tkanka mięśniowa - zakladbiochemii-2wl.wum.edu.pl · ustroju – izowolemia, izoosmia,...

Tkanka mięśniowa

1

Trzy typy mięśni

2

Mięśnie szkieletowe (Poprzecznie prążkowane)

Mięśnie gładkie

Mięśnie sercowe

3

Tkanka mięśniowa mięśni szkieletowych

Mięśnie szkieletowe

4

Organizacja miofibryli

5

Source: A. Pilawski Podstawy Biofizyki

Aktyna, Tropomiozyna i Troponiny

6

Source: A. Pilawski Podstawy Biofizyki

7

Source: A. Pilawski Podstawy Biofizyki

Aktyna, Tropomiozyna i Troponiny

TpC – wiązanie Ca2+

TpI – wiązanie aktyny

TpT – wiązanie tropomiozyny

Tropomiozyna

Aktyna F

Miozyna

8

ATPaza

ELC

RLC

Aktywacja mięśnia

9

Aktywacja mięśnia

Rola jonów Ca2+ w skurczu mięśnia

Mechanizm skurczu mieśnia

Mechanizm skurczu mieśnia

Mechanizm skurczu mieśnia

Mechanizm skurczu mieśnia

Mięśnie szkieletowe zawierają dwa typy włókien, różniących się mechanizmem wytwarzania ATP. Zawartość każdego z typów włókien jest zmienna w zależności od rodzaju mięśnia a także jest różna u różnych osób.

Czerwone („wolno-kurczliwe") włókna mają więcej mitochondriów, przechowują tlen w mioglobinie, podlegaja metabolizmowi aerobowemu (tlenowemu) , i są związane z wytrzymałością. Wolniej produkują ATP. Marańczycy dążą do posiadania jak największej ilości włókien czerwonych.

Białe („szybko-kurczliwe") włókna maja mniej mitochondriów, są zdolne do większego wysiłku (ale krótszego), zużywają ATP bardzo szybko i są bardziej podatne do akumulacji kwasu mlekowego. Podnoszący ciężary oraz Sprinterzydażą do posiadania jak najwiekszej ilości białych włókien.

Włókna białe i czerwone

Mięśnie gładkie

Do mięśni gładkich docierają motoryczne systemu autonomicznego i mogą je stymulować do skurczu lub rozkurczu w zależności od rodzaju uwalnianego neurotransmitera to jest noradrenaliny lub tlenku azotu, NO.

Skurcz mięśnia gładkiego kontrolowanajest przez oddziaływanie Ca2+ z kalmoduliną

Mechanizm skurczu mięśni gładkich

Mięsnie sercowe przypominają mięsnie szkieletowe: są prążkowane i każda komórka posiada sarkomery z przemieszczającymi się względem siebie filamentami aktyny i miozyny.Miofibryle każdejkomórki są rozgałęzione.Rozgałęzienia te łącza się z sąsiednimi włóknami za pomocą adhezyjnych połączeń (adherens junctions). To silne przyleganie umożliwia synchronizację skurczu mięśnia serca bez zrywania połączeń włókien.

Mięśnie sercowe

Mięśnie sercowe• Potencjał czynnościowy wyzwalający skurcz mięśnia serca generowany jest przez samo serce.

Nerwy motoryczne autonomicznego systemu nerwowego połączone są

• z mięśniem sercowym, ale modulują tylko – wzrost lub spadek – częstości i siły skurczu mięśnia. Nawet gdy nerwy są zniszczone (jak w trakcie transplantacji serca) serce kontynuuje wewnętrznie wyzwalane skurcze.

• Potencjał czynnościowy sterujący skurczem mięśnia sercowego przekazywany jest z włókna na włókno przez połączenie szczelinowe (gap junctions).

• Czas refrakcji mięśnia sercowego jest dłuższy niż sumaryczny czas skurczu (systole) rozkurczu (diastole).

• Mięsień sercowy jest bogaciej zaopatrzony w mitochondria niż mięsień szkieletowy.

• Wskazuje to na większe uzależnienie od oddychania komórkowego dla produkcji ATP.

