Soluinen

Lihasmyosyytti on solu, joka on erilaistunut supistumiseen erikoistunutta toimintaa varten. Vaikka sydän-, luuranko- ja sileälihassoluilla on paljon yhteisiä toimintoja, niillä kaikilla ei ole samanlaisia ominaisuuksia, anatomisia rakenteita tai supistumismekanismeja.

Luurankolihaslihassolu

Luurankolihaslihassolujen myoblastit (progenitori-myosyytit) erilaistuvat ja fuusioituvat myofibrilleiksi kutsutuiksi monisydinmaisiksi lihassäikeiksi eli myofibrilleiksi, jotka käyttäytyvät yhtenä kokonaisuutena. Nämä myofibrillit puolestaan koostuvat päällekkäisistä paksuista ja ohuista filamenteista (myofilamenteista), jotka on järjestetty pituussuunnassa sarkomeereiksi. Näin ollen luurankolihaskuitujen lyheneminen tai supistuminen on seurausta sarkomeerien lyhenemisestä. Paksut filamentit koostuvat myosiinista, joka on proteiinipolypeptidi. Jokaisella myosiinimolekyylillä on kaksi pallomaista päätä, jotka osallistuvat supistumiseen sitomalla ohuita filamentteja. Ohuisiin filamentteihin kuuluvat aktiini (sisältää myosiinipäiden sitoutumiskohdan), tropomyosiini ja troponiini (sisältää kolme alayksikköä: troponiini T, troponiini I ja troponiini C). Nämä sarkomeerirakenteet antavat luurankolihakselle sen raidallisen ulkonäön, ja ne ovat helposti nähtävissä elektronimikroskopiassa.

Luurankolihassoluissa on myös rakenteita, joita kutsutaan T-tubuluksiksi ja jotka ovat lihassolun plasmakalvon jatkeita. Ne ovat avoimia solunulkoiseen tilaan ja niiden tehtävänä on kuljettaa depolarisoivia potentiaaleja solunsisäiseen tilaan, mikä mahdollistaa koordinoidut supistukset. T-tubulukset sisältävät myös dihydropyridiinireseptoreita, jotka ovat välttämättömiä supistumiselle myosyytin herätyksen jälkeen. Sarkoplasminen retikulum (SR) on luurankolihaksen myosyytin perusrakenne. Se on kalsiumin (Ca2+) varastointi- ja säätelypaikka myosyytissä. SR sisältää terminaalisia sisaruksia, jotka kytkeytyvät mekaanisesti T-tubuluksiin ja jänniteherkkiin ryanodiinireseptoreihin, jotka ovat kanavia, jotka vapauttavat Ca2+:ta. SR:ssä on myös Ca2+ -ATPaasi-kanava, joka pumppaa Ca2+ takaisin SR:ään solunsisäisestä tilasta herätyksen jälkeen. Luustolihaksessa yksi T-tubulus sitoo kahta terminaalista sisternaa kolmiojärjestyksessä.

Suosituin malli lihassupistuksen ymmärtämiseksi on liukuvan filamentin malli, joka kuvaa sarkomeerin lyhenemistä toistuvien myosiinin ja aktiinin vuorovaikutusten avulla. Jokaisen vuorovaikutuksen aikana myosiinin päät pyrkivät tuomaan vierekkäisiä aktiinin vapaita päitä lähemmäs sarkomeerin keskustaa. Lepotilassa olevassa luurankolihasmyosyytissä tropomyosiini estää aktiinin myosiinin sitoutumiskohdat.

