Az izomműködés élettana 1./11 Somogyi Magdolna Az izomszövet kontraktilis szövet Az izomműködés élettana Tipikus működése szerint összehúzódásra és elernyedésre képes Ennek eredményeként mozgatható a test és biztosíthatók a testen belüli szállítási folyamatok az izomműködésnek szerepe van a légzés biztosításában keringés fenntartásában tápcsatorna működtetésében Az izomszövet legalapvetőbb építőegységei myofilamentumok: vastag filamentum miozin alkotja kontraktilis elem 14-15 nm átmérőjű 6 polipeptidláncból épül fel kettő nehéz lánc (220kDa) alfa hélix szerkezetűek egymásba csavarodnak 150nm hosszú rudat alkotnak 2 funkcionális összetevője van 1. kb. 85nm-en kapcs. a többi miozinmolekula analóg részével 2. két globuláris fej Mg2+ függő ATP-áz aktivitás mértékét az aktinnal való kapcsolat fokozza kettesével könnyű láncok kapcsolódnak hozzá kereszthidakat létrehozva négy könnyű lánc (20kDa) hasonlóság Ca2+ kötő fehérjékkel utóbbiakhoz kapcsolódnak a fejek kapcsolatuk sosem kovalens ennél gyengébb, pl. van der Waals erők a fejek szabályos szögben kinyúlnak a törzsből ATP kötő és ATP-áz aktivitással bírnak aktinnal képesek kapcsolatot létesíteni
Az izomműködés élettana 2./11 Somogyi Magdolna vékony filamentum aktin vékony filamentum egyik alkotója kontraktilis elem kb. 7 nm átmérőjű alapvető építőelemei a globuláris aktin (G aktin) molekulák melyek szigorú szabályok szerint rendeződve fibrilláris aktin (F-aktin) láncokat hoznak létre ezek közül két szál egymásra tekeredése alakítja ki az aktin-molekulát felszínéhez regulátorfehérjék kapcsolódnak: tropomiozin regulátor fehérje viszonylag rövid 7 aktin egységet ér át Fonalszerű, együtt csavarodik az aktinnal troponin regulátor fehérje 3 globuláris alegységből áll: troponin I: inhibitoros alegység megakadályozza az aktin kapcsolódását az izom elernyedt állapotában troponin C: Ca2+ kötő aktivitása van 4 kötőhellyel 2 Ca2+ specifikus 2 Ca2+ és Mg2+t is köt ezek a kötőhelyek általában Mg2+-al telítettek troponin T: tropomiozin és a többi troponin-alegység közt alakít ki kapcsolatot szerkezetet biztosító fehérjék: aktinin desmin vimentin titin a myofilamentumokból myofibrillumok épülnek fel azonos festődésű részeik azonos magasságban, regiszterben állnak myofilamentumai hosszanti irányban rendezettek
Az izomműködés élettana 3./11 Somogyi Magdolna Az izomszövet típusai élettani szempontból: simaizomszövet szívizomszövet Harántcsíkolt izomszövet /vázizomszövet akaratlagosan működtethető fáradékony nagy erővel képes összehúzódni rostjai között nincs anatómiai kapcsolat így egy-egy izom csak saját idegén keresztül hozható működésbe működésük pontosan szabályozott a myofibrillumok nagyfokú rendezettsége ad a vázizomrostnak jellegzetes harántcsíkolatot, mely sötétebb és világosabb csíkok váltakozása a csíkok felépítése: A (anizotrop) csík sötétebb fő elemei a párhuzamos, hosszanti sorokba rendezett miozin filamentumok itt fedik át egymást a vastag és vékony filamentumok ez az átfedés fokozódik az izom megrövidülése során a miozinok egy vonalban helyezkednek el egymás alatt H csíkot alkotják az A csík középvonalában (csak miozin!) közepüket haránt kapcsolatok kötik össze így kialakul a sötétebb M csík a H csík középvonalában I (izotróp) csík világosabb elsősorban vékony filamentumok alkotják szabad végük az A csík területére nyúlik be a miozin filamentumok közé az izom kontrakciós állapotától függő mélységben kötött végük a Z korongban horgonyzódik ki mely egy sötétebb csíkot ad az A csík közepén A myofibrilum két Z vonala közé eső 2,2-2,5μm hosszú szakaszt sarcomernek nevezzük
