2017.10.13.

1

Izomműködés élettana Tanulási támpontok 21-24

Testtömegünk kb. felét az izomszövet teszi ki.

Témák:Vázizom (kb. 400 izom)

FelépítésKontrakció

-mechanizmus-energetika-mechanika

Simaizom - vázizommal összehasonlítva

2017.10.13.

2

a test mozog és szállít-légzés-szív/keringés-tápcsatorna

Szövettani típusai:Simaizom

Szívizom

Vázizom-harántcsíkolt-idegi impulzus hatására húzódik össze -akaratlagosan működtethető-izomrostok között nincs anatómiai kapcsolat

az izom összehúzódikés

elernyed

izom

Izomrost(sejt)

izom

Myofibrillum

Relaxáció

Kontrakció

A-csík I-csík

Z-vonal

M-vonal H-csík

Sarcomer (2 µm)

Z-vonal

Izom szerkezete

Izomrost átmérő: 10-100 µm

2017.10.13.

3

MYOFIBRILLUMOK

T (transzverzális)-tubulus

T-tubulus

L (longitudinális)-tubulus

Triád

Sarcoplasma-reticulum

SarcolemmaT tubulus

TERMINÁLISCISZTERNA

Izomrost szerkezete

I-csík

A-csík

Eckert: Animal Physiology,

Vastag filamentum: MIOZINVékony filamentum: AKTIN

TROPOMIOZINTROPONIN

Egyéb fehérjék: pl. α-AktininTitin

kontraktilis fehérjék

regulátor fehérjék

szerkezetet biztosítófehérjék

relaxáció kontrakció

(Straub F. Brunó 1941)

2017.10.13.

4

Dystrophin mutációja: Duchenne-izomdisztrófia (X-kromoszómához kötött recesszív öröklődésű betegség)

MiozinG-aktin

F-aktin

Tropomiozin Troponin

vastag filamentum vékony filamentum

nehéz lánc

könnyűláncok

vastag filamentum

Miozin (2 nehéz és 4 könnyű lánc):ATP-t köt és bont

Fej és test közötti illeszkedés flexibilis

Aktin-kötő hellyel rendelkezik

Filamentumok szerkezete

vékony filamentum

Az aktin monomerek kötőhelyekkel rendelkeznek:

- további aktin monomerek,

- miozin,

- tropomiozin,

- troponin számára

2017.10.13.

5

TnI TnC TnT

A vékony filamentum szerkezete

Aktin TropomiozinTroponin

Troponin alegységek

TnI: „inhibitoros”TnC: Ca2+ kötőTnT: Tropomiozin kötés

TnI, TnC, TnTAktinTropomiozin

Troponin alegységek

Ca2+ kötőhely

Miozin kötőhelyek

(a) Aktin lánc miozin-kötőhelyei blokkolva; izom nem tud összehúzódni

(b) Aktin lánc miozin-kötőhelyei szabadon; izom össze tud húzódni

2017.10.13.

6

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)

Csúszófilamentum-mechanizmus

motoneuronsejttest

izomrostok

motoneuron axon

gerincvelő

izom

1. motorosegység

2. motorosegység

Motoros egység

Dying Lioness, ca. 650 B.C.Palace of Ashurbanipal at Ninevah

2017.10.13.

7

Elektromiográfia

Az izom kontrakciója közben az izomrostokban létrejövő elektromos aktivitás vizsgálata felszíni vagy tűelektródák segítségével.

nyugalom

gyengekontrakció

közepes erősségűkontrakció

maximáliskontrakció

myelin

motoneuron axonja

Schwann-sejt

motoros véglemez

posztszinaptikus

membrán redők

izomrost

aktív zóna

preszinaptikus

végződések

izomrost

Neuromuscularis synapsis

2017.10.13.

8

Neuromuscularis synapsis

Motoros ideg axonja

myelinhüvely

axon terminális

Akciós potenciál

Acetil-kolin (ACh)tartalmú vesiculák

Feszültségfüggő Na+ csatorna

Sarcolemma

nikotinos ACh receptor

Acetil-kolin-észteráz

Ligandfüggő csatorna

Motoros véglemez

Izomrost

akciós potenciálterjedése azizomroston

Feszültségfüggő Ca2+ csatorna

véglemez-potenciál

Neuromuszkuláris szinapszis működésének gátlása

Acetil-kolin felszabadulásának gátlásaBotulinus toxin

Ach kötődésének gátlása a nikotinos ACh-receptorhozKurare, d-tubokurarin (dem depolarizál) nem nyitja a receptor ioncsatornáját, de

megakadályozza az ACh kötődésétSzukcinil-kolin (depolarizál) a depolarizáció inaktiválja a feszültség függő Na+-

csatornákatACh-receptor ellenes autoantitestek (receptorok számának csökkenése)

Myastenia gravis – kolinészteráz gátló kezeléssel javítható az állapotAcetil-kolin észteráz gátlása

reverzibilis: neostigminirreverzibilis : peszticidek, harci gázok

Acetat

2017.10.13.

