Ugrás a tartalomhoz

Élettani alapismeretek

Cseri Julianna (2011)

Debreceni Egyetem

Az izomsejtek élettani sajátságai

Az izomsejtek élettani sajátságai

Az izomsejtek mechanikai tevékenység végzésére specializálódott struktúrák. Az idegsejtekhez hasonlóan sejtmembránjuk feszültségfüggő ioncsatornákat tartalmaz, így az izomsejtek tovaterjedő ingerületi folyamat, akciós potenciál kialakítására képesek. Mikroszkópos vizsgálattal homogén optikai sajátságot mutatnak (simaizom) vagy hossztengelyre merőleges szabályos csíkoltságot látunk (harántcsíkolt izom). A vázizomsejtek és a szívizomsejtek harántcsíkoltsága a kontraktilis fehérjék szabályos elrendeződéséből, a szarkomérák szerkezetéből adódik.

A vázizomsejtek élettani sajátságai

Neuromuszkuláris ingerületáttevődés

A vázizomsejtek spontán elektromos aktivitást nem mutatnak, ingerületi folyamatuk a velük szinapszist (neuromuszkuláris junkciót) alkotó szomatikus motoros ideg aktivitásának a következtében alakul ki. Egy motoneuron változó számú izomrostot innerválhat, de az egy motoros ideg által közvetített ingerület az általa beidegzett izomrostok szinkron aktivitását eredményezi. A motoneuron és az általa ellátott izomrostok képezik az ún. motoros egységet.

A neuromuszkuláris junkcióban résztvevő (posztszinaptikus) izommembrán (véglemez) specializálódott struktúra. Feszültségfüggő ioncsatornái nincsenek, hanem az ingerületátvivő anyag, az acetilkolin kötésére képes ligand-vezérelt kation csatornákat tartalmaz. Néhány vezikulum random kiürülése ún. miniatűr véglemez-potenciált, néhány mV-os elektrotónusos potenciálváltozást okoz, ami nem vezet tovaterjedő ingerületi folyamathoz. A motoros idegen végigfutó akciós potenciál olyan mennyiségű acetilkolin felszabadulását váltja ki, ami elegendően nagy véglemez-potenciált okoz ahhoz, hogy a szinapszissal szomszédos felszíni membránon akciós potenciál jöjjön létre.

A véglemezben lévő ionotróp acetilkolin receptorok aktiválódásakor, – Na+ ionok (pozitív töltések) belépése következtében – depolarizáció (katelektrotónus) alakul ki. Az acetilkolin receptor agonistája a nikotin is, ezért nevezik ezt a fajta kolinerg receptort nikotin-típusú kolinerg receptornak. Speciális kompetitív antagonistája a kuráre, amit a dél-amerikai indiánok nyílméregként használtak, a modern gyógyászatban pedig műtéti eljárásoknál izomrelaxánsként alkalmaznak.

Az idegi akciós potenciál által – neurotranszmitter közvetítésével – kiváltott véglemez-potenciál akciós potenciál létrejöttéhez vezet az izom extrajunkcionális membránján is, melynek kialakításában az idegsejtek esetében megismert Na+ és K+ csatornák vesznek részt.

Az acetilkolin receptorok számának csökkenése (autoimmun folyamat következtében) súlyos izomműködési zavarhoz, myasthenia gravishoz vezet. Az acetilkolint bontó enzim bénítása növeli a rendelkezésre álló neurotranszmitter mennyiségét, ami csökkentheti az izomgyengeséget.

Az akciós potenciál sajátságai

A vázizomzat akciós potenciáljának kialakításában feszültségfüggő gyors Na+ csatornák és késői K+ csatornák vesznek részt. A ms-ok alatt lezajló spike-ot hosszan tartó negatív utópotenciál követi, melynek kialakításában a T-tubulusokban zajló folyamatoknak (a kilépő K+ ionok lassú eliminálódásának) tulajdonítanak szerepet. Az akciós potenciál végighalad a felszíni membránon, beterjed a T-tubulusokba és kiváltja az elektromechanikai kapcsolatnak nevezett eseménysort. Az akciós potenciál alatt Ca2+ belépés nem történik az extracelluláris térből.

2.19. ábra - A vázizomsejt akciós potenciálja

A vázizomsejt akciós potenciálja

Elektromechanikai kapcsolat

Ezen a néven foglaljuk össze azokat a lépéseket, melyeken keresztül az izom felszíni membránján végigfutó akciós potenciál mechanikai választ, izomösszehúzódást (kontrakciót) vált ki. A folyamatban kulcsszerepe van a Ca2+ ionoknak. Nyugalomban a citoplazmatikus kalciumkoncentráció nagyon alacsony (nanomolos nagyságrendű). Az izom endoplazmatikus retikuluma (szarkoplazmatikus retikulum, SR) kalciumot raktároz, ami ingerület hatására felszabadul és mikromolos nagyságrendűvé növeli a Ca2+ koncentrációt. Ez a lépés vezet majd a kontraktilis fehérjék által kialakított mechanikai válaszhoz.

