Izomműködés élettana Dr. Dux Mária Testtömegünk kb. felét az izomszövet teszi ki. Témák: Vázizom (kb. 400 izom) Felépítés Kontrakció -mechanizmus -energetika -mechanika Simaizom - vázizommal összehasonlítva 1
Szövettani típusai: Simaizom Szívizom Vázizom -harántcsíkolt -idegi impulzus hatására húzódik össze -akaratlagosan működtethető -izomrostok között nincs anatómiai kapcsolat az izom összehúzódik és elernyed a test mozog és szállít -légzés -szív/keringés -tápcsatorna Izom szerkezete izom Izomrost átmérő: 10-100 µm Myofibrillum Izomrost (sejt) Relaxáció A-csík I-csík M-vonal H-csík Kontrakció izom Z-vonal Z-vonal Sarcomer (2 µm) 2
Izomrost szerkezete MYOFIBRILLUMOK TERMINÁLIS CISZTERNA I-csík A-csík T (transzverzális)-tubulus T-tubulus Triád L (longitudinális)-tubulus Sarcoplasmareticulum T tubulus Sarcolemma Eckert: Animal Physiology, Vastag filamentum: MIOZIN Vékony filamentum: AKTIN kontraktilis fehérjék TROPOMIOZIN TROPONIN (Straub F. Brunó 1941) regulátor fehérjék Egyéb fehérjék: pl. α-aktinin Titin szerkezetet biztosító fehérjék relaxáció kontrakció 3
Dystrophin mutációja: Duchenne-izomdisztrófia (X-kromoszómához kötött recesszív öröklődésű betegség) Miozin (2 nehéz és 4 könnyű lánc): ATP-t köt és bont Fej és test közötti illeszkedés flexibilis Aktin-kötő hellyel rendelkezik Miozin Filamentumok szerkezete G-aktin Az aktin monomerek kötőhelyekkel rendelkeznek: - további aktin monomerek, - miozin, - tropomiozin, - troponin számára könnyű láncok nehéz lánc F-aktin Tropomiozin Troponin vastag filamentum vékony filamentum vastag filamentum vékony filamentum 4
A vékony filamentum szerkezete Aktin Troponin Tropomiozin TnI TnC TnT Troponin alegységek TnI: inhibitoros TnC: Ca 2+ kötő TnT: Tropomiozin kötés Tropomiozin Aktin Ca 2+ kötőhely Troponin alegységek TnI, TnC, TnT (a) Aktin lánc miozin-kötőhelyei blokkolva; izom nem tud összehúzódni Miozin kötőhelyek (b) Aktin lánc miozin-kötőhelyei szabadon; izom össze tud húzódni 5
Csúszófilamentum-mechanizmus sarcomer hosszúsága (µm) A-csík szélessége (µm) Huxley A.F., Niedergerke R.: Structural changes in muscle during contraction. Interference microscopy of living muscle fibres. Nature, 173, 971-973. (22 May 1954) Huxley H.E., Hanson J.:Changes in the cross-striations of muscle during contraction and stretch and their structural interpretation. Nature, 173, 973-976. (22 May 1954) Motoros egység gerincvelő 1. motoros egység 2. motoros egység Dying Lioness, ca. 650 B.C. Palace of Ashurbanipal at Ninevah motoneuron sejttest motoneuron axon izom izomrostok 6
Elektromiográfia Az izom kontrakciója közben az izomrostokban létrejövő elektromos aktivitás vizsgálata felszíni vagy tűelektródák segítségével. nyugalom gyenge kontrakció közepes erősségű kontrakció maximális kontrakció myelin Neuromuscularis synapsis motoneuron axonja Schwann-sejt preszinaptikus végződések motoros véglemez izomrost aktív zóna izomrost posztszinaptikus membrán redők 7