• Mięsień szkieletowy posiada trochę glikogenu i może korzystać z glikolizy, gdy ograniczone jest zaopatrzenie w tlen. Jednak jakiekolwiek zaburzenie w dopływie utlenowanej krwi do mięśnia sercowego szybko prowadzi do jego uszkodzenia – a nawet śmierci – w niedotlenionej części. Tak dzieje się w trakcie zawału mięśnia sercowego.

Źródła energii dla mięśni

Skurcz włókna mięśniowego wymaga nakładu energii w postaci ATP W zależności od czasu pracy mięśni, ATP może być uzyskiwany z różnych źródeł Zapasy ATP w komórce wystarczają zaledwie na kilka sekund maksymalnych skurczów Natychmiast po rozpoczęciu wysiłku fizycznego muszą zostać aktywowane procesy biochemiczne mające na celu odtworzenie ATP W komórkach mięśniowych podczas zachodzącej pracy wykorzystywane są procesy o charakterze tlenowym (aerobowym) i beztlenowym (anaerobowym)

Ciąg zdarzeń

1. Pierwsze sekundy: ATP i fosfokreatyna2. Następne sekundy: ATP wytwarzane na drodze

beztlenowej glikolizy3. Następnie: ATP wytwarzane na drodze

metabolizmu tlenowegoBieg i droga pozyskiwania energii: 100m: 90% droga beztlenowa 400m: 75% droga beztlenowa 2 minuty: 50% droga beztlenowa

Wysiłki długotrwałe- wyłącznie droga tlenowa

Źródła ATP w mięśniu szkieletowym

Glukoza

Wolne kwasy tłuszczowe

Aminokwasy

Metabolizm tlenowy

Glikoliza beztlenowa

ATP

Glukoza

Fosfokreatyna

Kreatyna

2 ADP

AMP

Skurcz mięśnia, niektóre reakcje enzymatyczne, transport jonów i innych związków

ATP i fosfokreatyna

energia gotowa zmagazynowana w mięśniach do wykorzystania podczas wysiłków nagłych, o dużej intensywności, nawet bez rozgrzewki decyduje o wyniku w sprincie, skokach, rzutach, uderzeniach Zawartość ATP w mięśniach: 25 mmol/kg suchej masy Ilość wystarczająca na pierwsze sekundy pracy

Wiązanie bogatoenergetyczne Również niewielkie ilości: 75 mmol/kg suchej masy

Odtwarzanie ATP z fosfokreatyny

Reszta fosforanowa fosfokreatyny jest przenoszona na ADP Udział enzymu: kinazy kreatynowej Powstaje ATP i wolna kreatyna

Kreatyna

Kinaza kreatynowa

ADP ATP

Fosfokreatyna

P

Reakcja miokinazowa

Bogata reszta fosforanowa jednego ADP przenoszona na inną cząsteczkę ADP

Powstaje ATP i AMP

2 ADPADP

ADP

P P

P

P

AMP

P

P

ATP P

PMiokinaza

Glikoliza beztlenowa „mleczanowa”

Wysiłki pośrednie (20 sekund - 2minuty) i intensywne

Wykorzystanie cukrów zawartych w mięśniach (glikogen) oraz we krwi (glukoza) bez użycia tlenu

Produkując w ten sposób ATP, organizm produkuje także kwas mlekowy

Wystarczająca ilość tlenu: spalanie glukozy przebiega w sposób kompletny jako jeden z produktów przejściowych powstaje kwas mlekowy jest on natychmiast przekształcany do kwasu cytrynowego, który jest dalej spalany do CO2 i wody w procesie zwanym cyklem kwasu cytrynowego

Deficyt tlenu- GLIKOLIZA BEZTLENOWA

kwas mlekowy nie może być przekształcany do kwasu cytrynowego

i zaczyna się odkładać w tkance mięśniowej

wzrost stężenie kwasu mlekowego- uczucie bólu w trakcie zbyt

intensywnego wysiłku

Kwas mlekowy

jest dość szybko odprowadzany z mięśni przez układ krwionośny następnie ponownie przetwarzany w wątrobie do glukozy w procesie zwanym glukoneogenezą

po 2 godzinach od ustania zbyt intensywnego wysiłku fizycznego, cały kwas mlekowy jest odprowadzany z mięśni