9

T-tubulus

sarcoplasma

RianodinReceptor(RyR)

DihidropiridinReceptor (DHPR)

A depolarizációCa2+ csatornákat nyit meg

AktinMiozin

sarcolemma

akcióspotenciál

sarcoplazmásretikulum

terminálisciszterna

T-tubulus terminálisciszterna

sarcoplasma

akcióspotenciál

Ca2+<10-7 MCa2+≈10-3 M

Elektromechanikai kapcsolás

Kalszekvesztrin: 44-67 kDa tömegű fehérje

1 molekula 40-45 Ca2+-ot köt

aktinmiozin

troponintropomiozin

2017.10.13.

10

Kontrakció molekuláris mechanizmusa

Z-vonal

ATP hidrolízise gyenge aktin-miozin kölcsönhatás

erős aktin-miozinkölcsönhatás

erőgenerálás

disszociáció

Ca2+

erőgenerálás

Mg2+-függő ATP-áz

T-tubulus

sarcoplasma

RianodinReceptor(RyR)

DihidropiridinReceptor (DHPR)

A depolarizációCa2+ csatornákat nyit meg

AktinMiozin

sarcolemma

akcióspotenciál

sarcoplazmásretikulum

terminálisciszterna

T-tubulus terminálisciszterna

sarcoplasma

akcióspotenciál

Ca2+<10-7 MCa2+≈10-3 M

Elektromechanikai kapcsolás

SERCA: Sarcoplasma-endoplasma reticulum ATP-ase

2017.10.13.

11

Kontrakció molekuláris mechanizmusa

Z-vonal

ATP hidrolízise gyenge aktin-miozin kölcsönhatás

erős aktin-miozinkölcsönhatás

erőgenerálás

disszociáció

Ca2+

erőgenerálás

ATPCa2+

Mg2+

5 ciklus /sec

2017.10.13.

12

ATP

KreatinfoszfátKreatinfoszfát + ADP ↔ Kreatin + ATP

Szénhidrát és lipid felhasználásszabad zsírsavak, glukóz, glikogén

-anaerob (glikolízis, glikogenolízis, tejsav képződés) -aerob (oxidatív foszforiláció a mitokondriumokban, vérellátás

szerepe, myoglobin - oxigén kötés)

Izmműködés energiaforrása

Myoglobin: oxigénkötő fehérjeegy hemcsoportot és egy vasionttartalmaz.

Izomkontrakció energiaforrása

ATP

Kreatinfoszfát

Anaerob glikolízis

Aerob glikolízis

idő (s)

Kreatinfoszfát

100 m sprint 10 sec 85% energia anaerob módon termelődik3 km futás 10 min 20 % energia anaerob módon termelődikHosszútáv futás 60 min 5% energia anaerob módon termelődik

2017.10.13.

13

Kontrakció sebességeFáradás gyorsasága Mitokondriumok számaKapillárisok számaMioglobin tartalomMiozin ATPáz aktivitásaIzomrost átmérője

Lassúoxidatív

LassúLassú SokSokJelentősLassúKicsi

Gyorsoxidatív/glikolitikus

GyorsKözepes

SokSok

JelentősGyors

közepes

Gyorsglikolitikus

GyorsGyorsKevésKevés

AlacsonyGyorsNagy

rövidtáv futómaratoni futó

I. típus II. típus

II. a II. b

Izomrostok típusai

Izomrostok típusai

Michael Phelps – minden idők legsikeresebbolimpiai sportolója

A sportteljestményt kb. 200 gén bizonyítottan befolyásolja. Ezek érintik az izom vérellátását, az izom szerkezetét, oxigén szállítást, tejsav lebontást, energiatermelést.

„gyors” miozin izoformák szerepe

Hosszú Katinka

genetika+

tréning

2017.10.13.

14

ATP szint csökkenéseIntracelluláris pH savas irányba tolódik (tejsav)Neuromuszkuláris junkció „fáradása”+ pszichés tényezők

Glykolízis lassulCa2+ kisebb affinitással kötődikNociceptor aktiváció

Izomműködés hatásfoka maximum 40-50%

Hőtermelés:

Hőszabályozás – reszketés/akaratlagos izomösszehúzódás

Izom fáradása

Rigor mortis(hullamerevség)

Kontraktúra – izomösszehúzódás akciós potenciál nélkül

Izomláz

Androgén hormonok, növekedési hormon – anabolikus hatás (dopping)

nincs ATP!

2017.10.13.