Neuromuscularis synapsis Motoros ideg axonja myelinhüvely Akciós potenciál Acetil-kolin (ACh) tartalmú vesiculák Feszültségfüggő Na + csatorna axon terminális Feszültségfüggő Ca 2+ csatorna akciós potenciál terjedése az izomroston Sarcolemma nikotinos ACh receptor Acetil-kolin-észteráz Ligandfüggő csatorna Motoros véglemez Izomrost véglemez-potenciál Miniatűr véglemez potenciál 1 kvantum spontán felszabadulása 1 szinaptikus vezikula tartalma kb. 10 000 Ach molekula 1-2 mv potenciálváltozás (nincs élettani hatása) Véglemez potenciál AP az axonvégződésen kb. 60 kvantum felszabadulása kb. 50 mv potenciálváltozás (AP az izommembránon) A neuromuszkuláris szinapszisban az információ áttevődés aránya 1:1 8
Neuromuszkuláris szinapszis működésének gátlása Acetat Acetil-kolin felszabadulásának gátlása Botulinus toxin Ach kötődésének gátlása a nikotinos ACh-receptorhoz Kurare, d-tubokurarin (dem depolarizál) nem nyitja a receptor ioncsatornáját, de megakadályozza az ACh kötődését Szukcinil-kolin (depolarizál) a depolarizáció inaktiválja a feszültség függő Na + - csatornákat ACh-receptor ellenes autoantitestek (receptorok számának csökkenése) Myastenia gravis kolinészteráz gátló kezeléssel javítható az állapot Acetil-kolin észteráz gátlása reverzibilis: neostigmin irreverzibilis : peszticidek, harci gázok Elektromechanikai kapcsolás akciós potenciál T-tubulus sarcolemma sarcoplazmás retikulum Dihidropiridin Receptor (DHPR) Rianodin Receptor (RyR) A depolarizáció Ca 2+ csatornákat nyit meg sarcoplasma terminális ciszterna terminális ciszterna T-tubulus akciós potenciál sarcoplasma Ca 2+ 10-3 M Ca 2+ <10-7 M Miozin Aktin Kalszekvesztrin: 44-67 kda tömegű fehérje 1 molekula 40-45 Ca 2+ -ot köt 9
Kontrakció molekuláris mechanizmusa Mg 2+ -függő ATP-áz ATP hidrolízise gyenge aktin-miozin kölcsönhatás Z-vonal disszociáció Ca 2+ erőgenerálás erőgenerálás erős aktin-miozin kölcsönhatás Miozin Aktin Miozin fej kereszthíd Aktin gyenge affinitású kötőhely nagy affinitású kötőhely 10
Elektromechanikai kapcsolás akciós potenciál T-tubulus sarcolemma sarcoplazmás retikulum Dihidropiridin Receptor (DHPR) Rianodin Receptor (RyR) A depolarizáció Ca 2+ csatornákat nyit meg sarcoplasma terminális ciszterna terminális ciszterna T-tubulus akciós potenciál sarcoplasma Ca 2+ 10-3 M Ca 2+ <10-7 M Miozin Aktin SERCA: Sarcoplasma-endoplasma reticulum ATP-ase Kontrakció molekuláris mechanizmusa ATP hidrolízise gyenge aktin-miozin kölcsönhatás Z-vonal Ca 2+ disszociáció erőgenerálás erőgenerálás erős aktin-miozin kölcsönhatás 11
ATP Ca 2+ Mg 2+ 5 ciklus /sec 12
Izmműködés energiaforrása ATP Kreatinfoszfát Kreatinfoszfát + ADP Kreatin + ATP Szénhidrát és lipid felhasználás szabad zsírsavak, glukóz, glikogén -anaerob (glikolízis, glikogenolízis, tejsav képződés) -aerob (oxidatív foszforiláció a mitokondriumokban, vérellátás szerepe, myoglobin - oxigén kötés) Myoglobin: oxigénkötő fehérje egy hemcsoportot és egy vasiont tartalmaz. Izomkontrakció energiaforrása Anaerob glikolízis ATP Kreatinfoszfát Aerob glikolízis Kreatinfoszfát idő (s) 13
