Izomműködés élettana Tanulási támpontok 21-24

Dr Dux Mária

Michelangelo Buonarotti

a test mozog és szállít

-légzés

-szív/keringés

-tápcsatorna

Szövettani típusai:

Simaizom

Szívizom

Vázizom

-harántcsíkolt

-idegi impulzus hatására húzódik össze

-akaratlagosan (is) működtethető

-izomrostok között nincs anatómiai kapcsolat

az izom összehúzódik

és

elernyed

Testtömegünk kb. felét az izomszövet teszi ki.

Témák:

Vázizom (kb. 400 izom)

Felépítés

Kontrakció

-mechanizmus

-energetika

-mechanika

Simaizom - vázizommal összehasonlítva

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

MYOFIBRILLUMOK

T (transzverzális)-tubulus

T-tubulus

L (longitudinális)-tubulus

Triád

Sarcoplasma-

reticulum

Sarcolemma T tubulus

TERMINÁLIS

CISZTERNA

Izomrost szerkezete

I-csík

A-csík

Eckert: Animal Physiology,

Vastag filamentum: MIOZIN

Vékony filamentum: AKTIN

TROPOMIOZIN

TROPONIN

Egyéb fehérjék: pl. α-Aktinin

Titin

kontraktilis fehérjék

regulátor fehérjék

szerkezetet biztosító

fehérjék

relaxáció kontrakció

(Straub F. Brunó 1941)

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

Miozin G-aktin

F-aktin

Tropomiozin Troponin

vastag filamentum vékony filamentum

nehéz lánc

könnyű

láncok

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

TnI TnC TnT

A vékony filamentum szerkezete

Aktin Tropomiozin Troponin

Troponin alegységek

TnI: „inhibitoros”

TnC: Ca2+ kötő

TnT: Tropomiozin kötés

TnI, TnC, TnT Aktin Tropomiozin

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

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

motoneuron

sejttest

izomrostok

motoneuron axon

gerincvelő

izom

1. motoros

egység

2. motoros

egység

Motoros egység

Dying Lioness, ca. 650 B.C.

Palace of Ashurbanipal at Ninevah

Elektromiográfia

Az izom kontrakciója közben az

izomrostokban létrejövő elektromos aktivitás

vizsgálata felszíni vagy tűelektródák

segítségével.

nyugalom

gyenge

kontrakció

közepes erősségű

kontrakció

maximális

kontrakció

myelin

motoneuron axonja

Schwann-sejt

motoros véglemez

posztszinaptikus

membrán redők

izomrost

aktív zóna

preszinaptikus

végződések

izomrost

Neuromuscularis synapsis

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 potenciál

terjedése az

izomroston

Feszültségfüggő Ca2+ csatorna

véglemez-potenciál

Neuromuszkuláris szinapszis működésének gátlása

Acetil-kolin felszabadulásának gátlása

Botulinus toxin

Ach kötődésének gátlása a nikotinos ACh-receptorhoz

Kurare

Acetil-kolin észteráz gátlása

reverzibilis: neostigmin

irreverzibilis : peszticidek, harci gázok

Myastenia gravis:

ACh-receptor ellenes autoantitestek termelődnek receptorok száma csökken

kolinészteráz gátló kezeléssel javítható az állapot

Acetat

T-tubulus

sarcoplasma

Rianodin

Receptor

(RyR)

Dihidropiridin

Receptor (DHPR)

A depolarizáció

Ca2+ csatornákat

nyit meg

Aktin Miozin

sarcolemma

akciós

potenciál

sarcoplazmás

retikulum

terminális

ciszterna

T-tubulus terminális

ciszterna

sarcoplasma

akciós

potenciál

Ca2+<10-7 M Ca2+≈10-3 M

Elektromechanikai kapcsolás

Kalszekvesztrin: 44-67 kDa tömegű fehérje

1 molekula 40-45 Ca2+-ot köt

aktin miozin

troponin tropomiozin

Kontrakció molekuláris mechanizmusa

Z-vonal

ATP hidrolízise gyenge aktin-miozin kölcsönhatás

erős aktin-miozin

kölcsönhatás erőgenerálás

disszociáció

Ca2+

erőgenerálás

Mg2+-függő ATP-áz

T-tubulus

sarcoplasma

Rianodin

Receptor

(RyR)

Dihidropiridin

Receptor (DHPR)

A depolarizáció

Ca2+ csatornákat

nyit meg

Aktin Miozin

sarcolemma

akciós

potenciál

sarcoplazmás

retikulum

terminális

ciszterna

T-tubulus terminális

ciszterna

sarcoplasma

akciós

potenciál

Ca2+<10-7 M Ca2+≈10-3 M

Elektromechanikai kapcsolás

SERCA: Sarcoplasma-endoplasma reticulum ATP-ase

Kontrakció molekuláris mechanizmusa

Z-vonal

ATP hidrolízise gyenge aktin-miozin kölcsönhatás

erős aktin-miozin

kölcsönhatás erőgenerálás

disszociáció

Ca2+

erőgenerálás

ATP

Ca2+

Mg2+

5 ciklus /sec

ATP

Kreatinfoszfát

Kreatinfoszfát + ADP ↔ Kreatin + ATP

Szénhidrát és lipid felhasználás

szabad zsírsavak, glukóz, glikogén

-anaerob (tejsav képződés)

-aerob (oxidatív foszforiláció a mitokondriumokban, vérellátás

szerepe, myoglobin - oxigén kötés)

Izomműködés energiaforrása

Myoglobin: oxigénkötő fehérje

egy hemcsoportot és egy vasiont

tartalmaz.