Glikoliza tlenowa

Wysiłki długie (ponad 3 minuty) o mniejszej intensywności - jazda od paru km po maratony. Resynteza ATP w tej strefie- niezbędny tlen Ustabilizowanie dostawy tlenu do komórek mięśniowych- kilka minut Po ustabilizowaniu- produkcja ATP w znacznej mierze przez spalanie glukozy w obecności tlenu Po ok 30-40 minutach wysiłku o umiarkowanej intensywności- włączenie spalanie tłuszczy Dodatkowo w tej strefie, w wypadku niewystarczających zasobów węglowodanów lub tłuszczy, używane mogą być także białka Ich udział jest minimalny, widoczny głównie w przypadku wysiłków typu maraton (w fazie końcowej sięga 10-15 % procent) Nie powoduje gromadzenia się w organizmie kwasu mlekowego taki wysiłek można wykonywać bardzo długo

Substraty energetyczne Każda komórka w tym komórka mięśniowa:

pozyskiwanie ATP w wyniku rozkładu substratówenergetycznych

Dwa źródła dla mięśni Wewnątrzmięśniowe Glikogen

Triacyloglicerole Krew Glukoza

Wolne kwasy tłuszczowe

Ciała ketonowe

Lipoproteiny osocza

Niektóre aminokwasy

Substraty krwiopochodne

GLUKOZA Stężenie na czczo 80-100 mg/dl Wysiłek fizyczny Wzrost stężenia glukozy Uwalnianie na skutek rozkładu glikogenu w wątrobie

Zużycie rośnie w miarę przedłużania się wysiłku Wysiłek długotrwały (maraton, wyścig kolarski) Endogenna produkcja glukozy: za mało Konieczność uzupełniania węglowodanów Brak: hipoglikemia- niedobór dla mięśni i dla mózgu

Glukoza: jej synteza i przemiany

Wytwarzana w wątrobie na dwóch drogach Glikogenoliza: rozkład zmagazynowanego glikogenu Glukoneogeneza: synteza glukozy de novo z mleczanu, glicerolu i aminokwasów glukogennych

Transport glukozy do komórek mięśniowych: Przez glukotransportery 4 GLUT-4

Po spożyciu posiłku węglowodanowego: Wzrost poziomu insuliny Insulina zwiększa liczbę transporterów w błonie komórkowej Wzrost transportu glukozy do wnętrza komórek

Glukoza: jej synteza i przemiany

Wysiłek fizyczny: Obniżenie poziomu insuliny

Mimo to wzrost transportu glukozy do wnętrza kurczących się komórek mięśniowych

Wyjaśnienie: Aktywność skurczowa mięśnia i wzrost stężenia jonów wapnia

= przesunięcie GLUT-4 do błony komórkowej

Rozkład glukozy- glikoliza

Droga tlenowa Droga beztlenowa Pierwszy etap glikolizy- rozkład do pirogronianu Wspólny dla obu dróg

Droga tlenowa: pirogronian wchodzi w cykl Krebsa Droga beztlenowa: pirogronian przekształcany w mleczan Zysk energetyczny: Glikoliza beztlenowa 1 cząsteczka glukozy = 2ATP

Glikoliza tlenowa: 1 cząsteczka glukozy = 38 ATP

Wpływ glukozy na rozwój komórki mięśniowej

AMPK - Kinaza aktywowana 5'AMP:

- Ketogeneza- – oksydacja -Wychwyt glukozy i KT-Aktywność Palmitoilotransferazy I-Wydzielanie insuliny

Glikogen

Glikogen - regulacja

Glikogen - zużycie

Choroba Pompego

Substraty krwiopochodne

WOLNE KWASY TŁUSZCZOWE

Mięsień zużywa wyłącznie niezestryfikowane (wolne) kwasy tłuszczowe

Główne źródło- triacyloglicerole zmagazynowane w tkance tłuszczowej

Karnityna- nośnik do mitochondriów

Katabolizowane wyłącznie na drodze tlenowej

Utlenianie jednej cząsteczki kwasu palmitynowego- 129 ATP

Substraty krwiopochodne

WOLNE KWASY TŁUSZCZOWE

Wysiłek do 40% VO2max pokrycie ponad ½ wydatku energetycznego

Wzrost obciążenia- wzrost wykorzystania węglowodanów

Punkt skrzyżowania Zrównanie wykorzystania węglowodanów i tłuszczy

Najczęściej 40-60% VO2max

Metabolizm nerki

Czynność nerek

Głównym zadaniem nerek jest regulacja objętości i składu krwi oraz płynu pozakomórkowego (utrzymanie stałości środowiska wewnętrznego ustroju – izowolemia, izoosmia, izohydria).

