9 10 izom szerkezet -...
Transcript of 9 10 izom szerkezet -...
Biofizika I 2013-2014 2013.10.02.
1
9. A HARÁNTCSÍKOLT IZOM SZERKEZETE ÉS MECHANIKÁJA
10. AZ IZOMMŰKÖDÉS ÉS SZABÁLYOZÁS MOLEKULÁRIS ALAPJAI
Biofizika I. - 2013. 10. 01 – 02.Dr. Bugyi BeátaPTE ÁOK Biofizikai Intézet
ÁTTEKINTÉS
AZ IZOM
� TÍPUSAI: SZERKEZET és FUNKCIÓ� MŰKÖDÉSÉNEK MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSAI� MECHANIKAI SAJÁTSÁGAI
AZ IZOM
� makroszkópikus mozgás létrehozására specializálódott szövet� filamentális fehérje rendszerek összeszerveződése� mechanokémiai rendszer: kémiai energiát mechanikai munkává alakít
v
AZ IZOM TÍPUSAI
HARÁNTCSÍKOLT IZOM SIMAIZOM
VÁZIZOM SZÍVIZOM (17. előadás)
elhelyezkedése csontokhoz, bőrhöz kapcsolódik
szív zsigerek, belső szem, légút, nagy artériák
összehúzódás szabályozása
akaratlagos nem akaratlagos(belső szabályozás)
nem akaratlagos
harántcsíkolat harántcsíkolat nincs harántcsíkolat
sejt alak, megjelenés
hosszúkás, hengerszerűmultinukleáris
elágazómono-, binukleáris sejt
orsómononukleáris sejt
Ca2+ forrás szarkoplazmikus retikulum szarkoplazmikus retikulumextracelluláris folyadék
szarkoplazmikus retikulumextracelluláris folyadék
Ca2+ szabályozás troponin troponin calmodulin
AZ IZOM SZERKEZETE – HARÁNTCSÍKOLT IZOM
IZOMROSTsejt
MIOFIBRILLUMorganellum
http://bursaclab.bme.duke.edu/gallery.php?id=19
A szakasz: sötétI szakasz: világos
IZOMszerv
IZOMKÖTEG
AZ IZOM SZERKEZETE – SZARKOMER
SZARKOMER: Z-Z
L(szarkomer) ~ 2.2 µµµµm
I szakaszizotróp/világos
H zóna
M vonal
Z lemez A szakaszanizotróp/sötét
� vékony filamentum
� titin
� vastag filamentum
Z lemez
SZARKOMER: AZ IZOM LEGKISEBB FUNKCIONÁLIS (kontraktilis) EGYSÉGE
Biofizika I 2013-2014 2013.10.02.
2
AZ IZOM SZERKEZETE – MIOFILAMENTUM
MIOFILAMENTUMOKmakromolekuláris fehérjekomplex
vékony filamentumvastag filamentum
VÉKONY FILAMENTUM� aktin� szabályozó fehérjék:tropomiozin, troponin, tropomodulin
VASTAG FILAMENTUMmiozin II
MYOSIN II, EGY MOTOR FEHÉRJE (vastag filamentum)
Geeves and Holmes Advances in Protein Chemistry 2005.
A miozin II feji és nyaki régiójának 3D szerkezete (25. előadás: röntgendiffrakció)
fej faroknyak
kereszthíd
miozin II filamentum – VASTAG FILAMENTUM
MIOZIN II (8. előadás: motor fehérjék) FEJ
NYAK
…FAROK
aktin-kötő régió
nukleotid-kötőrégió
emelőkar
1 fordulat: 37 nm
AKTIN (7.előadás)
Hild, Bugyi et al. Cytoskeleton 2010
A VÉKONY FILAMENTUM: AKTIN, A MIOZIN II PÁLYÁJA
Az aktin monomer 3D szerkezete és az aktin filamentum szerkezetének 3D modellje.
MONOMER FILAMENTUM
IZOM SZERKEZET – FUNKCIÓ
MECHANOKÉMIAI ALKOTÓELEMEK (aktin, miozin) ↓ ?
SZERKEZET↓ ?
FUNKCIÓerőkifejtés, mozgás
Értsük meg a szerkezet-funkció kapcsolatát!
9. A HARÁNTCSÍKOLT IZOM SZERKEZETE ÉS MECHANIKÁJA
IZOM SZERKEZET - FUNKCIÓ
Mi másra van még szükségünk?
horgony: Z csík, M vonalszabályozás: tropomiozin, troponin
9. A HARÁNTCSÍKOLT IZOM SZERKEZETE ÉS MECHANIKÁJA
A VÉKONY FILAMENTUM – Z CSÍK, M VONAL
M vonalZ csík Z csík
� vékony filamentum
� vastag filamentum
Biofizika I 2013-2014 2013.10.02.
