáltal Ca-dependens aktiváció és inaktiváció is létre tud jönni: (1: gyors, alacsony affinitású kötıhely gyors aktiváció, 2: lassú, magasabb affinitású kötıhely lassú inaktiváció) Az SR-bıl indukált Ca-release (CICR) javasolt lépései szívizomban

68 53 TT SR TT SR + Vm + + Ca 2+ Ca 2+ Channel Release Channel Excitációs-kontrakciós csatolás szívizomban (Ca 2+ -Induced-Ca 2+ -Release)

69 54 A szívizom EC-csatolásának lokális kontrol elmélete!! Megfigyelések: Hipotézis: Tulajdonságok: Érvényesség: A [Ca] változás mértéke (sebessége) a RyR környezetében aktiválni, illetve inaktiválni tudja a RyR-t A DHPR és a RyR junkcionális kolokalizációja I Na ([Na] sm [Ca] sm ) SR Ca/release Lokalizált SR Ca-release események (Ca sparkok) kimutatása Közös Ca-pool modellek nem magyarázzák a graded CICR-t A RyR-t a fuzzy space azaz a [Ca] sm változásai modulálják Ca-szinapszis hipotézis: 1 DHPR 1 RyR-t triggerel Cluster bomb hipotézis: 1 DHPR cluster RyR-t aktivál Mindkét modell magyarázza a CICR analóg jellegét és nagy erısítését, de utóbbi valószerőbb, mivel nem igényel extra nagy single RyR Ca-fluxust A RyR-ok egy clusterjében (un. couplon) a Ca felszabadulás gyakorlatilag all or none jellegő és regeneratív. Aktív cluster nem képes a többit aktiválni (Ca-spark csak igen ritkán hoz létre újabbat) a graded jelleg az aktív clusterek számának változásából ered. A lokális kontrol elmélet az I Ca indukált SR Ca-release-re vonatkozik. Érvényessége nem igazolt más módokon (NCX, caged Ca) létrehozott SR Carelease vonatkozásában, melyek térbeli eloszlása kevésbé lokalizált a junkcionális régióhoz.

70 55! Vázizomban A DHPR és RyR közötti fizikai kapcsolat alapvetı jelentıségő Nincsen szükség külsı Ca beáramlásra Szívizomban A DHPR és RyR közötti fizikai kapcsolat nem közvetíti a VDCR-t A külsı Ca beáramlása (I Ca ) alapvetı jelentıségő EC-csatolás vázizomban (VDCR), illetve szívizomban (CICR)

71 Összefoglalás Ca A) Lényegét tekintve a 3-féle alapvetı izomtípus modellként szolgálhat az SR-bıl történı Ca-release 3-féle alapvetı mechanizmusára. (VDCR: vázizom; CICR: szívizom; IP 3 ICR: simaizom). Ez szubsztanciális egyszerősítés. Mindhárom izomtípusban mindhárom mechanizmus jelenléte, és mőködése igazolható B) Vázizomban a release indítása szempontjából a VDCR alapvetı, de a CICR szerepe is vélhetıen nagyon fontos a DHPR-ekkel fizikailag nem kapcsolódó (kb. 50%), VDCR-rel nem aktivált RyR-ok aktiválásában (recruitment), illetve IP 3 is létre tud hozni (perinukleáris) felszabadulást (IP3ICR). C) Szívizomban a CICR az alapvetı jelentıségő EC-csatolási mechanizmus. Ugyanakkor az IP 3 ICR 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 IP 3 ICR, mind a CICR szerepe bizonyított, sıt az is bizonyított, hogy az IP 3 ICR kölcsönhat egy más típusú, a csatolásban is résztvevı plazmamembrán Ca csatornával (TRP).!

72 Az SR és SL Ca fluxusok szerepe a szív kontrakció szabályozásában

73 56 Koffein, illetve ryanodin elıkezelés hatása a kontrakciós erı nagyságára különbözı szívizom preparátumokban. A kontrakciós erı helyreállása szívizom preparátumokban 30 s nyugalmi fázis után, ryanodin kezelést követıen (alsó vonal), illetve kontroll-ban (felsı vonal). Species különbségek a steady state kontrakcióban, illetve a kontrakciós erı post-rest recovery-jében

74 57 A) A Ca transzport [Ca] i -függése szívsejtekben B) Relatív Ca-fluxusok kamrai preparátumokban C) Integrált Ca-fluxusok relaxáció alatt D) I Ca & SR eredető aktivátor Ca frakciók A Ca fluxusok analízise különbözı species-ekben

75 58 Frekvencia-függı változások a kontrakciós erıben nyúl kamrai szívizomban Erı-frekvencia összefüggés patkány, nyúl, tengeri malac és humán kamrai izomban Erı-frekvencia kapcsolat szívizomban