Az izomműködés élettana 4./11 Somogyi Magdolna A sarcomer egységekből izomrostok épülnek fel emberben 10-100μm átmérőjűek, hosszuk 40 cm is lehet kötegeket alkotnak, melyekből végül összeáll a teljes izom a harántcsíkolt izom működési egységei syntitium myoblastok fúziójával jöttek létre nagyon sok sejtmagot tartalmaznak a sejt szélére szorulva plazmamembránjuk a sarcolemma megtaláljuk benne a feszültségfüggő Na+ és késői K+ csatornákat Cl- és Ca2+ csatornákat is szabályos membrán de, ujjszerűen betüremkedik az izomrost belsejébe Transzverzális irányban a T-tubulusok rendszerét alkotja a sejtmembrán aktiválódása után a depolarizációs hullám itt terjed a mélyebb rétegek felé így minden kontrakciós réteg egyszerre kapja meg az összehúzódás jelét módosult endoplazmatikus reticulumrendszerük a sarcoplasmás reticulum myofibrillum elemek felszínén csöveket alkot ezen elemekkel párhuzamosan, longitudinális sacrotubulusokat létrehozva A és I csík határán kiszélesednek, terminális ciszternákat hozva létre izomrost Ca2+ raktárának részei T-tubulus felé néző felszínükön rianodin-függő Ca2+ csatornákat (rianodin-receptorokat) találunk kis koncentrációjú rianodinnal a csatorna nyitva tartható nagy koncentrációjúval gátolható megnyílása nem feszültségfüggő folyamat különböző anyagok (Ca2+, koffein, adenozinvegyületek fokozzák permeábilitását a depolarizáció a DHP receptor számára inger ez nyitja a rianodin típusú Ca2+ csatornákat Ca2+ részben szabadon részben fehérjéhez kötve található bennük két oldalról kapcsolódnak a T tubulusok rendszeréhez triádokat hozva létre a kapcsolat térben szoros de a membránok különállók 10-15nm-es intermembrán résekkel egyetlen sarcomerhez így két triád tartozik
Az izomműködés élettana 5./11 Somogyi Magdolna A vázizom összehúzódása Molekuláris mechanizmus aktin, miozinfej és az ATP kölcsönhatásán alapul a részfolyamatok ciklikusan ismétlődnek a vázizomnak három állapota váltakozik: 1. nyugalmi 2. aktivált 3. rigor csúszó filamentum (sliding filament) mechanizmus alapján a csúszás szabályozása a vékony filamentumokhoz, az erőgenerálás a vastag filamentumokhoz kötött A folyamat vázlata: Nyugalomban: a troponin-tropomiozin rendszer elfedi az aktinon található miozinkötő helyeket mechanikailag gátolva az aktin-miozin kölcsönhatást az aktin így nem tud miozint kötni a miozin mindkét feje ATP-t köt ADP és P formájában aktinkötő helye nincs az aktin kötéséhez megfelelő helyzetben így a miozin sem tud aktint kötni feje és nyaka 90 -os szöget zár be A vázizom ingerületbe kerülése esetén a sarcoplazma depolarizálódik a depolarizáció a T-tubulus rendszer révén a rost mélyére hatol az információt a triádoknak adja át a terminális ciszternákból Ca2+ szabadul fel
Az izomműködés élettana 6./11 Somogyi Magdolna megemelkedik a myoplasma Ca2+ koncentrációja következményei: 1. A troponin C Ca2+ specifikus helyei Ca2+-t kötnek a további reakciók csak megfelelő kötési százalék megléte esetén indulnak be ez is egy küszöbhatás megváltozik a troponin kölcsönhatása a tropomiozinnal így a tropomiozin a két aktinlánc közti árokban mélyebbre kerül 1, az aktin miozinkötő helyei hozzáférhetővé válnak a miozinfejek számára 2. A miozinfej kiegyenesedik 2, belefekszik az aktin miozinkötő helyébe az ATP bezáródik hidrolízise befejeződik 3, a termékek (ADP és P) disszociálnak a foszfát leválása, tehát a teljes disszociáció csak a miozinfej aktinnal való kapcsolódása esetén játszódik le a foszfát leválásával szabaddá válik az aktinkötő hely 4, az aktinfej erősen hozzákötődik az miozinhoz a miozinfej görbültebb helyzetbe kerül, ELMOZDUL 6, a kereszthidak elcsúsznak, kb. 45 -t zárnak be a miozin-rúddal ezáltal az aktin filamentum elcsúszik power-stroke = erőcsapás -> csúszó filamentum mechanizmus mechanikai erő képződik a sarcomert határoló két Z-lemez a sarcomer közepe felé mozdul el a sarcomer mindkét oldalán! közben az ADP leválik a miozinfejről
