Celluláris

Az izommiocita olyan sejt, amely az összehúzódás speciális funkciójára differenciálódott. Bár a szív-, a váz- és a simaizomsejtek sok közös funkcióval rendelkeznek, nem mindegyiknek azonosak a tulajdonságai, anatómiai szerkezete vagy az összehúzódás mechanizmusa.

Vázizomizom-miocita

A vázizom-mioblasztok (progenitor-miociták) differenciálódnak és többmagvú izomrostokká, úgynevezett myofibrillumokká olvadnak össze, amelyek egységként viselkednek. Ezek a myofibrillumok viszont egymást átfedő vastag és vékony filamentumokból (myofilamentumok) állnak, amelyek hosszanti irányban szarkomerekbe rendeződnek. Így a vázizomrostok rövidülése vagy összehúzódása a szarkomerek rövidülésének eredménye. A vastag filamentumok miozinból állnak, amely egy fehérje polipeptid. Minden egyes miozinmolekulának két globuláris feje van, amelyek a vékony filamentumok megkötésén keresztül vesznek részt az összehúzódásban. A vékony filamentumok közé tartozik az aktin (a miozinfejek kötőhelyét tartalmazza), a tropomiozin és a troponin (három alegysége van: troponin T, troponin I és troponin C). Ezek a szarkomer struktúrák adják a vázizomzat barázdált megjelenését, és jól láthatóak elektronmikroszkópián.

A vázizomsejtek tartalmaznak T-tubulusnak nevezett struktúrákat is, amelyek a szívizomsejt plazmamembránjának nyúlványai. Ezek az extracelluláris tér felé nyitottak, és a depolarizáló potenciálok intracelluláris térbe történő továbbítását szolgálják, lehetővé téve a koordinált összehúzódásokat. A T-tubulusok dihidropiridin-receptorokat is tartalmaznak, amelyek nélkülözhetetlenek a miocita gerjesztését követő összehúzódáshoz. A szarkoplazmatikus retikulum (SR) alapvető struktúra a vázizomzat myocitájában. Ez a kalcium (Ca2+) tárolásának és szabályozásának helye a szívizomsejtben. Az SR terminális ciszternákat tartalmaz, amelyek mechanikusan kapcsolódnak a T tubulusokhoz és a feszültségérzékeny ryanodin-receptorokhoz, amelyek Ca2+-t felszabadító csatornák. Az SR egy Ca2+ -ATPáz csatornával is rendelkezik, amely gerjesztés után Ca2+-t pumpál vissza az SR-be az intracelluláris térből. A vázizomzatban egy T tubulus két terminális ciszternát köt össze hármas elrendezésben.

Az izomösszehúzódás megértésének legnépszerűbb modellje a csúszó filamentum modell, amely a szarkomerek rövidülését ismétlődő miozin/aktin kölcsönhatások révén írja le. Minden egyes kölcsönhatás során a miozin fejek azon dolgoznak, hogy a szomszédos aktin szabad végeket közelebb hozzák a szarkomer középpontjához. A nyugalmi állapotban lévő vázizommiocitában a tropomiozin blokkolja a miozin kötőhelyeit az aktinon.

