ÁTTEKINTÉS AZ IZOM TÍPUSAI: SZERKEZET és FUNKCIÓ A HARÁNTCSÍKOLT IZOM SZERKEZETE MŰKÖDÉSÉNEK MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSA IZOM MECHANIKA Biofizika I. -2014. 12. 02. 03. Dr. Bugyi Beáta PTE ÁOK Biofizikai Intézet AZ IZOM AZ IZOM TÍPUSAI kontraktilis szövetből felépülő szerv, amely a makroszkópikus mozgás létrehozására specializálódott kémiai energia mechanikai munka elhelyezkedése összehúzódás szabályozása sejt alak, megjelenés Ca 2+ forrás VÁZIZOM csontokhoz, bőrhöz kapcsolódik, 45 % akaratlagos HARÁNTCSÍKOLT IZOM SZÍVIZOM (lásd: vérkeringés, a szív munkája) szív 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 szarkoplazmatikus retikulum szarkoplazmatikus retikulum extracelluláris folyadék orsó mononukleáris sejt Ca 2+ szabályozás troponin troponin calmodulin szarkoplazmatikus retikulum extracelluláris folyadék fehérjék, fehérjerendszerek alkotta nanoszkópikus mechanokémiai gépezet PTE ÁOK Biofizikai Intézet - Bugyi Beáta 1
A HARÁNTCSÍKOLT IZOM SZERKEZETE IZOM szerv IZOMKÖTEG A HARÁNTCSÍKOLT IZOM SZERKEZETE: SZARKOMER SZARKOMER az izom legkisebb funkcionális(kontraktilis) egysége Z Zszakasz Z lemez Z lemez I szakasz izotróp/világos A szakasz anizotróp/sötét IZOMROST sejt sejtmag Z vonal vékony filamentum titin vastag filamentum sötét (A) világos (I) szakasz MIOFIBRILLUM organellum http://bursaclab.bme.duke.edu/gallery.php?id=19 harántcsíkolat I vonal H zóna M vonal A vonal L~ 2.2 µm A HARÁNTCSÍKOLT IZOM SZERKEZETE: MIOFILAMENTUMOK VASTAG FILAMENTUM MIOZIN II: A MOTOR MIOZIN II (lásd: motor fehérjék) kereszthíd fej nyak farok A miozin II feji és nyaki régiójának térszerkezete. (lásd: röntgendiffrakció) FEJ NYAK aktin-kötő zseb emelőkar Miofilamentumok transzmissziós elektron mikroszkópiával (TEM) készített felvétele. (lásd: mikroszkópiai módszerek) VASTAG FILAMENTUM miozinii VÉKONY FILAMENTUM aktin szabályozó fehérjék tropomiozin, troponin, tropomodulin VASTAG FILAMENTUM Geevesand Holmes AdvancesinProtein Chemistry2005. nukleotid-kötő régió energia forrás: ATP ATPáz aktivitás (bazális) kémiai energia szerkezeti változás erőkifejtés, mechanikai munka FAROK PTE ÁOK Biofizikai Intézet - Bugyi Beáta 2