Az izomműködés élettana 7./11 Somogyi Magdolna Rigor állapot jön létre: a miozinfej ATP kötő helye üres a miozinfej görbült helyzetben az aktin filamentumon kötődik ez egy kontrahált állapot ha a miozin nem képes újabb ATP-t kötni (annak hiánya miatt) ez tartóssá válik (hullamerevség) a kereszthidak 90 -ba való visszaállása a kontraktilis fehérjék közti szoros kapcsolat megszűnése csak a miozin újabb ATP kötése esetén lehetséges Amennyiben az aktivált állapot továbbra is tart tehát a troponin C továbbra is köt Ca2+-t újból létrejöhet az aktin és miozinfejek kapcsolódása egy aktinon távolabb levő, másik miozinfejjel a sarcomer tovább rövidül Amennyiben az aktiváció már nem áll fenn a szabályozó fehérjék gátló konfigurációja visszaáll (troponin-tropomiozin rendszer épp ellentétes működése) az aktin miozinkötő helyei nem hozzáférhetőek így az aktin nem képes katalizálni a foszfát leválását melynek hiányában nincs energia, sem elmozdulás a kereszthidak nyugalmi állapotban maradnak a miozinfej továbbra is köti az ATP-t ezek a folyamatok az izotóniás, tehát valós megrövidüléssel járó kontrakció esetén játszódnak le A mechanizmus kísérleti feltárása: 1. meghatározták a sarcomer hosszúságát 2. meghatározták az A csík szélességét 1. nyugvó izomban 2. gyenge inger hatása alatt álló izomban 3. erős inger hatása alatt álló izomban 4. maximális inger hatása alatt álló izomban Tapasztalat: míg az A csík szélessége nem változott a sarcomer hossza igen Következtetés: átfedés alakul ki a kontraktilis elemek hossza nem változik
Az izomműködés élettana 8./11 Somogyi Magdolna A folyamat energiaforrása: ATP Előállítási, regenerálási lehetőségei: 1. Keratin-foszfát útján makroerg molekula foszfát-kötése átvihető, ezzel regenerálja az ATP-t általa az ATP néhány mp helyett 1 percig képes energiát biztosítani rövid időtartamú csúcsteljesítmény elérésére szolgál 2. Aerob glükózégetéssel tartós izomműködés csak ezen az úton jön létre glükózból és lipidekből lehetséges 3. Anaerob glikolízis Keratin-foszfáthoz képest fél perces késéssel indul egy perc után felváltja az aerob energiatermelés amennyiben ez nem elég, az anaerob út tovább folyik glikogén -> tejsav Anaerob úton: glikogénből és tejsavból Az oxigéntárolás myoglobin segítségével megoldott Az izomkontrakció szabályozása A kontrakcióra utasító jelek az agyból a gerincvelőn át motoros neuronok axonjain keresztül érkeznek elágaznak, majd elvesztik myelinhüvelyüket tovább ágaznak a neuromuscularis junctiokhoz (motoros véglemezhez) melyet az izomrost bemélyedése és a rajta végződő preszinaptikus struktúra alkot köztük szinaptikus rés helyezkedik el az ingerületátvitel módja: kémiai transzmitter: acetil-kolin receptor: nikotinos acetil-kolin receptor az ingerületátvitel gátolható tetrodotoxinnal idegi vezetés szintjén botulinus toxinnal acetil-kolin felszabadulást gátolja kuráréval kompetitív gátlással elfoglalja a receptorokat Motoros egység: motoneuron és az általa beidegzett összes izomrost 1sége az izomműködés gradáltságát biztosítja, hogy más-más számban jönnek ingerületbe eltérő ingerintenzitásnál A motoros neuron működése elektromiográfiával vizsgálható