Nerki wraz z układem oddechowym i przy współudziale układów buforowych obecnych we

krwi i płynie pozakomórkowym i śródkomórkowym pozwalają utrzymać prawidłowe pH krwi.

W nerce usuwane są końcowe produkty przemiany materii, a mechanizmy wydalania nadmiaru kwasów z różnych przemian (kwas siarkowy, fosforanowy, mlekowy, moczowy) i oszczędzania zasad zapewniają stabilizację stężenia jonów wodorowych.

Nerka pozwala na zachowanie stałego ciśnienia osmotycznego płynów ustrojowych, które warunkują utrzymanie prawidłowej struktury błony komórkowej i funkcję komórki, usuwając nadmiar wody oraz składników nieorganicznych z krwi (sód, potas, chlor, wapń itp.).

Nerka jest także narządem wewnątrzwydzielniczym (erytropoetyna, renina).

Poprzez wytwarzanie pochodnych cholekalcyferolu, nerka uczestniczy w regulacji gospodarki wapniowo-fosforanowej.

Funkcja nefronu

Nefron jest podstawową jednostką czynnościową nerki i składa się z kłębuszka nerkowego i systemu kanalików.

W każdej nerce znajduje się około 1,2 miliona nefronów. Czynność nerki może być

zachowana jeśli całkowita ilość czynnych nefronów przekracza 30%.

Początek nefronu tworzy kłębek naczyń włosowatych, składający się z ok. pięćdziesięciu włośniczek z tętniczką doprowadzającą i odprowadzającą, otoczony torebką Bowmana.

P roces filtracji (w kłębuszku) jest wynikiem efektywnej różnicy ciśnień między ciśnieniem h ydrostatycznym a onkotycznym w naczyniach kłębuszka.

Ultrafiltrat, czyli mocz pierwotny, swoim składem nie różni się od osocza, z wyjątkiem białek, które jako związki wielkocząsteczkowe w prawidłowych warunkach nie przedostają się przez otwory w naczyniach do moczu.

We wszystkich odcinkach systemu kanalikowego nefronu dochodzi do tworzenia się z moczu pierwotnego moczu ostatecznego. Powstaje on w wyniku zagęszczania i usuwania z m oczu pierwotnego zbędnych metabolitów.

W ciągu doby powstaje ok. 1,5 l moczu ostatecznego (ze 180 litrów! moczu pierwotnego aż 99% wody ulega reabsorpcji).

Knoers NVAM. N Engl J Med. 2005

SIADH - the syndrome of inappropriate antidiuretic hormone secretion

AVP - Arginine VasoPressin = ADH - Antidiuretic Hormonewzrost ciśnienia

osmotycznego osocza krwi i płynu mózgowo-

rdzeniowego, hipowolemia, angiotensyna

II, sen

hamowanie wydzielania ADH

Zagęszczanie moczu przez wazopresynę

wzrost wydzielania ADH

krew

mocz

spadek osmolalności osocza, hiperwolemia

mocz

krew

Zagęszczanie moczu w poszczególnych

odcinkach nefronu – mechanizm działania

wzmacniacza przeciwprądowego (pętla

nefronu przechodzi przez rdzeń nerki,

który jest hipertoniczny względem

zawartości kanalika).

Skład moczu pierwotnego (w ciągu doby

ok. 1,8 l):

szkodliwe produkty przemiany materii,

cukry, sole mineralne, witaminy,

aminokwasy, woda.

Skład moczu ostatecznego (stanowi 0,8%

moczu pierwotnego): płyn

hiperosmotyczny, który nie zawiera białek i

glukozy, o pH 5,5 i żółtej barwie.