2.20. ábra - A vázizomsejtek elektromechanikai kapcsolata

A vázizomsejtek elektromechanikai kapcsolata

A hosszú, henger alakú izomsejtek felszíni membránja a sejt belseje felé betüremkedéseket, ún. T- (transzverzális) tubulusokat hoz létre. A T-tubulusok a szarkoplazmatikus retikulummal triád struktúrát alkotnak. A T-tubulus membránján végighaladó akciós potenciál a membránban elhelyezkedő fehérjék konformációváltozása révén Ca2+ felszabadulást vált ki az SR-ből.

A mechanikai válasz

Az izomsejtek kontraktilis fehérjéi az aktin és a miozin. Nyugalomban (az izom elernyedt állapotában) a két fehérje közötti kapcsolat kialakulását egy szabályozó fehérje, a troponin akadályozza. Amikor megemelkedik a Ca2+ koncentráció, a troponin egyik alegységéhez Ca2+ kötődik, ami konformáció-változást okoz. Ennek eredményeként az aktin miozinkötő helye szabaddá válik és létrejöhet a két fehérje kapcsolata. A folyamat ATP-ben raktározott energiát igényel, az ATP-t a miozin bontja enzimatikusan. Az aktin és a miozin közötti kapcsolat egy-egy összehúzódás során többször kialakul és megszűnik, közben az aktin elcsúszik a miozin mentén (sliding mechanizmus).

A relaxáció (elernyedés) feltétele az, hogy ismét alacsony legyen a citoplazmatikus Ca2+ koncentráció. Ezt az SR hosszanti elemének membránjában lévő Ca2+ pumpa biztosítja, ami ATP felhasználása mellett visszavételezi a Ca2+ ionokat a raktárakba.

Izommunka kapcsán az ATP-szint nem változik, mivel a felhasznált ATP a kreatinfoszfát raktárból pótlódik. A sejtanyagcsere által termelt energia nagyenergiájú kötések formájában kreatinfoszfátba épül be, a kreatinfoszfát pedig átadja foszfátcsoportját az ADP-nek, ami így ATP-vé alakul. Az izomműködés során a felszabaduló energia egy része hővé alakul. Ennek nagy jelentősége van a hőszabályozásban, a hideg ellen védő mechanizmusok között kitüntetett jelentősége van az izomzat hőtermelésének.

Az izomösszehúzódás formái

Az akciós potenciál által kiváltott izomösszehúzódást rángásnak, vagy kontrakciónak nevezzük. A nem akciós potenciál által kiváltott, tartós feszülési állapot a kontraktúra. Az izom mechanikai válasza izotóniás vagy izometriás formában nyilvánulhat meg. Izotóniás összehúzódás során az izom megrövidül, miközben feszülési állapota, tónusa nem változik. Izometriás összehúzódás jön létre, ha az izom két végpontját rögzítjük, így az izom hossza nem változik, de a feszülése fokozódik.

2.21. ábra - A vázizomzat mechanikai válasza

A vázizomzat mechanikai válasza

A vázizomzat kontrakciói szummálhatók. Ennek oka az, hogy az akciós potenciál időtartama lényegesen rövidebb, mint a kontrakcióé, így az ismétlődő akciós potenciálok hatására kialakuló kontrakciók egymásra ültethetők, az akciós potenciálok frekvenciájától függően inkomplett vagy komplett tetanusz jön létre. A vázizomzat működése során nem egyes rángások, hanem tetanuszos összehúzódások jelentkeznek.

A simaizomsejtek működése

Általános jellemzés

A simaizomsejtek a zsigeri szervek falában és más belső struktúrákban található elemek. Sokegységes formájukban a működési egység nagyon hasonlít a vázizomnál leírtakhoz, azaz a sejtek egymással párhuzamosan futnak, spontán aktivitással nem rendelkeznek, a vegetatív motoros neuronokkal alkotnak szinapszist. Sokegységes simaizom pl. a pupillaszűkítő izom, vagy a sugártest izomzata.

2.22. ábra - A simaizmok jellemzői

A simaizmok jellemzői

A zsigeri (viszcerális) simaizomzat sejtjei egymással kis elektromos ellenállású membránszakaszokon keresztül kapcsolódnak, hálózatot, szincíciumot alkotnak. Spontán aktivitással rendelkeznek, a pacemakerként működő sejtek ingerülete a teljes hálózaton végigterjed. Ilyen izomzatot találunk a tápcsatorna falában vagy az érfalban, hosszanti, ill. körkörös elrendeződésben. A körkörös lefutású izmok összehúzódása a bél, illetve az ér lumenét szűkíti, konstrikciót vált ki. Ennek nagy jelentősége van a tápcsatorna mozgásainak, illetve az érellenállásnak a meghatározásában.