1. Amikor egy jelentős motoros véglemez depolarizáló potenciál átlépi a vázizommiocita küszöbértékét, a sejt akciós potenciált lő.
2. Ez a depolarizáló potenciál a T tubulusokra terjed, konformációs változást okozva a dihidropiridin receptorokban.
3. A mechanikusan kapcsolt terminális ciszternák szintén konformációs változáson mennek keresztül, ami Ca2+-kibocsátást indukál az SR-ből és megnövekedett intracelluláris Ca2+-koncentrációt.
4. A Ca2+ kötődik a troponin C-hez, ami a troponinban olyan konformációs változást okoz, amely a tropomiozint az aktinon lévő miozinkötő helyről elmozdítja. Megjegyzés: Ca2+ jelenlétében a troponin C ebben a konfigurációban marad, így a miozin kötőhelye az aktinon elérhetővé válik a miozin kölcsönhatásai számára.
5. Először nem kötődik a miozinhoz adenozin-trifoszfát (ATP), ami a miozin aktinhoz kötődését okozza (az ATP tartós hiánya állandó miozin és aktin kölcsönhatást okoz, ez a rigor mortis mechanizmusa).
6. Az ATP ezután megköti a miozint, és a miozin disszociál az aktinnal.
7. Az így megkötött ATP hidrolízise ADP plusz szervetlen foszfátokká változik, ami a miozin “kakas pozícióba” történő változását idézi elő. Megjegyzés: csak az ADP marad a miozinhoz kötve.
8. A miozinfej ezután egy másik kötőhelyen lép kölcsönhatásba az aktinnal.
9. Az ADP felszabadul a miozinból, ami újabb változást okoz, ami az “erővonalat” eredményezi. Ekkor a miozin az aktinhoz kötődik, és további ATP nélkül kötve marad.
10. Egy másik ATP-molekula megköti a miozint. A ciklus folytatódik, a szarkomer rövidül, ahogy a miozin az aktin mentén csúszik.

Relaxáció akkor következik be, amikor csökken a gerjesztő motoros véglemez potenciálja, az akciós potenciálok csökkenése és a miocita repolarizációja. A Ca2+ a Ca2+ -ATPáz pumpák révén visszaszekvenálódik az SR-be, csökken az intracelluláris . Ezek a szívizomsejtek Na+/Ca2+ cserélőket is tartalmaznak a sejtfelszínen, amelyek a Na+ elektrokémiai gradienst felhasználva Na+-ot cserélnek a sejtbe, a sejtből kikerülő Ca2+ ellenében. A Ca2+ disszociál a troponin C-ről, és a tropomiozin ismét blokkolja a miozin kötőhelyeit az aktinon.

A szarkomerrel kapcsolatban az elektronmikroszkópián a következők a legfontosabb tudnivalók. A szarkomer Z-vonalak között jelenik meg, és az összehúzódás ezeket a Z-vonalakat közelíti. A kontrakció mind a H (csak vastag filamentumok), mind az I (csak vékony filamentumok) sávok rövidülését eredményezi. A szarkomerben az A (vastag filamentum hossza a fölötte lévő vékony filamentummal) sáv mindig ugyanolyan hosszú marad.

A következők figyelemre méltó pontok az izomösszehúzódásokkal kapcsolatban. A vázizomzat akaratlagos irányítás alatt áll, kivéve a reflexeket és a rekeszizmot az önkéntelen légzés során. Az alsó motoros neuronok a gerincvelőből innerválják ezeket a miocitákat, és az acetilkolin (ACh) neurotranszmitterre reagálnak. Amikor az ACh megköti receptorait a miocitán, nátriumot (Na+) enged be a sejtbe, ami a fent említett depolarizációt okozza. A maximális izomfeszülés akkor következik be, amikor a vastag és vékony filamentumok optimális átfedése van. Vagyis minden miozinfej kölcsönhatásba tud lépni az aktinnal. Ha az izomrost túlságosan megnyúlik, a vastag és vékony filamentumok kölcsönhatása csökken. Továbbá, ha az izom túlságosan megrövidül, a nagy myozinfejek kiszorítják egymást, csökkentve a myofilamentum kölcsönhatásokat. Végül, az izomrost által összehúzható maximális sebesség csökken, ahogy az izomra ható terhelés növekszik.