76 Összefoglalás! A) A [Ca] i szabályozás részleteiben, különbözı preparátumokban és kísérleti feltételek között jelentıs variabilitás áll fenn. E komplexitás lényegében érthetıvé válik kis számú közös kölcsönható rendszer, és néhány, a különbözı szívpreparátumokban eltérı lényeges funkcionális tulajdonság figyelembevételével. B) A Ca-influx speciális körülmények között képes kontrakció kiváltására, de normális esetben felnıtt emlıs szívizomban az aktivátor Ca legfıbb forrása az SR. C) Az SR-bıl felszabaduló Ca egyrészt újra az SR-ben akkumulálódhat, másrészt az NCX eltávolíthatja a sejtbıl. Steady state-ben a szívciklus során létrejövı Ca-influx és Ca-efflux meg kell, hogy egyezzen. D) Az SR Ca tartalma során fokozatosan kiürülhet (NCX), de az I Ca segítségével post-rest aktivitás során gyorsan helyreállhat (5-10 kontrakció alatt). A transz-szarkolemmális Na-gradiens értékétıl függıen nyugalomban az SR kiürülhet, de fel is töltıdhet. E) A szív [Ca] i szabályozására dinamikus, de érzékeny egyensúly jellemzı, és ennek megváltozása inotróp, illetve luzitróp hatással jár.

77 Pozitív inotrópia

78 59! A myokardium kontraktilis állapotát szabályozó mechanizmusok: 1. Szimpatikus idegrendszer, 2. Frank-Starling mechanizmus 3. Erı-frekvencia összefüggés 4. Adrenerg reguláció 5. Vaszkuláris funkció A szív inotróp állapotának fiziológiás szabályozása

79 Hormonreceptorok & ion transzporterek szívizomsejtekben 1.

80 Hormonreceptorok & ion transzporterek szívizomsejtekben 2.

81 60 Fenn: Lenn: β 1 -receptor aktiválása, deszenzitizációja és down-regulációja molekuláris szinten Különbségek a háromféle β-receptor G-protein csatolásában β-adrenerg mechanizmusok (pl. β 2,3 -receptorokon keresztül) gátló (kardioprotektív) hatást is közvetíthetnek (pl. NO-szintézisen keresztül kontraktilitás csökkentés)!!! β-adrenerg receptor szignál-mechanizmusok szívizomban

82 61! Az α-adrenerg reguláció G-protein PLC (& PLD) IP 3 +DAG lépéseken keresztül pozitív inotróp hatású, továbbá hipertrófia kialakulását is serkenti α-adrenerg traszdukciós mechanizmusok kamrai sejtekben

83 62 α-adrenerg aktiváció hatására a Ca-tranziens sokkal kevésbé nı mint az erı, β-adrenerg hatás jelentısen növeli a tranzienst β-adrenerg hatás csökkenti, α- adrenerg hatás viszont növeli a myofilamentumok Caérzékenységét! α- és β-adrenerg inotrópia összehasonlítása

84 63! Emelkedett diasztolés [Ca] i pozitív inotróp hatású

85 64 A Na-pumpa gátlása szívglikoziddal (strofantin) növeli a nyugalmi Na i szintet (A), ezáltal emeli az IC Ca szintjét és az SR Ca szintjét (B). Szívglikozid (acetilstrofantin) koffein vagy ryanodin jelenlétében is növeli a kontrakció erejét Acetil-strofantidin hatásai a Ca-homeosztázisra

86 65 Ca-blokkoló (Nifedipine) hatására szinte teljesen megszőnik a kontrakció, még koffein jelenlétében is (fenn), továbbá az APD is számottevıen rövidül. A Na-pumpa gátlását követıen (acetil-strofantin) a Nifedipine már nem képes az elızı mértékben csökkenteni a kontrakciós erıt, bár az APD csökken (lenn). Ca csatorna gátlás következményei

87 Összefoglalás! A) A szív inotrópiájának növelése több mechanizmussal is lehetséges - hypotermia (kísérleti célok) - β-adrenerg aktiváció (fiziológiás) - α-adrenerg aktiváció (fiziológiás) - CaMKII (Ca-CaM-függı protein kináz) aktiváció (fiziológiás) - kardioaktív szteroidok (szív glikozidok) (terápiás) B) Fiziológiás körülmények között a β 1 -adrenerg aktiváció (ANS) szerepe különlegesen jelentıs (inotróp, chronotróp, luzitróp, stb. hatások), de a β 2,3 -receptorok gátló, kardioprotektív hatásokat is közvetíthetnek (NO). C) Az α-adrenerg aktiváció szerepe az inotrópia növelésében humán szívben kevésbé jelentıs, ugyanakkor fontos szerepe van a szív hipertrófiájának indukciójában (PKC). α-adrenerg aktiváció növeli a myofilamentumok Ca érzékenységét, de nem fokozza a relaxáció sebességét. Az APD-t növeli. D) A CaMKII szerepe viszonylag kevésbé ismert. Mivel autofoszforilációra képes, szerepe lehet [Ca] i szignálok integrációjában. E) A digitalis a szív patológiás körülmények között csökkent inotrópiájának terápiás növelésére legrégebben (1785) használt anyag. A Na-K pumpa gátlásán keresztül növeli a Ca influxot és csökkenti az effluxot, ezáltal az [Ca] i is emelkedik, ami intrinsic módon inotrópia növelı hatású. Túlzott használata azonban negatív inotrópiához és arritmogenezishez vezet.