Az izomműködés élettana 9./11 Somogyi Magdolna Neuromuscularis junkció A motoros ideg és a beidegzett izom közötti ingerületátvitel helye A szinapszis típusa: A ligand: Agonista ligand: Antagonista ligand: kémiai acetil-kolin nikotin, karbamil-kolin, szukcinil-kolin, dekametónium d-tubo-kurarin (kuráré hatóanyaga) Részei: 1. axon terminális =axon végkészülék izomrost membránjával szemben acetil-kolinnal telt vezikulák ezekkel ellentétesen mitochondriumok aktív zónáiban magas a Ca2+ csatornák száma 2. motoros véglemez =az izomrost membránja, mely az idegvégződéssel szemben primer junkciós hasadékot képez további, secunder junkciós redők is kialakulnak ezen belül az aktív zónákkal szemben nagy számban nikotinos Ach-receptorok ionotrop receptorok folyamatosan bomlanak és újraszintetizálódnak (f.é.i. 8-11nap) 3. Schwann sejt beburkolja az előző kettőt nem képes myelint szintetizálni körbeveszi a junkciós rést mely az axon terminális és a motoros véglemez közt található lamina basalis lemezben rögzítve acetil-kolin-észterázt tartalmaz Működése: leglényegesebb vonásaiban megegyezik az interneuronális szinapszisokkal különbség: a felszabadult transzmitter minden esetben küszöb feletti ingerként hat az akciós potenciál minden esetben kialakul az aktív zónákban található vesiculák száma sokkal nagyobb receptorának működése: 1. minden pentamer szerkezetű receptor 2 molekula ligandot köt meg 2. rövid időre (1ms) megnyílik a receptor kationcsatornája 3. a ligand disszociál 4. a csatorna záródik nem feszültségfüggő, de a membrán depolarizációja gyorsítja End-plate potenciál: Működése eredményeként ionáram keletkezik depolarizációt eredményez, mely létrehozza a véglemez-potenciált kb. 15 mv Ingerületátvitel Alapja, hogy a kémiailag ingerelhető motoros véglemez mellett elektromos ingerelhető membránrészlet (sarcolemma) helyezkedik el a véglemezpotenciál az inger ezek Na+-csatornáinak megnyitására
Az izomműködés élettana 10./11 Somogyi Magdolna Az izomkonctrakció hőviszonyai az izomkonctrakció hatásfoka rossz csak az energia fele fordítódik az összehúzódásra a többi hő formájában távozik a konctrakció minden szakaszához rendelhető hőfelszabadulás 1. aktivációs hő a Ca2+ felszabadulásához kapcsoltan 2. rövidülési hő kereszthidak aktiválásához rendelten 3. helyreállási vagy relaxációs hő elernyedéskor passzív visszafele mozdulás is kialakul Az izomösszehúzódás kinetikája Látencia idő: az akciós potenciál érkezése és az izomválasz megindulása közt eltelt időtartam kb. 10ms Rángás: egyszerű, rövid ideig tartó impulzus eredménye egyetlen összehúzódási-elernyedési szakasz melynek végén a nyugalmi állapot maradéktalanul helyreáll időtartama: 10 ms 100 ms egy inger hatására maximális Ca2+ felszabadulás, maximális rángás az inger időtartama viszont nem elég a max. izommegrövidüléshez Inkomplett tetanusz: sorozatingerlés hatására, az ingerlési frekvencia növelésével az egyes rángások lépcsőzetes, mechanikus egymásra rakódása megindul a Ca2+ koncentráció csökkenése, ám mégis magas marad az izomerő max. 4szeresére nő Komplett tetanusz: a sorozatingerlés frekvenciáját tovább növelve alakul ki magas amplitúdójú jel elernyedés nem figyelhető meg az igen rövid refrakter periódus miatt alakulhat ki így szívizomban nem is figyelhetjük meg ezzel jellemezhető egy izomrost maximális ereje
Az izomműködés élettana 11./11 Somogyi Magdolna Az izomkontrakció típusai: Izotóniás kontrakció: az izom feszítettsége nem, de hossza változik az izom megrövidülésének nincs akadálya így ez változatlan feszülés mellett következhet be a fent leírt molekuláris mechanizmus ebben az esetben következik csak be Izometriás kontrakció: az izom hossza változatlan, feszülése változik a kontrakció ereje nem elegendő a megrövidülés akadályának leküzdéséhez megrövidülés nem, csak a feszülés fokozódása jön létre a miozin feje helyben jár az aktinon Auxotóniás kontrakció: fiziológiás helyzetben jön létre a két előző közti átmenet A vázizom a legnagyobb erőkifejtésre éppen a nyugalmi állapotában mérhető hossz mellett képes