Izomrostok típusai I. típus II. típus II. a II. b Lassú oxidatív Gyors oxidatív/glikolitikus Gyors glikolitikus Kontrakció sebessége Fáradás gyorsasága Mitokondriumok száma Kapillárisok száma Mioglobin tartalom Miozin ATPáz aktivitása Izomrost átmérője Lassú Lassú Sok Sok Jelentős Lassú Kicsi Gyors Közepes Sok Sok Jelentős Gyors közepes Gyors Gyors Kevés Kevés Alacsony Gyors Nagy maratoni futó rövidtáv futó Izomrostok típusai Michael Phelps minden idők legsikeresebb olimpiai sportolója Hosszú Katinka gyors miozin izoformák szerepe A sportteljestményt kb. 200 gén bizonyítottan befolyásolja. Ezek érintik az izom vérellátását, az izom szerkezetét, oxigén szállítást, tejsav lebontást, energiatermelést. 14
Izom fáradása ATP szint csökkenése Intracelluláris ph savas irányba tolódik (tejsav) Neuromuszkuláris junkció fáradása + pszichés tényezők Glykolízis lassul Ca 2+ kisebb affinitással kötődik Nociceptor aktiváció Izomműködés hatásfoka maximum 40-50% Hőtermelés: Hőszabályozás reszketés/akaratlagos izomösszehúzódás Rigor mortis (hullamerevség) nincs ATP! Kontraktúra izomösszehúzódás akciós potenciál nélkül Izomláz Androgén hormonok, növekedési hormon anabolikus hatás (dopping) 15
Elektromos és mechanikai változások az izomrost kontrakciója során (mv) Izomrost akciós potenciál Izomrost rövidülés Latencia Idő (ms) Az akciós potenciál, Ca 2+ szignál és izomkontrakció időbeli viszonyai Stimulus előtt Akciós potenciál sarcomer Kontrakció 5 ms a stimulust követően 20 ms a stimulust követően 16
Izomrost kontrakcióinak összeadódása Komplett tetanusz Izomrángás Inkomplett tetanusz Idő (ms) Egyetlen motoros egység a minden vagy semmi törvénynek megfelelően húzódik össze. Izomkontrakció erejének fokozása: 1) egyes izomrostok kontrakciójának mértéke növelhető (AP frekvencia növelése révén) A legerősebb akaratlagosan kifejthető izomkontrakció is csak inkomplett tetanuszos összehúzódást okoz. 2) a válaszban részt vevő motoros egységek számának növelése (recruitment besorozás) motoros egységek - méret elv 17
Izomkontrakció típusai Izom Feszülés-érzékelő Rövidülés Izomfeszülés izom Idő izom Idő IZOTÓNIÁS KONTRAKCIÓ (izom rövidül, feszülése nem változik) IZOMETRIÁS KONTRAKCIÓ (izom hossza nem változik, feszülése nő) AUXOTÓNIÁS KONTRAKCIÓ (feszülés nő, izomhossz csökken) Előterhelés Utóterhelés Izomhossz feszülés összefüggése Izotóniás kontrakció Izotóniás kontrakció maximuma Izometriás kontrakció Izometriás Kontrakció maximuma erő erő passzív feszülés görbéje Izomhossz Izomhossz Passzív feszülés: titin feszülése Aktív feszülés: rögzített filamentum pozíció mellett a kereszthíd ciklusok a miozinfej elasztikus deformációját okozzák feszülés Izom nyugalmi hossza aktív feszülés teljes feszülés Passzív feszülés hossz 18
