Vázizom elektrofiziológia alapjai. Tóth András, PhD

Átírás

1 Vázizom elektrofiziológia alapjai Tóth András, PhD

2 Témák Struktúra Kontrakció és relaxáció Aktiváció Excitáció-kontrakció csatolás Akciós potenciál Ioncsatornák* Ca 2+ homeosztázis

3 Struktúra

4

5

6 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

7 A junkcionális SR/ER és a szarkolemma közötti restricted space külön intracelluláris kompartmentnek tekinthető és kitüntetett szereppel rendelkezik az EC csatolás és a Ca 2+ -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 2+ csatorna és NCX fehérje denzitása sokkal nagyobb, mint a sejt más régióiban. A restricted space

8 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.

9 Kontrakció - relaxáció

10

11

12

13 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

14 A kontrakció hossz-feszülés görbéje váz-, és szívizomban

15 Aktiváció

16

17

18 Excitation-contraction coupling (ECC)

19 A) Izolált patkány kamrai szívizomsejt B) Béka vázizom rost A szívizommal ellentétben a vázizomban a kontrakció aktiválásához nem szükséges a külső Ca 2+ beáramlása

20 Az SR belsejében számos calsequestrin molekula található A nem junkcionális SR felszínen nagyszámú Ca 2+ -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

21 Szívizomban a valószínűleg random módon elhelyezkedő DHP receptorok száma sokkal kisebb, mint vázizomban, ahol szabályos struktúrát alkotnak. T-tubulus junkciók szerveződése váz-, illetve szívizomban

22 Vázizomban A DHPR és RyR közötti fizikai kapcsolat alapvető jelentőségű Nincsen szükség külső Ca 2+ beáramlásra Szívizomban A DHPR és RyR közötti fizikai kapcsolat nem közvetíti a VDCR-t A külső Ca 2+ beáramlása (I Ca ) alapvető jelentőségű EC-csatolás vázizomban (VDCR), illetve szívizomban (CICR)

23 A) 2 db Ca 2+ spark (2D konfokális) fluoreszcencia) B) 1 db Ca 2+ spark (1D line-scan ) C) Előbbiből nyert Ca 2+ tranziens D) A fenti sparkot 3D-ben mutató felületi Ca 2+ plot Az SR-ből történő Ca 2+ 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 nmol csúcs [Ca 2+ ] i -t hoz létre. A csökkenés oka Ca 2+ diffúzió, illetve Ca 2+ reuptake. Ca 2+ sparkok

24 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 Ca 2+ csatornáit Az aktivált Ca 2+ csatornák triggerelik a szarkoplazmás retikulum (SR) Ca 2+ release csatornáit Ennek eredményeként megemelkedik az intracelluláris szabad Ca 2+ és aktiválja a kontraktilis apparátust

25 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

26 Összefoglalás A) Lényegét tekintve a 3-féle izom modellként szolgálhat az SR-ből történő Ca 2+ - felszabadulás 3-féle mechanizmusára. (VDCR: vázizom; CICR: szívizom; IP 3 ICR: 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 IP 3 is létre tud hozni (perinukleáris) Ca 2+ felszabadulást (IP3ICR). C) Szívizomban a CICR az alapvető jelentőségű 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, sőt az is bizonyított, hogy az IP 3 ICR kölcsönhat egy más típusú, a csatolásban is résztvevő plazmamembrán Ca 2+ csatornával (TRPC).

27 Akciós potenciál

28

29

30

31 Ca 2+ homeosztázis vázizomban

32 INFLUX = EFFLUX INFLUX EFFLUX I Ca TRIGGER I NCX TRIGGER - I Ca + + I NCX Ca 2+ -tranziens Ca 2+ -tranziens 1 Steady-state INFLUX = EFFLUX 2 Kiürített sejt INFLUX = EFFLUX TRIGGER - I Ca + + I NCX - I Ca TRIGGER + + I NCX Ca 2+ -tranziens Ca 2+ -tranziens 3 Újratöltődés alatt 4 Steady-state Az SR Ca 2+ tartalmának autoregulációja szívizomban. Vázizomban ez a mechanizmus nem működik!!!

33 A szabályozott Ca 2+ belépés általános típusai. A Ca 2+ 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 Ca 2+ raktárak kiürülése aktiválja. 4) ROC: neurotranszmitter vagy hormon agonista (Ag) direkt kötődése aktiválja 5) Ezenkívül, bizonyos körülmények között Ca 2+ léphet be a sejtbe a Na-Ca 2+ exchanger (NCX) reverz irányú transzportaktivitása következtében.

34 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.

35 Receptor-aktivált Ca 2+ szignálút

36 STIM + ORAI: a SOCE két fő komponensének aktivációja

37 STIM1 + Orai1 kapcsolódás-modellek a store-operated Ca 2+ 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 Ca 2+ csatorna aktivitását.

38 A kóros Ca 2+ beáramláshoz köthető myopathiák