15

Izomrost akciós potenciál

Izomrost rövidülés

Latencia Idő (ms)

(mV)Elektromos és mechanikai változások az izomrost kontrakciója során

Stimulus előtt

sarcomer

5 ms a stimulust követően 20 ms a stimulust követően

Akciós potenciál

Kontrakció

Az akciós potenciál, Ca2+ szignál és izomkontrakció időbeli viszonyai

2017.10.13.

16

Izomrángás

Inkomplett tetanusz

Komplett tetanusz

Idő (ms)

Izomrost kontrakcióinak összeadódása

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

Egyetlen motoros egység a minden vagy semmi törvénynek

megfelelően húzódik össze.

2017.10.13.

17

Rövidülés Izom-feszülés

Izom

Idő Idő

izom

Feszülés-érzékelő

AUXOTÓNIÁS KONTRAKCIÓ(feszülés nő, izomhossz csökken)

Izomkontrakció típusai

izom

IZOTÓNIÁS KONTRAKCIÓ(izom rövidül, feszülése nem változik)

IZOMETRIÁS KONTRAKCIÓ(izom hossza nem változik, feszülése nő)

Előterhelés Utóterhelés

Izomhossz – feszülés összefüggése

erő

Izomhossz

passzívfeszülésgörbéje

Izotóniáskontrakció maximuma

IzometriásKontrakciómaximuma

erő

Izomhossz

Izotóniás kontrakció Izometriás kontrakció

Passzív feszülés: titin feszülése

Aktív feszülés: rögzített filamentum pozíció mellett a kereszthíd ciklusok a miozinfej elasztikus deformációját okozzák

2017.10.13.

18

A vázizomrost hossza és aktív izometriás feszüléseközötti összefüggés

Sarkomer hossz (µm)

max

. kif

ejth

ető

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

seb

essé

g

meg

nyú

lás

rövi

dü

lés

erő ill. terhelés

Izometriás kontrakció

2017.10.13.

19

Aktinfilamentum

Miozinfilamentum

„minisarcomer”

Simaizom

Relaxált

Kontrahált α-aktinin

Aktin+ Tropomiozin, Caldesmon, Calponin

Maximális rövidülés: eredeti hossz 30%-ára(vázizomban 60%-ára)

Miozin

Membrán felszíni betüremkedései

NINCS Troponin

VAN Calmodulin(Ca2+-kötő citoplazma fehérje)

(egyik könnyű láncaregulátor funkciójú)

2017.10.13.

20

Simaizom kontrakciója

MLCK: Miozin könnyű lánc kináz(Myosin light chain kinase)

gyenge aktin-miozin kölcsönhatás

erős aktin-miozinkölcsönhatás

Kereszthidakképződése

Kereszthíd képződésgátolt

MLCP: Miozin könnyű lánc foszfatáz(Myosin light chain phosphatase)

A kontrakció létrejöttét döntően a miozin állapota határozza meg

Akciós potenciál

Feszültség-függő Ca2+-csatorna

Ligand-függőCa2+-csatorna

katecholaminok

α1-receptor

Aktiváció Relaxáció

Elektromechanikaikapcsolás

Farmakomechanikaikapcsolás

Simaizom

antiport

β2-receptor

sarcoplasma-reticulum

„Ca2+ szignál”

Ca2+-indukálta Ca2+ felszabadulás

katecholaminok

+ Mechanomechanikai kapcsolássarcolemma mechanoszenzitívCa2+ csatornáinak nyitása RyR: Rianodin Receptor

2017.10.13.

21

Simaizom „Ca2+-érzékenységének” szabályozása

Ca2+-deszenzitizációMiozin könnyű lánc foszforilációja

tónus

Ca2+-szenzitizációMiozin könnyű lánc foszforilációja

tónus

Miozin könnyű lánc kináz(Myosin light chain kinase)

Miozin könnyű lánc foszfatáz(Myosin light chain phosphatase)

Ca2+-deszenzitizáció

Ca2+-szenzitizáció

Erő

(%

)

Ca2+-koncentráció (mol/l)

nitrogén monoxidNO

MLCK

MLCP

Szerotonin

Angiotenzin II

Endothelin-1

gap junction – funkcionális szincícium

TÖBBEGYSÉGESSIMAIZOMbelső szemizmokpilomotor izmok

EGYEGYSÉGES (VISZCERÁLIS)SIMAIZOMerek, légutak, tápcsatorna, méh

izomréteg

endothel

Artéria

átmeneti típusok!

Simaizom típusok

2017.10.13.

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”

Funkcionális szincícium - gap junction „pacemaker sejtek”Miogén tónus- izom nyújtása fokozza az aktivitást- vegetatív idegrendszer transzmitterei módosítják

az aktivitást

membránpotenciál

kontrakció

Egyegységes (viszcerális) simaizom

Többegységes simaizom

Spontán aktivitást nem mutató simaizomAlig 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"