1. Kun merkittävä motorisen päätelevyn depolarisaatiopotentiaali ylittää luurankolihasmyosyytin kynnyksen, solu laukaisee aktiopotentiaalin.
2. Tämä depolarisaatiopotentiaali levittäytyy T- tubuluksiin aiheuttaen konformaatiomuutoksen dihydropyridiinireseptoreissa.
3. Mekaanisesti kytkeytyneissä terminaalisissa sisternoissa tapahtuu myös konformaatiomuutos, mikä saa aikaan Ca2+-päästön SR:stä ja lisääntyneen solunsisäisen Ca2+-pitoisuuden.
4. Ca2+ sitoutuu troponiini C:hen aiheuttaen troponiinissa konformaatiomuutoksen, jonka seurauksena tropomyosiini siirtyy pois aktiinissa olevasta myosiiniin sitoutumispaikasta. Huomaa: Ca2+:n läsnä ollessa troponiini C pysyy tässä konfiguraatiossa, jolloin aktiinissa oleva myosiinin sitoutumiskohta jää myosiinin vuorovaikutusten käyttöön.
5. Aluksi myosiiniin ei sitoudu lainkaan adenosiinitrifosfaattia (ATP), mikä saa aikaan sen, että myosiini sitoutuu aktiiniin (ATP:n jatkuva puute aiheuttaa pysyvän myosiinin ja aktiinin vuorovaikutuksen, ja se on kuolonkankeuden mekanismi).
6. ATP sitoo sitten myosiinia ja myosiini irrottautuu aktiinista.
7. Tämän sidotun ATP:n hydrolyysi ADP:ksi plus epäorgaaninen fosfaatti saa aikaan myosiinin muuttumisen ”kukkoasentoon”. Huomaa: vain ADP jää kiinnittyneenä myosiiniin.
8. Myosiinin pää vuorovaikuttaa sitten aktiinin kanssa toisessa sitoutumiskohdassa.
9. ADP vapautuu myosiinista aiheuttaen toisen muutoksen, jonka tuloksena syntyy ”voimanotto”. Tällä hetkellä myosiini on sitoutunut aktiiniin ja pysyy sidottuna ilman lisää ATP:tä.
10. Toinen ATP-molekyyli sitoo myosiinia. Sykli jatkuu, jolloin sarkomeeri lyhenee, kun myosiini liukuu aktiinia pitkin.

Relaksaatio tapahtuu, kun eksitatoriset motoriset päätepysäkkipotentiaalit vähenevät, aktiopotentiaalit vähenevät ja myosyytti repolarisoituu. Ca2+ sekvensoituu takaisin SR:ään Ca2+ -ATPaasi-pumppujen avulla, jolloin solunsisäinen . Nämä myosyytit sisältävät solun pinnalla myös Na+/Ca2+-vaihtimia, jotka käyttävät Na+ -elektrokemiallista gradienttia vaihtaakseen Na+:aa soluun ja Ca2+:aa pois solusta. Ca2+ disassosioituu troponiini C:stä, ja tropomyosiini blokkaa jälleen myosiinin sitoutumiskohdat aktiinissa.

Joitakin sarkomeeriin liittyviä keskeisiä seikkoja elektronimikroskopiassa ovat seuraavat. Sarkomeeri näkyy Z-viivojen välissä, ja supistuminen lähestyy näitä Z-viivoja. Supistuminen johtaa sekä H- (vain paksut filamentit) että I-kaistan (vain ohuet filamentit) lyhenemiseen. Sarkomeerin A-kaista (paksun filamentin pituus, jonka yläpuolella on ohut filamentti) pysyy aina samanpituisena.

Seuraavat ovat huomionarvoisia seikkoja lihassupistuksista. Luustolihas on tahdonalaisen kontrollin alainen, lukuun ottamatta refleksejä ja palleaa tahattoman hengityksen aikana. Alemmat motoneuronit innervoivat näitä lihassoluja selkäytimestä ja reagoivat välittäjäaine asetyylikoliiniin (ACh). Kun ACh sitoutuu reseptoreihinsa myosyytissä, natrium (Na+) pääsee soluun, mikä aiheuttaa edellä mainitun depolarisaation. Suurin lihasjännitys syntyy, kun paksut ja ohuet säikeet ovat optimaalisesti päällekkäin. Toisin sanoen kaikki myosiinin päät voivat olla vuorovaikutuksessa aktiinin kanssa. Jos lihassyytä venytetään liikaa, paksujen ja ohuiden filamenttien vuorovaikutus vähenee. Lisäksi jos lihas lyhenee liian paljon, suuret myosiinipäät syrjäyttävät toisensa, jolloin myofilamenttien vuorovaikutus vähenee. Lopuksi, maksiminopeus, jolla lihaskuitu voi supistua, pienenee lihakseen kohdistuvan kuormituksen kasvaessa.

