BIOMECHANIKA 3 Erőhatások eredete és következményei biológiai rendszerekben A MOZGÁS MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSAI SZERVEZET SZINTŰ MOZGÁS AZ IZOMMŰKÖDÉS MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSAI DR. BUGYI BEÁTA- BIOFIZIKA ELŐADÁS PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM ÁLTALÁNOS ORVOSTUDOMÁNYI KAR - BIOFIZIKAI INTÉZET Izomműködés KONTRAKTILIS SZÖVETBŐL FELÉPÜLŐ SZERV, AMELY A MAKROSZKÓPIKUS MOZGÁS LÉTREHOZÁSÁRA SPECIALIZÁLÓDOTT FEHÉRJÉK, FEHÉRJERENDSZEREK ALKOTTA NANOSZKÓPIKUS MECHANOKÉMIAI GÉPEZET (kémiai energia mechanikai munka) 1
Izomtípusok VÁZIZOM elhelyezkedés csontokhoz, bőrhöz kapcsolódik, 45 % összehúzódás szabályozása sejt alak, megjelenés Ca 2+ forrás Ca 2+ szabályozás akaratlagos HARÁNTCSÍKOLT IZOM szív SZÍVIZOM (lásd:vérkeringés, a szív munkája) nem akaratlagos (belső szabályozás) v SIMAIZOM zsigerek, belső szem, légút, nagy artériák nem akaratlagos harántcsíkolat harántcsíkolat nincs harántcsíkolat hosszúkás, hengerszerű multinukleáris elágazó mono-, binukleáris sejt szarkoplazmikusretikulum szarkoplazmikusretikulum extracelluláris folyadék orsó mononukleáris sejt troponin troponin calmodulin szarkoplazmikus retikulum extracelluláris folyadék Harántcsíkolt izom IZOM IZOMKÖTEG v IZOMROST sejt sejtmag Z vonal MIOFIBRILLUM organellum http://bursaclab.bme.duke.edu/gallery.php?id=19 sötét (A) világos (I) szakasz harántcsíkolat 2
sötét (A) világos (I) szakasz v sejtmag Z vonal Szarkomer A HARÁNTCSÍKOLT IZOM LEGKISEBB FUNKCIONÁLIS (KONTRAKTILIS) EGYSÉGE Z ZSZAKASZ Z lemez Z lemez I szakasz izotróp/világos A szakasz anizotróp/sötét vékony filamentum titin vastag filamentum I vonal H zóna M vonal A vonal L~ 2.2 mm 3
Szarkomer VASTAG FILAMENTUM miozin II VÉKONY FILAMENTUM aktin szabályozó fehérjék tropomiozin, troponin, tropomodulin Miofilamentumok transzmissziós elektron mikroszkópiával (TEM) készített felvétele. Vastag filamentum miozin II, a motor MIOZIN II A miozin II feji és nyaki régiójának térszerkezete. fej nyak farok FEJ NYAK aktin-kötő zseb emelőkar VASTAG FILAMENTUM nukleotidkötő régió Geevesand Holmes Advancesin Protein Chemistry 2005. energia forrás: ATP ATPáz aktivitás (bazális) kémiai energia szerkezeti változás erőkifejtés, mechanikai munka FAROK 4
Vékony filamentum aktin, a pálya 90o ATP Ca 2+ S4 S2 S3 S1 összeszerelődés AKTIN MONOMER Globuláris-AKTIN polimerizáció AKTIN FILAMENTUM Filamentális-AKTIN Forrás: Dr. Bugyi Beáta Hungarians in Muscle Research 2018 Kontraktilis viselkedés (erőkifejtés) = Aktin + miozin + ATP 1942. Szent-Györgyi Albert: akto-miozin kontraktilitás, glicerinezett izomrost preparálás Szent-Györgyi Albert The contraction of actomyosin threads. Studies 1942 + ATP muscle contraction was essentially an interaction of actomyosin and ATP To see them contract for the first time, and to have reproduced in vitro one of the oldest signs of life, motion, was perhaps the most thrilling moment of my life. Szent-Györgyi Albert Lost in the 20th century. Annual Reviews in Biochemistry 1963 1951 Szent-Györgyi Albert Orvosi és Élettani Nobel díj jelölése: muscularcontraction and the role of myosin, actin and adenosine-triphosphate 4. Laki Kálmán: tropomiozin, mint F-aktin kötő fehérje Laki Kálmán és mtsai Evidence for the Interaction between Tropomyosin and Actin. Archives of Biochemistry and Biophysics 1962 5