A vázizomrost hossza és aktív izometriás feszülése közötti összefüggés Sarkomer hossz (µm) max. kifejthető erő %-a Sarkomer hossz (µm) Maximális erőkifejtés nyugalmi sarkomer-hossz mellett várható. Maximálisan a kiindulási hossz 60 %-ára tud rövidülni az izom. Izom feszülése és a kontrakció sebessége közötti összefüggés Izotóniás kontrakció sebesség megnyúlás rövidülés Izometriás kontrakció erő ill. terhelés 19
Simaizom Relaxált Aktin filamentum Miozin filamentum Kontrahált minisarcomer α-aktinin Membrán felszíni betüremkedései VAN Calmodulin (Ca 2+ -kötő citoplazma fehérje) Miozin (egyik könnyű lánca regulátor funkciójú) Aktin + Tropomiozin, Caldesmon, Calponin NINCS Troponin Maximális rövidülés: eredeti hossz 30%-ára (vázizomban 60%-ára) 20
Simaizom kontrakciója A kontrakció létrejöttét döntően a miozin állapota határozza meg MLCK: Miozin könnyű lánc kináz (Myosin light chain kinase) erős aktin-miozin kölcsönhatás gyenge aktin-miozin kölcsönhatás Kereszthidak képződése Kereszthíd képződés gátolt MLCP: Miozin könnyű lánc foszfatáz (Myosin light chain phosphatase) Ca 2+ szignál Akciós potenciál Feszültség-függő Ca 2+ -csatorna Ligand-függő Ca 2+ -csatorna Elektromechanikai kapcsolás Aktiváció Farmakomechanikai kapcsolás Relaxáció Simaizom antiport katecholaminok sarcoplasmareticulum katecholaminok α1-receptor β2-receptor + Mechanomechanikai kapcsolás sarcolemma mechanoszenzitív Ca 2+ csatornáinak nyitása Ca 2+ -indukálta Ca 2+ felszabadulás RyR: Rianodin Receptor 21
Simaizom Ca 2+ -érzékenységének szabályozása Ca 2+ -deszenzitizáció Miozin könnyű lánc foszforilációja tónus Ca 2+ -szenzitizáció Miozin könnyű lánc foszforilációja tónus Szerotonin Angiotenzin II Endothelin-1 NO nitrogén monoxid Erő (%) Ca 2+ - szenzitizáció MLCK Miozin könnyű lánc kináz (Myosin light chain kinase) Ca 2+ -deszenzitizáció MLCP Miozin könnyű lánc foszfatáz (Myosin light chain phosphatase) Ca 2+ -koncentráció (mol/l) Simaizom típusok izomréteg endothel Artéria TÖBBEGYSÉGES SIMAIZOM belső szemizmok pilomotor izmok EGYEGYSÉGES (VISZCERÁLIS) SIMAIZOM erek, légutak, tápcsatorna, méh gap junction funkcionális szincícium átmeneti típusok! 22
Simaizom kontrakció sajátosságai A kereszthíd kialakulását követően az ADP disszociációja lassú folyamat. Azonos izom keresztmetszetet figyelembe véve a simaizom ATP felhasználása mindössze 1/100-1/500 része a vázizom kontrakció ATP igényének. Lassú, DE tartós és gazdaságos kontrakció! Reteszelés Egyegységes (viszcerális) simaizom Funkcionális szincícium - gap junction pacemaker sejtek Miogén tónus - izom nyújtása fokozza az aktivitást - vegetatív idegrendszer transzmitterei módosítják az aktivitást membránpotenciál kontrakció Többegységes simaizom Spontán aktivitást nem mutató simaizom Alig néhány izomsejt kapcsolódik egymáshoz funkcionálisan Vegetatív idegrendszer innerválja (serkentő ÉS gátló neurotranszmitterek felszabadulása), tónusa alapvetően neurogén tónus Nyújtás csak átmeneti ellenállásfokozódást vált ki, ami az izom viszko-elasztikus tulajdonságának köszönhetően gyorsan megszűnik (üreges szervek húgyhólyag, epehólyag telődése nyomásnövekedés nélkül) "stressz relaxáció" 23