Simaizom izomsejtek

A vázizomzathoz hasonlóan a simaizomsejtek is tartalmaznak vastag és vékony filamentumokat. A vázizomtól eltérően azonban ezek a myofilamentumok nem szerveződnek hosszanti szarkomerekbe, és nem tartalmaznak troponint. A szarkomerek hiánya és így a barázdák hiánya adja a simaizomzat nevét. A simaizom-myociták háromféle izomtípust alkotva fuzionálnak. Azokat a miocitákat, amelyek különálló egységként húzódnak össze, több egységből álló simaizomnak nevezzük. Ezek a szem szivárványhártyájában vagy a veseérben találhatók. A több egységből álló simaizom általában erősen innervált és autonóm kontroll alatt áll. Az együttesen összehúzódó simaizomsejteket egyegységes simaizomnak nevezzük. Ezek gyakoribbak, és jelen lehetnek a gyomor-bélrendszerben, a húgyhólyagban és a méhben.

A több egységből álló simaizommal ellentétben az egy egységből álló simaizomsejtek nagymértékben kommunikálnak egymással az összehangolt összehúzódások érdekében. Ezek a sejtek autonóm szabályozás és hormonok vagy neurotranszmitterek általi moduláció alatt állnak. Végül a simaizom-miociták differenciálódhatnak érrendszeri simaizommá. Ezek a sejtek felelősek a vérnyomás szabályozásáért is.

A simaizomzat összehúzódásának mechanizmusa eltér a vázizomzat esetében fentebb leírt mechanizmustól. Azonban a vázizomsejthez hasonlóan az intracelluláris növekedés a kritikus tényező, amely részt vesz az izomkontrakcióban. Több mechanizmus is okozhatja az intracelluláris szint növekedését a simaizom-izomsejtben. A miocita depolarizációja az ACh után megköti receptorait a sejtfelszínen, ami ezt követően megnyitja a feszültségkapcsolt L típusú Ca2+ csatornákat. A Ca2+-csatornák megnyitása a miocita membránján másodlagosan a hormon vagy neurotranszmitter receptorához kötődve (ligandumkapcsolt). A hormonok vagy neurotranszmitterek a Ca2+ felszabadulását indukálják a szarkoplazmatikus retikulumból (SR) az inozitol-1,4,5-trifoszfát (IP3) kapuzott Ca2+ csatornákon keresztül. Függetlenül a megnövekedett , a downstream mechanizmus ugyanaz marad.

1. A Ca2+ egy kalmodulin nevű molekulához kötődik.
2. A Ca2+-kalmodulin komplex ezt követően aktiválja a miozin könnyűlánc-kináz nevű enzimet. (A kinázok a foszforilációt szolgálják).
3. Ezután a miozin könnyűlánc-kináz foszforilálja (foszfátcsoportot ad hozzá) a miozinhoz.
4. A foszforilált miozin az aktinhoz kötődik, és a vázizomnál már említett kereszthíd-cikluson keresztül megkezdődik az összehúzódás. Megjegyzés: A vázizomzatban az ATP izomösszehúzódáshoz való felhasználásának mechanizmusa a simaizomzatban is ugyanez.
5. A miozin könnyűlánc-foszfatáz nevű enzim intracelluláris csökkenése és fokozott aktivitása (eltávolítja a foszfátot a miozinból) relaxációt eredményez.

Az intracelluláris csökken azáltal, hogy ATPáz pumpák vagy a sejtfelszínen lévő Na+/Ca2+ cserélők által visszapumpálják az SR-be.

Megjegyzés: A simaizom összehúzódást vagy relaxációt előidéző hormonok az intracelluláris vagy a miozin könnyűláncú foszfatáz modulálásával teszik ezt. Például a nitrogén-monoxid a miozin könnyűláncú foszfatáz aktivitásának növelésével biztosít relaxációt.

