Vázizom elektrofiziológia alapjai. Tóth András, PhD

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

MEDICINÁLIS ALAPISMERETEK BIOKÉMIA AZ IZOMMŰKÖDÉS 1. kulcsszó cím: A SZERVEZETBEN ELŐFORDULÓ IZOM- SZÖVETEK TÍPUSAI 1. képernyő cím: Sima izomszövet

A harántcsíkolt izom struktúrája általános felépítés

Izomműködés. Az izommozgás. az állati élet legszembetűnőbb külső jele a mozgás amőboid, ostoros ill. csillós és izomösszehúzódással

Energia források a vázizomban

Izomélettan. Vázizom

A szív élettana. Aszív élettana I. A szív pumpafunkciója A szívciklus A szívizom sajátosságai A szív elektrofiziológiája Az EKG

Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetése az Európai Unió új társadalmi kihívásainak a Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni Egyetemen

Excitáció-kontrakció csatolása szívizomsejtekben

S-2. Jelátviteli mechanizmusok

Az izomszövet biokémiája. Izombetegségek. Szerkesztette: Fekete Veronika

IONCSATORNÁK. Osztályozás töltéshordozók szerint: pozitív töltésű ion: Na+, K+, Ca2+ negatív töltésű ion: Cl-, HCO3-

A miokardium intracelluláris kalcium homeosztázisa: iszkémiás és kardiomiopátiás változások

Kollár Veronika

Az izommőködéssel járó élettani jelenségek

Biofizika I

Egy idegsejt működése. a. Nyugalmi potenciál b. Transzport proteinek c. Akciós potenciál

a. Nyugalmi potenciál b. Transzport proteinek c. Akciós potenciál. Nyugalmi potenciál. 3 tényező határozza meg:

Szignalizáció - jelátvitel

Intracelluláris ion homeosztázis I.-II. Február 15, 2011

Ca 2+ Transients in Astrocyte Fine Processes Occur Via Ca 2+ Influx in the Adult Mouse Hippocampus

Elektrofiziológiai alapjelenségek 1. Dr. Tóth András

Az akciós potenciál (AP) 2.rész. Szentandrássy Norbert

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

A harántcsíkolt izomrostok típusai:

Biofizika I

4. Egy szarkomer sematikus rajza látható az alanti ábrán. Aktív kontrakció esetén mely távolságok csökkenése lesz észlelhető? (3)

ÖSSZ-TARTALOM. 1. Az alapok - 1. előadás 2. A jelutak komponensei 1. előadás 3. Főbb jelutak 2. előadás 4. Idegi kommunikáció 3.

Vázizom Simaizom. Szentesi Péter

BIOMECHANIKA 3 Erőhatások eredete és következményei biológiai rendszerekben

ÖSSZ-TARTALOM 1. Az alapok - 1. előadás 2. A jelutak komponensei 1. előadás 3. Főbb jelutak 2. előadás

Jelutak ÖSSZ TARTALOM. Jelutak. 1. a sejtkommunikáció alapjai

Érzékszervi receptorok

Gyógyszerészeti neurobiológia Idegélettan 3. A gerincvelő szerepe az izomműködés szabályozásában

A vázrendszer, az izomkontrakció alapjai, az izomsejtek típusai és működésük

Mozgás, mozgásszabályozás

Debreceni Egyetem Orvos- és Egészségtudományi Centrum Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet

Gyógyszerészeti neurobiológia. Idegélettan

Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetése az Európai Unió új társadalmi kihívásainak a Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni Egyetemen

-Két fő korlát: - asztrogliák rendkívüli morfológiája -Ca szignálok értelmezési nehézségei

A sejtmembrán szabályozó szerepe fiziológiás körülmények között és kóros állapotokban

KÉSZÍTETTE: BALOGH VERONIKA ELTE IDEGTUDOMÁNY ÉS HUMÁNBIOLÓGIA SZAKIRÁNY MSC 2015/16 II. FÉLÉV

A szív ingerképző és vezető rendszere

Bodosi Balázs. Az emberi test 40-45%-a izom.

A szívizomsejt ioncsatornái és azok működése

Membránpotenciál, akciós potenciál

Az ember izomrendszere, az izomműködés szabályozása

Az ioncsatorna fehérjék szerkezete, működése és szabályozása. A patch-clamp technika

Transzportfolyamatok a biológiai rendszerekben

Szénhidrátok monoszacharidok formájában szívódnak fel a vékonybélből.

Receptorok, szignáltranszdukció jelátviteli mechanizmusok

Testtömegünk kb. felét az izomszövet teszi ki.

Egy idegsejt működése

A sejtek közöti kommunikáció formái. BsC II. Sejtélettani alapok Dr. Fodor János

Membránpotenciál. Nyugalmi membránpotenciál. Akciós potenciál

A vázrendszer, az izomkontrakció alapjai, az izomsejtek típusai és működésük

A kémiai szinapszis (alapok)

Receptorok és szignalizációs mechanizmusok

NÖVÉNYGENETIKA. Az Agrármérnöki MSc szak tananyagfejlesztése TÁMOP /1/A

A T sejt receptor (TCR) heterodimer

Élettan írásbeli vizsga (PPKE BTK pszichológia BA); 2014/2015 II. félév

Maléth József. Az endoplazmás retikulum - plazma membrán mikrodomének szerepe az intracelluláris Ca 2+ szignalizáció szabályzásában

Jellemzői: általában akaratunktól függően működik, gyors, nagy erőkifejtésre képes, fáradékony.

