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