Sileälihaslihassolu

Samoin kuin luurankolihaksissa, myös sileissä lihassoluissa on paksuja ja ohuita filamentteja. Toisin kuin luurankolihaksessa, nämä myofilamentit eivät kuitenkaan ole järjestäytyneet pitkittäisiksi sarkomeereiksi, eivätkä ne sisällä troponiinia. Sarkomeerien ja siten juovien puuttuminen antaa sileälle lihakselle sen nimen. Sileän lihaksen myosyytit fuusioituvat muodostaen kolmenlaisia lihaksia. Niitä myosyyttejä, jotka supistuvat erillisinä yksikköinä, kutsutaan moniyksikköisiksi sileiksi lihaksiksi. Niitä on silmän iiriksessä tai siemenjohtimessa. Moniyksikköinen sileä lihas on yleensä hyvin innervoitunut ja autonomisen kontrollin alainen. Sileitä lihassoluja, jotka supistuvat yhdessä, kutsutaan yhden yksikön sileiksi lihaksiksi. Ne ovat yleisempiä, ja niitä voi esiintyä ruoansulatuskanavassa, virtsarakossa ja kohdussa.

Toisin kuin moniyksikköiset sileät lihassolut, yksiyksikköiset sileät lihassolut kommunikoivat voimakkaasti koordinoituja supistuksia varten. Nämä solut ovat autonomisen kontrollin ja hormonien tai välittäjäaineiden moduloinnin alaisia. Lopuksi sileän lihaksen myosyytit voivat erilaistua verisuonten sileäksi lihakseksi. Nämä solut vastaavat myös verenpaineen säätelystä.

Sileän lihaksen supistumismekanismi eroaa edellä luurankolihakselle kuvatusta mekanismista. Kuitenkin aivan kuten luurankolihassolussa, solunsisäinen lisäys on kriittinen tekijä, joka osallistuu lihassupistukseen. Useat mekanismit voivat aiheuttaa solunsisäisen kasvun sileän lihaksen myosyytissä. Myosyytin depolarisaatio ACh:n sitouduttua sen reseptoreihin solun pinnalla, mikä avaa jännitevälirakenteiset L-tyypin Ca2+-kanavat. Ca2+-kanavien avautuminen myosyytin kalvolla sekundaarisesti sen jälkeen, kun hormoni tai välittäjäaine sitoo reseptorinsa (ligandi-portoitu). Hormonit tai välittäjäaineet saavat aikaan Ca2+:n vapautumisen sarkoplasmisesta retikulumista (SR) inositoli-1,4,5-trifosfaatti (IP3) -portattujen Ca2+ -kanavien kautta. Riippumatta lisääntymisen mekanismista , alavirran mekanismi pysyy samana.

1. Ca2+ sitoutuu kalmoduliini-nimiseen molekyyliin.
3. Ca2+-kalmoduliinikompleksi aktivoi tämän jälkeen entsyymin nimeltä myosiinin kevytketjukinaasi. (Kinaasit palvelevat fosforylaatiota).
4. Sitten myosiinin kevytketjukinaasi fosforyloi (lisää fosfaattiryhmän) myosiiniin.
5. Fosforyloitu myosiini sitoutuu aktiiniin ja aloittaa supistumisen edellä luurankolihaksen kohdalla mainitussa poikkisilloitussyklissä. Huomautus: ATP:n käyttömekanismi lihassupistukseen luurankolihaksessa on sama sileässä lihaksessa.
6. Myosiinin kevyen ketjun fosfataasiksi kutsutun entsyymin (poistaa fosfaattia myosiinista) solunsisäisen aktiivisuuden väheneminen ja aktiivisuuden lisääntyminen saa aikaan relaksaation.

Intrasellulaarinen vähenee pumppaamalla ATPaasipumput tai solun pinnalla olevat Na+/Ca2+-vaihtimet takaisin SR:ään.

Huomautus: Hormonit, jotka saavat aikaan sileän lihaksen supistumisen tai relaksaation, tekevät sen moduloimalla intrasellulaarista tai myosiinin kevytketjun fosfataasia. Esimerkiksi typpioksidi saa aikaan relaksaatiota lisäämällä myosiinin kevyen ketjun fosfataasiaktiivisuutta.