Immunológia alapjai. 10. előadás. Komplement rendszer

Az idegsejtek kommunikációja. a. Szinaptikus jelátvitel b. Receptorok c. Szignál transzdukció neuronokban d. Neuromoduláció

Elektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András

A somatomotoros rendszer

Izom energetika. Szentesi Péter

A vázizom Ca 2+ -homeosztázisának módosulása egyes regulatórikus fehérjék expressziójának megváltozása esetén

??? eredés. Biceps brachii. Triceps brachii. tapadás. Az emberi test 40-45%-a izom.

Vérkeringés. A szív munkája

1. Mi jellemző a connexin fehérjékre?

9. előadás Sejtek közötti kommunikáció

Bodosi Balázs. Az emberi test 40-45%-a izom.

SZAGLÁS 2

HUMÁN ÉLETTAN I. ELİADÁSOK TEMATIKÁJA GYÓGYSZERÉSZ HALLGATÓKNAK

IONCSATORNÁK. I. Szelektivitás és kapuzás. III. Szabályozás enzimek és alegységek által. IV. Akciós potenciál és szinaptikus átvitel

2. A jelutak komponensei. 1. Egy tipikus jelösvény sémája 2. Ligandok 3. Receptorok 4. Intracelluláris jelfehérjék

(1) A T sejtek aktiválása (2) Az ön reaktív T sejtek toleranciája. α lánc. β lánc. V α. V β. C β. C α.

a. Szinaptikus jelátvitel b. Receptorok c. Szignál transzdukció neuronokban d. Neuromoduláció. Szinaptikus jelátvitel.

A táplálkozás és energiaháztartás neuroendokrin szabályozása 1.

Új terápiás lehetőségek (receptorok) a kardiológiában

Biofizika I

Sejtmozgás és adhézió Molekuláris biológia kurzus 8. hét. Kun Lídia Genetikai, Sejt és Immunbiológiai Intézet

FEJEZETEK AZ ÉLETTAN TANTÁRGYBÓL

A biológiai mozgások. Motorfehérjék. Motorfehérjék közös tulajdonságai 4/22/2015. A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai. Szerkezeti homológia

Keringési Rendszer. Vérkeringés. A szív munkája. Számok a szívről. A szívizom. Kis- és nagyvérkör. Nyomás terület sebesség

ZSÍRSAVAK OXIDÁCIÓJA. FRANZ KNOOP német biokémikus írta le először a mechanizmusát. R C ~S KoA. a, R-COOH + ATP + KoA R C ~S KoA + AMP + PP i

Orvosi élettan. Bevezetés és szabályozáselmélet Tanulási támpontok: 1.

Izomműködés. Harántcsíkolt izom. Simaizom és simaizom-alapú szervek biofizikája.

Jelutak. 2. A jelutak komponensei Egy tipikus jelösvény sémája. 2. Ligandok 3. Receptorok 4. Intracelluláris jelfehérjék

TERMELÉSÉLETTAN. Az Agrármérnöki MSc szak tananyagfejlesztése TÁMOP /1/A projekt

A szelektív NCX gátlás kardioprotektív hatásának vizsgálata szívizomsejteken

Az edzés és energiaforgalom. Rácz Katalin

Érzékelési folyamat szereplői. Az érzékelés biofizikájának alapjai. Receptor felépítése. Az inger jellemzői MILYEN? HOL? MENNYI? MEDDIG?

SZTE Farmakológiai és Farmakoterápiai Intézet Igazgató: Dr. Varró András egyetemi tanár

Elektromiográfia. I. Háttér. II. Mérési elvek. III. Kísérletes célkitűzések

A biológiai mozgások. A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai. Motorfehérjék. Motorfehérjék közös tulajdonságai

Membránszerkezet, Membránpotenciál, Akciós potenciál. Biofizika szeminárium

Speciális működésű sejtek

Átírás:

Vázizom elektrofiziológia alapjai Tóth András, PhD

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

Struktúra

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

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

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.

Kontrakció - relaxáció

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

A kontrakció hossz-feszülés görbéje váz-, és szívizomban

Aktiváció

Excitation-contraction coupling (ECC)

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

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

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

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)

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 200-300 nmol csúcs [Ca 2+ ] i -t hoz létre. A csökkenés oka Ca 2+ diffúzió, illetve Ca 2+ reuptake. Ca 2+ sparkok

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

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

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).

Akciós potenciál

Ca 2+ homeosztázis vázizomban

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!!!

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.

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.

Receptor-aktivált Ca 2+ szignálút

STIM + ORAI: a SOCE két fő komponensének aktivációja

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.

A kóros Ca 2+ beáramláshoz köthető myopathiák