ÁTTEKINTÉS AZ IZOM 9. A HARÁNTCSÍKOLT IZOM SZERKEZETE ÉS MECHANIKÁJA 10. AZ IZOMMŰKÖDÉS ÉS SZABÁLYOZÁS MOLEKULÁRIS ALAPJAI TÍPUSAI: SZERKEZET és FUNKCIÓ MŰKÖDÉSÉNEK MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSAI MECHANIKAI SAJÁTSÁGAI Biofizika I. -2013. 10. 01 02. Dr. Bugyi Beáta PTE ÁOK Biofizikai Intézet AZ IZOM makroszkópikus mozgás létrehozására specializálódott szövet filamentális fehérje rendszerek összeszerveződése mechanokémiairendszer: kémiai energiát mechanikai munkává alakít AZ IZOM TÍPUSAI elhelyezkedése összehúzódás szabályozása sejt alak, megjelenés VÁZIZOM csontokhoz, bőrhöz kapcsolódik akaratlagos HARÁNTCSÍKOLT IZOM szív SZÍVIZOM (17. előadás) nem akaratlagos (belső szabályozás) SIMAIZOM v zsigerek, belső szem,légút, nagy artériák nem akaratlagos harántcsíkolat harántcsíkolat nincs harántcsíkolat hosszúkás, hengerszerű multinukleáris elágazó mono-, binukleáris sejt Ca 2+ forrás szarkoplazmikusretikulum szarkoplazmikusretikulum extracelluláris folyadék orsó mononukleáris sejt Ca 2+ szabályozás troponin troponin calmodulin szarkoplazmikus retikulum extracelluláris folyadék AZ IZOM SZERKEZETE HARÁNTCSÍKOLT IZOM IZOM szerv IZOMKÖTEG AZ IZOM SZERKEZETE SZARKOMER SZARKOMER: AZ IZOM LEGKISEBB FUNKCIONÁLIS(kontraktilis) EGYSÉGE SZARKOMER: Z-Z Z lemez H zóna Z lemez I szakasz izotróp/világos A szakasz anizotróp/sötét M vonal IZOMROST sejt vékony filamentum titin vastag filamentum MIOFIBRILLUM organellum http://bursaclab.bme.duke.edu/gallery.php?id=19 A szakasz: sötét I szakasz: világos L(szarkomer) ~ 2.2 µm 1
AZ IZOM SZERKEZETE MIOFILAMENTUM MIOFILAMENTUMOK makromolekuláris fehérjekomplex vastag filamentum vékony filamentum MYOSIN II, EGY MOTOR FEHÉRJE (vastag filamentum) MIOZIN II(8. előadás: motor fehérjék) kereszthíd fej nyak farok FEJ aktin-kötő régió NYAK emelőkar nukleotid-kötő régió VASTAG FILAMENTUM miozinii VÉKONY FILAMENTUM szabályozó fehérjék: tropomiozin, troponin, tropomodulin miozin II filamentum VASTAG FILAMENTUM Geevesand Holmes AdvancesinProtein Chemistry2005. FAROK A miozin IIfeji és nyaki régiójának 3D szerkezete (25. előadás: röntgendiffrakció) A VÉKONY FILAMENTUM: AKTIN, A MIOZIN II PÁLYÁJA AKTIN (7.előadás) IZOM SZERKEZET FUNKCIÓ MONOMER 1 fordulat: 37 nm FILAMENTUM MECHANOKÉMIAI ALKOTÓELEMEK (aktin, miozin)? SZERKEZET? FUNKCIÓ erőkifejtés, mozgás Az aktin monomer 3D szerkezete és az aktin filamentum szerkezetének 3D modellje. Értsük meg a szerkezet-funkció kapcsolatát! Hild, Bugyi et al. Cytoskeleton2010 9. A HARÁNTCSÍKOLTIZOMSZERKEZETEÉSMECHANIKÁJA IZOM SZERKEZET - FUNKCIÓ A VÉKONY FILAMENTUM Z CSÍK, M VONAL Mi másra van még szükségünk? horgony: Z csík, M vonal szabályozás: tropomiozin, troponin vékony filamentum vastag filamentum Z csík M vonal Z csík 9. A HARÁNTCSÍKOLTIZOMSZERKEZETEÉSMECHANIKÁJA 2