VÉKONY FILAMENTUM AKTIN: A PÁLYA AKTIN MONOMER G-AKTIN polimerizáció AKTIN FILAMENTUM F-AKTIN Banga Ilona Straub F. Brúnó hegyes (-) vég szöges (+) vég 4 ATP-Mg 2+ 2 ~ 5 nm 3 szöges (+) vég 1 Szent-Györgyi Albert munkacsoportja: Szeged, 1933 ACTIN = ACTivatIN INg Hild, Bugyi et al. Cytoskeleton2010 ~ 8 nm hegyes (-) vég kép: Szent-Györgyi Albert munkacsoportja Szegeden 1933-ban. 1 Szent-Györgyi Albert; 2 Straub F. Brunó; 3 Laki Kálmán; 4 Banga Ilona (Szent-GyörgyiAndrásszívességéből) MOTOR A PÁLYÁN: AKTO-MIOZIN KERESZTHÍD CIKLUS AKTIN AKTIVÁLTA ATPáz EZIMATIKUS AKTIVITÁS ERŐKIFEJTÉS CIKLUSA A M:ADP-Pi kereszthíd: kapcsolt kapcsolás MUNKACSAPÁS erőkifejtés ~ 10 nm Pi disszociáció ADP disszociáció KERESZTHÍD CIKLUS RIGOR rigor mortis A M:ADP kereszthíd: kapcsolt ATP kötés szétkapcsolás M:ADP-Pi kereszthíd: kikapcsolt VISSZACSAPÁS ATP hidrolízis M:ATP kereszthíd: kikapcsolt A: aktin, M: miozinii PTE ÁOK Biofizikai Intézet - Bugyi Beáta 3
AKTO-MIOZIN KERESZTHÍD CIKLUS in vitro IZOM SZERKEZET FUNKCIÓ Az akto-miozin filamentum rendszer egy MECHANOKÉMIAI GÉPEZET, amely KÉMIAI ENERGIÁt SZERKEZETI VÁLTOZÁSok révén ERŐKIFEJTÉSsé és MECHANIKAI MUNKÁvá alakít.! erőátvitel nélküli, nem szabályozott gépezet?mimásravanszükség? ERŐÁTVITEL: HORGONY Z és M vonal / ínak SZABÁLYOZÓ ELEMEK: TÉRBELI KIZÁRÁSOS MODELL Ca 2+ érzékeny troponin tropomiozin rendszer ERŐÁTVITEL Z VONAL, M VONAL Z VONAL, M VONAL ERŐÁTVITEL ÍN IZOM ÍN CSONT vékony filamentum Z vonal vastag filamentum M vonal Z vonal M vonal Z vonal PTE ÁOK Biofizikai Intézet - Bugyi Beáta 4
CSÚSZÓFILAMENTUM MODELL Andrew.F. Huxley (1954), Hugh. E. Huxley (1954) SZABÁLYOZÓ ELEMEK TROPOMIOZIN TROPOMIOZIN alfa helikális coiled-coil dimer aktin filamentum-kötő fehérje (N-C terminális kapcsolat tropomiozin polimer) 1 tropomiozin dimer 7 aktin alegységgel van kölcsönhatásban PDB: 2TMA C N Z-Z: szarkomer: rövidül I szakasz: rövidül A szakasz: nem változik H szakasz: rövidül Greenfieldet al. JMB 2006. A tropomiozin térszerkezete és az aktin-tropomiozin komplex szerkezetének 3D modellje. SZABÁLYOZÓ ELEMEK TROPONIN TROPONIN KOMPLEX három alegység: TROPONIN T 37 kda Tropomiozint és a többi troponin alegységet köti stabilizálja a komplexet TROPONIN I 22 kda gátolja (Inhibíció) a miozin II aktin kötést TROPONIN C 18 kda Ca 2+ -otköt TÉRBELI KIZÁRÁSOS MODELL A MIOZIN KÖTŐHELYE TÉRBEN EL VAN ZÁRVA / SZABAD PDB: 1TCF A troponin C térszerkezete kötött Ca2+-mal. PTE ÁOK Biofizikai Intézet - Bugyi Beáta 5
AZ IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSA MOLEKULÁK miozin II aktin tropomiozin troponin Ca 2+ ATP 1. stimulus 2. [Ca 2+ ] citoplazma 3. troponinc Ca 2+ -ot köt 4. troponin-tropomiozin elmozdul az aktin filamentumon: szabad miozin II kötő hely 5. miozinii az aktin filamentumhoz kötődik 6. kereszthíd ciklus ATPáz aktivitás 7. kontrakció PTE ÁOK Biofizikai Intézet - Bugyi Beáta 6