88 Ca mismanagement és negatív inotrópia

89 66! Az EAD-ok az I Ca újraaktiválódása következtében alakulnak ki, különösen az APD jelentıs megnyúlása esetén (pl. LQT szindróma) A DAD-ok oka vélhetıen az SR túltöltıdése következtében spontán kialakuló sparkok aktiváló hatása a Ca-függı csatornákra (I NA/Ca, I Cl(Ca), I NS(Ca) ) Spontán Ca felszabadulás és utópotenciálok szívizomsejtekben

90 67 C Acidózis hatása a szív EC-csatolására D Papilláris izom preparátum-ban ph o változtatása után az erı csökkent, a Ca-tranziens nıtt (A+B). A ph-csökkenés hatására lényegesen csökken a maximális kontrakciós erı (C). Az intracelluláris ph i szabályozásának legfontosabb transzport mechanizmusai (D).

91 68 Akut iszkémia-reperfúzió alatt kialakuló fontosabb változások

92 69 Hipertrófiához vezetı szignál kaszkádok

93 70! Szívelégtelenségben módosult funkcióval rendelkezı struktúrák : NCX (reverz és forward módban is) Feszültség szenzor Foszfolamban SR-Ca-ATPáz (SERCA2a) A szarkolemma Ca-transzportjának (NCX) relatív súlya nı A szarkoplazmás retikulum Ca-transzportjának (SERCA) relatív jelentısége csökken. Szívelégtelenségben az EC-csatolásban kialakuló fontosabb elváltozások

94 70!!! + feedback A csökkent pumpa funkciót (fiziológiás) negatív feedback folyamatok próbálják kompenzálni. Ezek következtében az intracelluláris Ca-szint és a Ca tranziens emelkedik.!!!! - feedback Az intracelluláris Ca-szint emelkedése maladaptív gén-expressziót indukál, mely tovább rontja a pumpa funkciót, és kóros pozitív feed-back kör, circulus viciosus jön létre. A genetikai változások pozitív feed-back-je

95 72 A Ca-homeosztázisban szívelégtelenségben kialakuló változások

96 73 Kontraktilis diszfunkció és arritmogenezis szívelégtelenségben

97 74 Változások a Ca homeosztázissal kapcsolatos gének expressziójában súlyos fokú szívelégtelenségben

98 Összefoglalás! A) A szív (kamrai szívizomsejt) nagyon finoman hangolt rendszer, amely képes a kontrakció paramétereit rövid idı alatt a fiziológiás igények rendkívül széles tartományban történı változásaihoz igazítani az ion-áramok, Ca-homeosztázis és a myofilamentumok paramétereinek megváltoztatásával. Ez a rendszer sok ponton redundáns, de amennyiben a normális [Ca]-regulációs mechanizmusok jelentısen sérülnek, súlyos negatív inotrópia jöhet létre. B) Ca túlterhelés gyakran spontán SR Ca-release-hez, és Ca-hullámok kialakulásához vezet, melyek, ha nagyszámú sejtben, random módon generálódnak, a kontrakciós erı jelentıs csökkenéséhez vezetnek. C) A késıi utópotenciálok és utókontrakciók kialakulásában az SR Ca-release által indukált I ti (tranziens inward áram: I Na/Ca + I Cl(Ca) + I NS(Ca) ) vesz részt. D) Az acidózis, mely gyakran myokardiális iszkémia következménye, a Catranszport több komponensének (NCX, SERCA, stb.) gátlása révén jelentıs kardiodepresszív hatással rendelkezik (kontrakciós erı & Ca-érzékenység). E) A hipoxia, iszkémia/reperfúzió és szívelégtelenség rendkívül komplex, multifaktoriális patomechanizmusainak progressziójában mindig jelentıs szerepet játszanak az intracelluláris Ca-homeosztázis folyamatosan súlyosbodó zavarai, melyek egyik legfontosabb következménye a szív kontrakciós erejének sokszor a keringés összeomlásához vezetı mértékő csökkenése.