A VÉKONY FILAMENTUM -SZABÁLYOZÓ ELEMEK TROPONIN KOMPLEX TROPOMIOZIN TROPOMIOZIN alfa helikális coiled-coil dimer filamentum-kötő fehérje (N-C terminális kapcsolat tropomiozin polimer) 1 tropomiozin dimer 7 aktin alegységgel van kölcsönhatásban PDB: 2TMA C N AKTIN TROPOMIOZIN Greenfieldet al. JMB 2006. A tropomiozin 3D szerkezete és az aktin-tropomiozin komplex szerkezetének 3D modellje. TROPONIN KOMPLEX TROPONIN KOMPLEX három alegység: TROPONIN T 37 kda tropomiozint és a többi troponin alegységet köti stabilizálja a komplexet TROPONIN I 22 kda gátolja a miozin II aktin kötést TROPONIN C 18 kda Ca 2+ -otköt PDB: 1TCF A troponin C 3D szerkezete kötött Ca2+-mal. AZ IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSA stimulus [Ca 2+ ] citoplazma atroponin CCa 2+ -otköt a troponin- tropomiozin elmozdul az aktin filamentumon: a miozin II az aktin filamentumhoz kötődik TÉRBELI KIZÁRÁSOS MODELL: Ca 2+ szerepe TÉRBELI KIZÁRÁSOS MODELL: ATP szerepe A: aktin, M: miozinii A:M ADP-Pi miozin II aktin kereszthíd: kapcsolt kapcsolás MUNKACSAPÁS erőkifejtés Pi disszociáció ADP disszociáció KERESZTHÍD CIKLUS RIGOR rigor mortis A:M miozin II aktin kereszthíd: kapcsolt ATP kötés szétkapcsolás M ADP-Pi miozin II aktin kereszthíd: kikapcsolt VISSZACSAPÁS ATP hidrolízis M ATP miozin II aktin kereszthíd: kikapcsolt 3
AKTO-MIOZIN KERESZTHÍD CIKLUS AKTO-MIOZIN KOMPLEX egy során kifejtett erő: í ~2 pn 2 10 N a kereszthidak száma: N összes erő : ö í A kereszthidak száma függ: a vékony és vastag filamentumok közötti átfedés mértékétől a miozin IIATPázaktivitásától: á idő: 1/ á 1: RIGOR állapot (kötött nukleotid nélkül) 2: szétkapcsolás (ATP kötés) 3: visszacsapás (ATP ADP+Pi) 4: kapcsolás (ADP, Pi disszociáció), munkacsapás, erőkifejtés 5: RIGOR állapot (kötött nukleotid nélkül) http://www.esrf.eu/usersandscience/publications/highlights/2003/mx/mx03 AZ IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSA CSÚSZÓFILAMENTUM MODELL A.F. Huxley (1954), H.E. Huxley (1954) http://www.sci.sdsu.edu/movies/actin_myosin_gif.html Z-Z: szarkomer: rövidül I szakasz: rövidül A szakasz: nem változik H szakasz: rövidül IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS AKCIÓS POTENCIÁL STIMULUS RECEPTOR POTENCIÁL - AKCIÓS POTENCIÁL: a nyugalmi membrán potenciál időleges változása, amit annak visszaállásakövet.(3 4 előadás) VÁZIZOM Ca 2+ csatornák nyílása SZÍVIZOM IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS -VÁZIZOM egyszeri ingerlés STIMULUS KONTRAKCIÓS VÁLASZ MINTÁZAT RÁNGÁS & relaxáció gyors lassú páros ingerlés ÖSSZEGZŐDÉS S1: részleges összehúzódás az S2 stimulus érkezésekor: S1+S2 akciós potenciál ~ ms akciós potenciál ~ 250 ms többszöri ingerlés alacsony frekvencia LÉPCSŐZETES ÖSSZEGZŐDÉS INKOMPLETT TETANUSZ többszöri ingerlés magas frekvencia KOMPLETT TETANUSZ összefüggő, relaxáció nélkül (patológiás eset, görcs, Clostridium tetani) 4
IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS: IZOTÓNIÁS, IZOMETRIÁS IZOTÓNIÁS izom hossza változik állandó sebesség SZINERGIA A HAJLÍTÓ-, ÉS NYÚJTÓIZMOK KÖZÖTT FLEXORS(hajlítóizom) & EXTENSOR(nyújtóizom) triceps (nyújtó) biceps (hajlító) quadriceps femoris négyfejű combizom (nyújtó) triceps biceps gastrocnemius kétfejű lábikraizom (hajlító) IZOMETRIÁS az izom hossza állandó sebesség: 0 kar nyújtás kar hajlítás quadriceps femoris relaxáció gastrocnemius quadriceps femoris lábhajlítás láb nyújtás AZ IZOM MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI EMELŐ W: teher P: erőkifejtés F: forgáspont 1. típusú emelő libikóka mechanikailag kedvezőtlen vagy kedvező fej hátrabillentése alkar-könyök izület-triceps 2. típusú emelő talicska mechanikailag kedvező lábujjhegyre állás 3. típusú emelő lapát mechanikailag kedvezőtlen legtöbb izom alkar-könyök izület-biceps állkapocs-állkapocsizület AZ IZOM MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI 3. típusú emelő alkar + könyökizület + bicepsz * F erőkar - izom erőkar - teher 35 10 10 5 700N ERŐ SEBESSÉG, TELJESÍTMÉNY SEBESSÉG DIAGRAMM Fv F: kifejtett erő (%) IZOMETRIÁS W = 0 J P: teljesítmény (%) F max P max 100 % 100 % TERHELETLEN IZOTÓNIÁS W = 0 J ERŐ SZARKOMERHOSSZ DIAGRAMM maximum erő (%) szarkomer hossz (µm) 0 % 0 % 30 N/ 30% v max v: az összehúzódás sebessége (%) v max (17. előadás Frank Starling törvény) 5
AZ IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS ENERGETIKÁJA ENERGIA FORRÁS Δ 30.5 / 1 ATP/akto-miozin II A SIMAIZOM ÖSSZEHÚZÓDÁSA stimulus [Ca 2+ ] citoplazma l calmodulin Ca 2+ -otköt(cacm) HATÁSFOK é hatásfok miozin tropomiozin caldesmon calmodulin Ca 2+ ATP CaCM miozin könnyű lánc kinázt köt(mlck) MLCKfoszforilálja a miozint (foszfomiozin) foszfo miozin az aktin filamentumhoz kötődik CaCM caldesmont köt a tropomiozin elmozdul az aktin filamentumon: A SIMAIZOM ÖSSZEHÚZÓDÁSA VÁZ & SIMAIZOM ÖSSZEHÚZÓDÁS SZABÁLYOZÁSA miozinii stimulus tropomiozin [Ca 2+ ] citoplazma Ca 2+ ATP miozinii tropomiozin caldesmon calmodulin Ca 2+ ATP atroponin Ca 2+ -otköt l calmodulin Ca 2+ -otköt(cacm) a troponin-tropomiozin elmozdul az aktin filamentumon: a miozin II az aktin filamentumhoz kötődik CaCM miozin könnyű lánc kinázt köt(mlck) MLCKfoszforilálja a miozint (foszfomiozin) CaCM caldesmont köt a tropomiozin elmozdul az aktin filamentumon: foszfo miozin az aktin filamentumhoz kötődik kontrackió kontrackió IZOM ÉS BETEGSÉGEK VÉKONY FILAMENTUM MIOPÁTIA: = myo izom" + pathos szenvedés" IZOM ÉS BETEGSÉGEK VASTAG FILAMENTUM dilatált kardiomiopátia hipertrófiás kardiomiopátia Moore J R et al. Circulation Research 2012;111:375-385 6