Sydänlihaksen myosyytti

Sydänlihaksen myosyytin fysiologia on monimutkaisempi kuin luurankolihaksen tai sileän lihaksen, vaikkakin sillä on joitakin yhtäläisyyksiä. Sydämen myosyytti sisältää sarkomeereja kuten luurankolihas, joten se on juovikas. Lihasmyosyytin lyhenemismekanismi on sama kuin edellä mainitun luurankolihaksen. Sydänlihassoluilla on ainutlaatuisia rakenteita, jotka ovat elintärkeitä sydämen moitteettoman toiminnan kannalta. Solun periferiassa olevat interkaloituneet levyt ylläpitävät myosyyttien välistä tarttuvuutta. Välilevyissä olevat rakoliitokset mahdollistavat solujen välisen sähköisen viestinnän. Depolarisoivan potentiaalin nopea leviäminen vierekkäisten solujen välillä auttaa koordinoidussa supistumisessa, mikä on elintärkeää eloonjäämisen kannalta. Sydänlihassoluissa on myös T-tubuluksia. Toisin kuin luurankolihaksessa, yksi T-tubulus sitoo kuitenkin yhden terminaalisen cisternan dyad-järjestyksessä. Sydänlihassoluissa on sarkoplasminen retikulum, jonka tehtävänä on myös Ca2+:n varastointi.

Sydänlihassolun toimintapotentiaali on ainutlaatuinen. Se koostuu lepovaiheesta, jota kutsutaan vaiheeksi 4 ja jota ylläpitää solun läpäisevyys kaliumille (K+) solusta ulos. Vaihetta 4 seuraa vaihe 0, jolle on ominaista nopea nousu/depolarisaatio, joka johtuu jänniteohjattujen Na+-kanavien avautumisesta ja Na+:n sisäänvirtauksesta soluun. Vaihe 1 on Na+ -kanavien sulkeutumisen ja jänniteohjattujen K+ -kanavien avautumisen aiheuttama alkurepolarisaatio. Vaihetta 2 kutsutaan tasovaiheeksi. Vaiheessa 2 Ca2+ tunkeutuu soluihin jänniteohjattujen Ca2+ -kanavien kautta, kun taas K+ jatkaa poistumistaan solusta. Tämä sisään- ja ulospäin suuntautuvien kationien tasapaino ylläpitää tasovaihetta. Vaiheessa 3 Ca2+ -kanavat sulkeutuvat ja nopea ulosvirtaus avoimien K+ -kanavien kautta johtaa solun repolarisaatioon.

Sydänlihassolu voi saada ärsykkeen SA- tai AV-solmukkeessa olevilta sydämen tahdistinsoluilta, Hisin nipusta, nippuhaarakkeista tai Purkinje-soluista.

1. Aktiopotentiaali näiltä soluilta (tavallisimmin SA- ja AV- solmukkeesta) leviää sydänlihassolukon kalvoa pitkin T-tubuluksiin.
3. Ca2+ tunkeutuu soluun vaiheen 2 aikana L-tyypin Ca2+-kanavien kautta.
4. Ca2+ tunkeutuminen indusoi Ca2+:n vapautumisen SR:stä, jota kutsutaan muulla tavoin Ca2+:n aiheuttamaksi Ca2+:n vapautumiseksi.
5. Ca2+ -pitoisuudet kasvavat, ja se voi sitoa troponiini C:tä ja aiheuttaa edellä luurankomyosyyttiosuudessa mainitun myosiini/aktiini-ristisiltapyörityksen.
6. Relaksaatio tapahtuu, kun Ca2+:aa otetaan SR:ään Ca2+-ATPaasipumppujen tai solukalvolla sijaitsevien Na+ /Ca2+ -vaihtajien avulla.

Sydänlihaksen jännitys ja supistumiskyky on suoraan verrannollinen solunsisäiseen Ca2+ -pitoisuuteen. Siten tekijät, jotka lisäävät solunsisäistä Ca2+ -pitoisuutta, aiheuttavat supistumisvoiman lisääntymisen. Esimerkiksi sydämen sykkeen kasvaessa Ca2+ alkaa kerääntyä myosyyttiin ja johtaa myös voimakkaampiin sydämen supistuksiin. Preload on termi loppudiastoliselle tilavuudelle (liittyy klassisesti oikean eteisen paineeseen). Kun suurempi veritilavuus täyttää sydämen kammion, myosyytit venyvät, mikä johtaa voimakkaampiin supistuksiin. Tätä ilmiötä kutsutaan Frank-Starling-suhteeksi, ja se voi liittyä venytyksen aiheuttamaan Ca2+ -pitoisuuden nousuun. Tämä suhde vastaa laskimopaluuta sydämeen ja sydämen tuottoa sydämestä. Jälkikuormitus on paine, jota vastaan myosyyttien on supistuttava. Supistumisen maksiminopeus pienenee jälkikuorman kasvaessa.