Regulacja produkcji moczu

przez hormon antydiuretyczny

(ADH).

Kiedy organizm jest odwodniony, ADH

powoduje przepuszczalność kanalików

zbiorczych dla wody. Więcej wody ulega

resorpcji i powstaje mniejsza ilość bardziej

stężonego moczu.

Kaskada układu renina – angiotensyna – aldosteron (RAA)

Procesy patofizjologiczne, w które zaangażowany jest układ RAAProcesy patofizjologiczne, w które zaangażowany jest układ RAA

Akwaporyny

Typ Miejsce występowania Funkcja

Akwaporyna 1

• nerka (szczytowo) • proksymalny kanalik kręty • proksymalny kanalik prosty • cienkie ramię zstępujące pętli

Henlego

Reabsorpcja wody

Akwaporyna 2

• nerka (szczytowo) • początkowa część kanalika

zbiorczego • korowy kanalik zbiorczy • zewnętrzny rdzeniowy kanalik

zbiorczy • wewnętrzny rdzeniowy kanalik

zbiorczy

Reabsorpcja wody w odpowiedzi na ADH

Akwaporyna 3 • nerka (podstawno-bocznie)

• kanalik zbiorczyReabsorpcja wody

Akwaporyna 4 • nerka (podstawno-bocznie)

• kanalik zbiorczyReabsorpcja wody

Metabolizm żelaza w nerce

Metabolizm glukozy w nerkach

• Nerki są, po wątrobie, drugim najważniejszym miejscem glukoneogenezy (głównie podczas głodzenia). Jej głównym substratem jest szkielet węglowy aminokwasów (zwłaszcza glutaminy).

• Amoniak, produkt tych reakcji, jest wydzielany bezpośrednio do moczu, gdzie działa jako

bufor .

Podczas okresów poważnej hipoglikemii, które mogą się zdarzyć przy uszkodzeniach wątroby, nerki mogą zapewnić odpowiedni poziom glukozy we krwi

W korze nerkowej, glutamina jest preferowanym substratem glukoneogenezy

Glutamina jest wytwarzana przez mięśnie szkieletowe podczas głodzenia jako sposób na pozbycie się azotu pochodzącego z katabolizmu aminokwasów

Rola nerki w glukoneogenezie

W wyniku działania transaminaz grupa aminowa jest przenoszona na alfa-ketoglutaran

Następnie glutaminian jest substratem dla syntazy glutaminy, która przenosi kolejną grupę aminową

Glutamina jest transportowana do nerek gdzie zachodzą odwrotne reakcje , uwalniając amoniak i alfa-katoglutaran

Proces ten ma dwie istotne funkcje:

-Amoniak spontanicznie jonizuje do jonu amonowego i jest ostatecznie wydalany z moczem, jednocześnie pełniąc rolę buforu

-Glukoza produkowana podczas glukoneogenezy może zapewnić organizmowi niezbędne źródło energii

• Procesy koncentracji moczu i transportu substancji zachodzących w nerkach wymagają dużych ilości energii. Dlatego zużycie ATP, zwłaszcza w korze nerkowej, jest wysokie. ATP jest wytwarzany przez metabolizm oksydacyjny glukozy, mleczanu, kwasów tłuszczowych i aminokwasów.

Rola nerek w regulacji gospodarki KZ Reabsorpcja zwrotna wodorowęglanów przesączonych w

kłębuszkach nerkowych Regeneracja wodorowęglanów w procesie wytwarzania kwaśności

miareczkowej i amoniogenezy Wytwarzania HCO3- w cyklu kwasu cytrynowego

w kanaliku dalszym nefronu

Wagner CA, Kidney International, 2008

Pompy protonowe w organizmiew komórkach

okładzinowych żołądka

Olbe L et al., Nature Reviews Drug Discovery, 2003

Główne elektrolity krwi

Luka anionowa w kwasicy metabolicznej

Metaboliczne i oddechowe zmiany we krwi w przebiegu zaburzeń równowagi kwasowo-

zasadowej

http://pl.wikipedia.org/wiki/Gazometria

Prawidłowe wyniki moczu (skład moczu).

Choroby układu moczowego.

Choroby układu moczowego c.d.