Kereszthíd ciklus motor a pályán M: mioziniia: aktin kapcsolás MUNKACSAPÁS erőkifejtés RIGOR rigor mortis szétkapcsolás M:ADP-Pi kereszthíd: kikapcsolt A M:ADP-Pi kereszthíd: kapcsolt (gyenge) A M:ADP kereszthíd: kapcsolt (erős) A M kereszthíd: kapcsolt (erős) M:ATP kereszthíd: kikapcsolt Pi disszociáció ADP disszociáció ATP kötés ATP hidrolízis A Pi disszociációja jár a legnagyobb negatív szabadenergia változással. Energia (ATP kötése, hidrolízise, miozinfej konformációs változása) erőkifejtés, munkavégzés Az akto-miozin in vitro motilitása 6
Kereszthíd ciklus, erőkifejtés egy kereszthíd ciklus során a miozin II fej elmozdulása: í ~10 nn=10 10 egy kereszthíd ciklus során kifejtett erő: í ~2 pn=2 10 a kereszthidak száma: N 1 vastag filamentum ~ 200 miozin ~2 200 pn=400 pn 1 miofibrillum~ 10 10 szarkomer 1 izomrost ~ 2000 miofibrillum 1 izom ~10 10 izomrost ~ 2 pn 200 10 2000 10 =8000 ~ 800 ÖSSZES ERŐ: ö = í az akto-miozin kereszthidak száma függ: a vékony és vastag filamentumok közötti átfedés mértékétől Frank-Starlingtörvény a miozin II ATPázaktivitásától: á Erőátviteli elemek Az akto-miozin filamentum rendszer egy MECHANOKÉMIAI GÉPEZET, amely KÉMIAI ENERGIÁt MECHANIKAI MUNKÁvá(erőkifejtés, elmozdulás) alakít.! ERŐÁTVITEL NÉLKÜLI! NEM SZABÁLYOZOTT GÉPEZET?MIMÁSRAVANSZÜKSÉG CSÚSZÓFILAMENTUM MODELL erőátviteli elemek: Z és M vonal / ínak TÉRBELI KIZÁRÁSOS MODELL Ca 2+ érzékeny troponin tropomiozin rendszer 7
Erőátviteli elemek Z VONAL M VONAL Z VONAL Csúszófilamentum modell Andrew.F. Huxley (1954), Hugh. E. Huxley (1954) Z-Z: szarkomer: rövidül I szakasz: rövidül A szakasz: nem változik H szakasz: rövidül 8
Szabályozó elemek - TROPONIN KOMPLEX TROPONIN T 37 kda Tropomiozint és a többi troponinalegységet köti stabilizálja a komplexet TROPONIN I 22 kda gátolja (Inhibíció) a miozinii aktin kötést TROPONIN C 18 kda Ca 2+ -otköt PDB: 1TCF A troponin C térszerkezete kötött Ca2+-mal. Szabályozó elemek - TROPOMIOZIN TROPOMIOZIN alfa helikáliscoiled-coildimer aktin filamentum-kötőfehérje (N-C terminális kapcsolat tropomiozin polimer) 1 tropomiozin dimer7 aktin alegységgel van kölcsönhatásban PDB: 2TMA C N A tropomiozin térszerkezete és az aktin-tropomiozin komplex szerkezetének 3D modellje. 9
Térbeli kizárásos modell 10
A VÁZIZOM ÖSSZEHÚZÓDÁSÁNAK MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSA MOLEKULÁK miozin II aktin tropomiozin troponin Ca 2+ ATP 1. stimulus 2. [Ca 2+ ] citoplazma 3. troponincca 2+ -otköt 4. troponin-tropomiozinelmozdul az aktin filamentumon: szabad miozin II kötő hely 5. miozinii az aktin filamentumhoz kötődik 6. kereszthíd ciklus ATPáz aktivitás 7. kontrakció 11