3
A VÉKONY FILAMENTUM - SZABÁLYOZÓ ELEMEK
AKTIN TROPOMIOZIN
TROPONIN KOMPLEX
TROPOMIOZIN
TROPOMIOZIN
� alfa helikális coiled-coil dimer� aktin filamentum-kötő fehérje (N-C terminális kapcsolat � tropomiozin polimer)� 1 tropomiozin dimer 7 aktin alegységgel van kölcsönhatásban
Greenfield et al. JMB 2006.
PDB: 2TMANC
A tropomiozin 3D szerkezete és az aktin-tropomiozin komplex szerkezetének 3D modellje.
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� Ca2+-ot köt
PDB: 1TCF
A troponin C 3D szerkezete kötött Ca2+-mal.
TROPONIN KOMPLEX
AZ IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSA
a troponin C Ca2+ -ot köt
a troponin- tropomiozin elmozdul azaktin filamentumon:
szabad miozin II kötő hely
a miozin II az aktin filamentumhozkötődik
kereszthíd ciklus
kontrakció
[Ca2+]citoplazma↑
stimulus
TÉRBELI KIZÁRÁSOS MODELL: Ca2+ szerepe TÉRBELI KIZÁRÁSOS MODELL: ATP szerepe
A:M – ADP-Pimiozin II aktin – kereszthíd:kapcsolt
A:Mmiozin II aktin – kereszthíd:kapcsolt
Pi disszociációADP disszociáció
ATP kötésszétkapcsolás
M – ATPmiozin II – aktin kereszthíd:kikapcsolt
M – ADP-Pimiozin II – aktin kereszthíd:kikapcsolt
A: aktin, M: miozin II
MUNKACSAPÁSerőkifejtés
RIGORrigor mortis
VISSZACSAPÁS
kapcsolásKERESZTHÍD
CIKLUS
ATP hidrolízis
Biofizika I 2013-2014 2013.10.02.
4
AKTO-MIOZIN KERESZTHÍD CIKLUS
egy kereszthíd ciklus során kifejtett erő: ��������í�~2pN � 2 ∗ 10���N
a kereszthidak száma: Nösszes erő : �ö������ � ∗ ��������í�
A kereszthidak száma függ:� a vékony és vastag filamentumok közötti átfedés mértékétől� a miozin II ATPáz aktivitásától: ����á�
kereszthíd ciklusidő: � � 1/����á�
AKTO-MIOZIN KOMPLEX
1: RIGOR állapot (kötött nukleotid nélkül)2: szétkapcsolás (ATP kötés)3: visszacsapás (ATP �ADP+Pi)4: kapcsolás (ADP, Pi disszociáció), munkacsapás, erőkifejtés5: RIGOR állapot (kötött nukleotid nélkül)
http://www.esrf.eu/UsersAndScience/Publications/Highlights/2003/MX/MX03
AZ IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSA
http://www.sci.sdsu.edu/movies/actin_myosin_gif.html
CSÚSZÓFILAMENTUM MODELL
A.F. Huxley (1954), H.E. Huxley (1954)
Z-Z: szarkomer: rövidülI szakasz: rövidülA szakasz: nem változikH szakasz: rövidül
IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS – AKCIÓS POTENCIÁL
STIMULUS – RECEPTOR POTENCIÁL - AKCIÓS POTENCIÁL: a nyugalmi membrán potenciálidőleges változása, amit annak visszaállása követ. (3 – 4 előadás)
VÁZIZOM SZÍVIZOM
Ca2+ csatornák nyílása
akciós potenciál ~ ms akciós potenciál ~ 250 ms
gyorslassú
STIMULUS KONTRAKCIÓS VÁLASZ MINTÁZAT
egyszeri ingerlésRÁNGÁSkontrakció & relaxáció
páros ingerlésÖSSZEGZŐDÉSS1: részleges összehúzódás az S2 stimulus érkezésekor: S1+S2
többszöri ingerlésalacsony frekvencia
LÉPCSŐZETES ÖSSZEGZŐDÉSINKOMPLETT TETANUSZ
többszöri ingerlésmagas frekvencia
KOMPLETT TETANUSZösszefüggő kontrakció, relaxáció nélkül(patológiás eset, görcs, Clostridium tetani)
IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS - VÁZIZOM
Biofizika I 2013-2014 2013.10.02.