Szívizom-miocita

A szívizom-miocita fiziológiája bonyolultabb, mint a váz- vagy simaizomé, bár van néhány hasonlóság. A szívizomsejt a vázizomzathoz hasonlóan szarkomereket tartalmaz, tehát harántcsíkolt. Az izommiocita rövidülésének mechanizmusa ugyanaz, mint a fent említett vázizomé. A szívizomsejtek egyedi struktúrákkal rendelkeznek, amelyek létfontosságúak a szív megfelelő működéséhez. A sejt perifériáján található interkalációs lemezek fenntartják a myociták közötti tapadást. Az interkalált lemezeknél jelen lévő gap junctions lehetővé teszik a sejtek közötti elektromos kommunikációt. A depolarizációs potenciál gyors terjedése a szomszédos sejtek között segíti az összehangolt összehúzódásokat, ami létfontosságú a túléléshez. A szívizomsejtek T-tubulusokat is tartalmaznak. A vázizomtól eltérően azonban egy T-tubulus egy terminális ciszternához kötődik dyad elrendezésben. A szarkoplazmatikus retikulum jelen van a szívizomsejtekben, és szintén a Ca2+ raktározás funkcióját szolgálja.

A szívizomsejt akciós potenciálja egyedi. Egy 4. fázisnak nevezett nyugalmi fázisból áll, amelyet a sejt permeabilitása tart fenn a sejten kívüli kálium (K+) számára. A 4. fázist a 0. fázis követi, amelyet a feszültségkapcsolt Na+ csatornák megnyílása és a sejtbe történő Na+ beáramlás miatt gyors felütés/depolarizáció jellemez. Az 1. fázis a Na+ csatornák záródása és a feszültségkapcsolt K+ csatornák megnyílása által okozott kezdeti repolarizáció. A 2. fázist nevezzük platófázisnak. A 2. fázisban a Ca2+ a feszültségkapcsolt Ca2+ csatornákon keresztül bejut a sejtekbe, míg a K+ továbbra is elhagyja a sejtet. A befelé és kifelé irányuló kationoknak ez az egyensúlya tartja fenn a platófázist. A 3. fázisban a Ca2+ -csatornák bezáródnak, és a nyitott K+ -csatornákon keresztül történő gyors kiáramlás a sejt repolarizációját eredményezi.

A szívizomsejt az ingerületet kaphatja az SA- vagy AV-csomóban lévő szívpacemaker sejtektől, a His kötegből, a kötegágakból vagy a Purkinje-sejtektől.

1. Az ezekből a sejtekből (általában SA-csomó és AV-csomó) származó akciós potenciál a szívizomsejt membránján a T-tubulusokban terjed.
2. A Ca2+ a 2. fázis során L típusú Ca2+ csatornákon keresztül jut be a sejtbe.
3. A Ca2+ bejutása Ca2+ felszabadulást indukál az SR-ből, más néven Ca2+ indukált Ca2+ felszabadulás.
4. A Ca2+-koncentráció megnő, és képes a Troponin C-t megkötni, valamint a vázizomzat-miocita részben már említett miozin/aktin kereszthíd-ciklust kiváltani.
5. Relaxáció akkor következik be, amikor a Ca2+-t a Ca2+-ATPáz pumpák vagy a sejtmembránon lévő Na+/Ca2+ cserélők felveszik az SR-be.

A szívizom feszültsége és összehúzódási képessége egyenesen arányos az intracelluláris Ca2+ koncentrációval. Így az intracelluláris Ca2+-t növelő tényezők az összehúzódási erő növekedését okozzák. Például a szívfrekvencia növekedésével a Ca2+ elkezd összegyűlni a szívizomsejtben, ami erősebb szívösszehúzódást is eredményez. A preload a végdiasztolés térfogat kifejezése (klasszikusan a jobb pitvari nyomáshoz kapcsolódik). Ha nagyobb vérmennyiség tölti ki a szívkamrát, a szívizomsejtek megnyúlnak, ami erőteljesebb összehúzódásokat eredményez. Ezt a jelenséget Frank-Starling összefüggésnek nevezik, és a Ca2+ koncentráció nyújtás okozta növekedésével hozható összefüggésbe. Ez az összefüggés megfelel a szívbe történő vénás visszaáramlásnak és a szívből származó szívteljesítménynek. Az utóterhelés az a nyomás, amellyel szemben a szívizomsejteknek össze kell húzódniuk. Az összehúzódás maximális sebessége az utóterhelés növekedésével csökken.