Elektromos jelenségek

A simaizom összehúzódását is akciós potenciál váltja ki. Ennek kialakításában feszültségfüggő kalcium- és káliumcsatornák vesznek részt. A sokegységes simaizomban az akciós potenciál kialakulása a neurotranszmitter felszabadulás következménye, míg a zsigeri simaizomban a spontán kialakuló, lassú depolarizációs hullámok alakítják ki a feszültségfüggő kalciumcsatorna aktiválódásának feltételeit.

Elektromechanikai kapcsolat

A kontrakció aktiválásában itt is szerepet játszanak a kalciumionok, melyek részben az akciós potenciál alatt az extracelluláris térből lépnek be, részben belső tároló helyekről származnak. A Ca2+ kalmodulinhoz (egy kalciumkötő fehérjéhez) kapcsolódva aktiválja a miozinkináz nevű enzimet, amely foszforilálja a miozint. A miozin foszforilált állapotban képes ATP-bontásra, ez indítja be a sliding mechanizmust. A simaizomban nincs troponin, a szabályozás a miozin szintjén valósul meg.

A mechanikai válasz

Az aktin és a miozin szintjén zajló biokémiai események megegyeznek a vázizomnál leírtakkal. A különbség az, hogy az aktin és a miozin nem mutat olyan periodikusam ismétlődő térbeli elrendeződést, mint a harántcsíkolt izmoknál. A relaxációhoz itt is szükség van a kalciumionok eltávolítására, amely részben a tároló helyekre történő visszavételezést, részben az extracelluláris térbe történő kijuttatást jelenti.

A szívizomsejtek jellemzői

Az akciós potenciál sajátságai

A kamrai munkaizomrostok akciós potenciáljára a gyorsan kialakuló és hosszú ideig fennálló depolarizáció jellemző. A kamrai munkaizomrostok akciós potenciáljának felszálló szárát (0 fázis) a feszültségfüggő nátrium csatornák aktiválódás hozza létre. A nátrium csatornák inaktiválódása a tranziens kálium csatornák aktiválódásával együtt gyors repolarizációhoz vezet (1-es fázis), majd az akciós potenciálnak ún. plató fázisa alakul ki (2-es fázis). Ennek létrejöttéért a feszültségfüggő kalcium csatornák aktiválódása a felelős. Az akciós potenciál alatt belépő kalciumionok az intracelluláris kalciumraktárakból további kalciummennyiséget szabadítanak fel, aminek eredményeként létrejön az izom-összehúzódás (ld. elektromechanikai kapcsolat). A plató fázis kialakulásához a kálium konduktancia csökkenése is hozzájárul. A repolarizáció (3-as fázis) a kálium konduktancia fokozódásának eredménye. A 4-es fázisban nyugalmi membránpotenciál értéket mérhetünk.

2.23. ábra - A gyors típusú kamrai akciós potenciál és a potenciálváltozások hátterében álló konduktanciaváltozások

A gyors típusú kamrai akciós potenciál és a potenciálváltozások hátterében álló konduktanciaváltozások

Az elektro-mechanikai kapcsolat

Nyugalomban a sejt intracelluláris kalciumkoncentrációja alacsony, a troponin megakadályozza az aktin és a miozin kapcsolódását.

A szívizomsejt felszíni membránján végigfutó akciós potenciál alatt feszültségfüggő kalciumcsatornák aktiválódnak és Ca2+ ionok lépnek be az intracelluláris térbe. A szívizomsejt belső kalciumraktárának, a szarkoplazmatikus retikulumnak (SR) a membránjában kalciumfüggő kalciumcsatornák (rianodin receptorok) vannak, melyek az akciós potenciál alatt belépő Ca2+ ionok hatására megnyílnak (kalcium-indukált kalciumfelszabadulás). A koncentráció gradiens mentén Ca2+ ionok lépnek ki az intracelluláris térbe. A kalcium ionok lekötődve a troponin nevű regulatórikus fehérjéhez, lehetővé teszik az aktin és a miozin kapcsolat kialakulását.

2.24. ábra - Elektromechanikai kapcsolat a szívizomban

Elektromechanikai kapcsolat a szívizomban

A relaxációt az intracelluláris kalciumkoncentráció csökkenése hozza létre. A Ca2+ ionok az SR-be reakkumulálódnak, ill. az extracelluláris térbe kerülnek ATP-függő aktív transzport révén. A felszíni membránban a Na+ gradienst felhasználó Na-Ca cseremechanizmus is működik.

A mechanikai válasz

A kontrakció molekuláris mechanizmusa megegyezik a vázizomnál leírtakkal. Az aktin-miozin kapcsolatot itt is a troponin szabályozza.

Az akciós potenciál időtartama nagyságrendekkel haladja meg a neuronális spike időtartamát. A mechanikai válasz időtartama viszont alig lépi túl a relatív refrakter periódus időtartamát, emiatt a rángások nem szuperponálhatók, a szívizom nem tetanizálható.

2.25. ábra - Az akciós potenciál és a mechanikai válasz időbelisége

Az akciós potenciál és a mechanikai válasz időbelisége