5
IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS: IZOTÓNIÁS, IZOMETRIÁS
IZOTÓNIÁSizom hossza változikállandó sebesség
IZOMETRIÁSaz izom hossza állandósebesség: 0
SZINERGIA A HAJLÍTÓ-, ÉS NYÚJTÓIZMOK KÖZÖTT
FLEXORS (hajlítóizom) & EXTENSOR (nyújtóizom)
biceps(hajlító)
triceps(nyújtó)
kar nyújtás karhajlítás
biceps kontrakciótriceps kontrakció
lábhajlítás láb nyújtás
quadriceps femorisnégyfejű combizom(nyújtó)
gastrocnemiuskétfejű lábikraizom(hajlító)
gastrocnemiuskontrakció
quadriceps femorisrelaxáció
quadriceps femoriskontrakció
AZ IZOM MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI
EMELŐ
1. típusú emelő„libikóka”mechanikailag kedvezőtlen vagy kedvezőfej hátrabillentésealkar-könyök izület-triceps
2. típusú emelő„talicska”mechanikailag kedvezőlábujjhegyre állás
3. típusú emelő„lapát”mechanikailag kedvezőtlenlegtöbb izomalkar-könyök izület-bicepsállkapocs-állkapocsizület
W: teherP: erőkifejtésF: forgáspont
AZ IZOM MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI
� !" # �"
35&' ∗ 10() ∗ 10'
*�� � ∗ 5&'
� � 700N
3. típusú emelőalkar + könyökizület + bicepsz
F
*
erőkar - izom
erőkar - teher
ERŐ – SEBESSÉG, TELJESÍTMÉNY – SEBESSÉG DIAGRAMM
v: az összehúzódás sebessége (%)
F: kifejtett erő (%)
IZOMETRIÁSW = 0 J
TERHELETLEN IZOTÓNIÁS
W = 0 J
P: teljesítmény (%)
100 % 100 %
0 %0 %
FmaxPmax
vmax30% vmax
�,-. � 30N/&'�
/ �0
1��*
1� Fv
ERŐ – SZARKOMERHOSSZ DIAGRAMM
max
imu
m e
rő (
%)
szarkomer hossz (µm)
(17. előadás Frank–Starling törvény)
Biofizika I 2013-2014 2013.10.02.
6
AZ IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS ENERGETIKÁJA
4�é,6-6 � 0,�7-86�-6 9:
hatásfok �0,�7-86�-6
0,�7-86�-6 9 :
BC/ 9 D�E � BF/ 9 /G 9 DH
ΔJK � L30.5(N/'OP
ENERGIA FORRÁS
HATÁSFOK
1 ATP/akto-miozin II kereszthíd ciklus
A SIMAIZOM ÖSSZEHÚZÓDÁSA
[Ca2+]citoplazma↑
lcalmodulin Ca2+ -ot köt (CaCM)
CaCM miozin könnyű lánckinázt köt (MLCK)
foszfo miozin az aktinfilamentumhoz kötődik
stimulus
kereszthíd ciklus
kontrakció
MLCK foszforilálja a miozint(foszfo miozin)
CaCM caldesmont köt
a tropomiozin elmozdul azaktin filamentumon:
szabad miozin II kötő hely
� miozin� aktin� tropomiozin� caldesmon� calmodulin� Ca2+
� ATP
A SIMAIZOM ÖSSZEHÚZÓDÁSA VÁZ & SIMAIZOM ÖSSZEHÚZÓDÁS SZABÁLYOZÁSA
a troponin Ca2+ -ot köt
a troponin-tropomiozin elmozdulaz aktin filamentumon:
szabad miozin II kötő hely
a miozin II az aktin filamentumhozkötődik
kereszthíd ciklus
kontrackió
[Ca2+]citoplazma ↑
stimulus
kereszthíd ciklus
kontrackió
� miozin II� aktin� tropomiozin� Ca2+
� ATP
� miozin II� aktin� tropomiozin� caldesmon� calmodulin� Ca2+
� ATP
lcalmodulin Ca2+ -ot köt (CaCM)
CaCM miozin könnyű lánckinázt köt (MLCK)
foszfo miozin az aktinfilamentumhoz kötődik
MLCK foszforilálja a miozint(foszfo miozin)
CaCM caldesmont köt
a tropomiozin elmozdul azaktin filamentumon:
szabad miozin II kötő hely
IZOM ÉS BETEGSÉGEK – VÉKONY FILAMENTUMMIOPÁTIA: = myo „izom" + pathos „szenvedés" dilatált kardiomiopátia
hipertrófiás kardiomiopátia
Moore J R et al. Circulation Research 2012;111:375-385
IZOM ÉS BETEGSÉGEK – VASTAG FILAMENTUM