Izomkontrakció energiaforrása

Kreatinfoszfát

idő (s)

100 m sprint 10 sec 85% energia anaerob módon termelődik

3 km futás 10 min 20 % energia anaerob módon termelődik

Hosszútáv futás 60 min 5% energia anaerob módon termelődik

Kontrakció sebessége

Fáradás gyorsasága

Mitokondriumok száma

Kapillárisok száma

Mioglobin tartalom

Miozin ATPáz aktivitása

Izomrost átmérője

Lassú

oxidatív

Lassú

Lassú

Sok

Sok

Jelentős

Lassú

Kicsi

Gyors

oxidatív/glikolitikus

Gyors

Közepes

Sok

Sok

Jelentős

Gyors

közepes

Gyors

glikolitikus

Gyors

Gyors

Kevés

Kevés

Alacsony

Gyors

Nagy

rövidtáv futó maratoni futó

I. típus II. típus

II. a II. b

Izomrostok típusai

Izomrostok típusai

Michael Phelps – minden idők legsikeresebb

olimpiai 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

Milák Kristóf

ATP szint csökkenése

Intracelluláris pH savas irányba tolódik (tejsav)

Neuromuszkuláris junkció „fáradása”

+ pszichés tényezők

Glykolízis lassul

Ca2+ kisebb affinitással kötődik

Nociceptor aktiváció

Izomműködés hatásfoka kb. 20-30%

Hőtermelés:

Hőszabályozás – reszketés/akaratlagos izomösszehúzódás

Izom fáradása

Rigor mortis

(hullamerevség)

Kontraktúra

Izomláz

Androgén hormonok, növekedési hormon – anabolikus hatás (dopping) tanulás/memória - a teljesítmény 30-40 %-os romlása!

nincs ATP!

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

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.

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)

Izomhossz – feszülés összefüggése

erő

Izomhossz

passzív

feszülés

görbéje

Izotóniás

kontrakció

maximuma

Izometriás

Kontrakció

maximuma

erő

Izomhossz

Izotóniás kontrakció Izometriás kontrakció

Passzív feszülés: titin feszülése

Aktív feszülés: rögzített

filamentum pozíció mellett a

kereszthíd ciklusok a miozinfej

elasztikus deformációját okozzák

A vázizomrost hossza és aktív izometriás feszülése

közötti összefüggés

Sarkomer hossz (µm)

max.

kif

ejt

hető

erő

%-a

Sarkomer hossz (µm)

Maximális erőkifejtés nyugalmi sarkomer-hossz mellett várható.

Maximálisan a kiindulási hossz 60 %-ára tud rövidülni az izom.

Aktin

filamentum

Miozin

filamentum

„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 lánca

regulátor funkciójú)

Simaizom kontrakciója

MLCK: Miozin könnyű lánc kináz

(Myosin light chain kinase)

gyenge aktin-miozin kölcsönhatás

erős aktin-miozin

kölcsönhatás

Kereszthidak

képződése

Kereszthíd képződés

gátolt

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-függő

Ca2+-csatorna

katecholaminok

α1-receptor

Aktiváció Relaxáció

Elektromechanikai

kapcsolás

Farmakomechanikai

kapcsolás

Simaizom

antiport

β2-receptor

sarcoplasma-

reticulum

„Ca2+ szignál”

Ca2+-indukálta Ca2+ felszabadulás

katecholaminok

+ Mechanomechanikai kapcsolás

sarcolemma mechanoszenzitív

Ca2+ csatornáinak nyitása RyR: Rianodin Receptor

Simaizom „Ca2+-érzékenységének” szabályozása

Ca2+-deszenzitizáció

Miozin könnyű lánc foszforilációja

tónus

Ca2+-szenzitizáció

Miozin 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 monoxid NO

MLCK

MLCP

Szerotonin

Angiotenzin II

Endothelin-1

gap junction – funkcionális szincícium

TÖBBEGYSÉGES

SIMAIZOM

belső szemizmok

pilomotor izmok

EGYEGYSÉGES (VISZCERÁLIS)

SIMAIZOM

erek, légutak, tápcsatorna, méh

izomréteg

endothel

Artéria

átmeneti típusok!

Simaizom típusok

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 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"