Cellular

Miocyt mięśniowy jest komórką, która zróżnicowała się do wyspecjalizowanej funkcji skurczu. Chociaż komórki mięśnia sercowego, szkieletowego i gładkiego mają wiele wspólnych funkcji, nie wszystkie mają identyczne cechy, struktury anatomiczne lub mechanizmy skurczu.

Miocyt mięśnia szkieletowego

Miocyty mięśnia szkieletowego różnicują się i łączą w wielojądrowe włókna mięśniowe zwane miofibrylami, które zachowują się jak jednostka. Te miofibryle z kolei składają się z zachodzących na siebie grubych i cienkich włókien (miofilamentów), które są ułożone podłużnie w sarkomery. Skracanie lub kurczenie się włókien mięśni szkieletowych jest więc wynikiem skracania się sarkomerów. Grube filamenty składają się z miozyny, która jest polipeptydem białkowym. Każda cząsteczka miozyny posiada dwie globularne głowy, które biorą udział w skurczu poprzez wiązanie filamentów cienkich. Do cienkich filamentów należą: aktyna (zawiera miejsce wiązania dla główek miozyny), tropomiozyna i troponina (posiada trzy podjednostki: troponinę T, troponinę I i troponinę C). Te struktury sarkomerów nadają mięśniom szkieletowym ich prążkowany wygląd i są łatwo widoczne w mikroskopii elektronowej.

Miocyty szkieletowe zawierają również struktury zwane kanalikami T, które są przedłużeniami błony plazmatycznej miocytów. Są one otwarte dla przestrzeni zewnątrzkomórkowej i funkcjonują w celu przenoszenia potencjałów depolaryzujących do przestrzeni wewnątrzkomórkowej, umożliwiając skoordynowane skurcze. W kanalikach T znajdują się również receptory dihydropirydynowe, które są niezbędne do skurczu po pobudzeniu miocytu. Siateczka sarkoplazmatyczna (SR) jest podstawową strukturą w miocycie mięśnia szkieletowego. Jest miejscem magazynowania i regulacji stężenia wapnia (Ca2+) w miocycie. SR zawiera terminalne cisternae, które mechanicznie łączą się z kanalikami T i wrażliwymi na napięcie receptorami ryanodynowymi, które są kanałami uwalniającymi Ca2+. SR posiada również kanał Ca2+ -ATPazy, który po pobudzeniu pompuje Ca2+ z powrotem do SR z przestrzeni wewnątrzkomórkowej. W mięśniu szkieletowym jedna cewka T wiąże dwie cysterny końcowe w układzie triady.

Najpopularniejszym modelem służącym do zrozumienia skurczu mięśnia jest model filamentu ślizgowego, który opisuje skracanie sarkomerów przez powtarzające się interakcje miozyny z aktyną. Podczas każdej interakcji, głowy miozyny pracują nad zbliżeniem przyległych wolnych końców aktyny do centrum sarkomeru. W spoczynkowym miocycie mięśnia szkieletowego tropomiozyna blokuje miejsca wiązania miozyny na aktynie.

1. Gdy znaczny potencjał depolaryzujący płytki końcowej silnika pokonuje próg miocytu szkieletowego, komórka wystrzeliwuje potencjał czynnościowy.
2. Ten potencjał depolaryzujący jest propagowany do kanalików T, powodując zmianę konformacyjną w receptorach dihydropirydynowych.
3. Sprzężone mechanicznie cysterny końcowe również ulegają zmianie konformacyjnej, indukując uwalnianie Ca2+ z SR i wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia Ca2+.
4. Ca2+ wiąże się z troponiną C, powodując zmianę konformacyjną troponiny, która przesuwa tropomiozynę z miejsca wiązania miozyny na aktynie. Uwaga: w obecności Ca2+, troponina C pozostaje w tej konfiguracji, pozostawiając miejsce wiązania miozyny na aktynie dostępne dla interakcji miozyny.
5. Na początku, żaden adenozynotrójfosforan (ATP) nie jest związany z miozyną powodując wiązanie miozyny z aktyną (stały brak ATP powoduje stałą interakcję miozyny i aktyny i jest mechanizmem stojącym za rigor mortis).
6. ATP następnie wiąże miozynę i miozyna dysocjuje z aktyną.
7. Hydroliza tego związanego ATP do ADP plus fosforanu nieorganicznego indukuje zmianę miozyny do „pozycji koguciej”. Uwaga: tylko ADP pozostaje przyłączony do miozyny.
8. Głowa miozyny oddziałuje następnie z aktyną w innym miejscu wiązania.
9. ADP jest uwalniany z miozyny powodując kolejną zmianę, której efektem jest „skok mocy”. W tym czasie miozyna jest związana z aktyną i pozostanie związana bez większej ilości ATP.
10. Kolejna cząsteczka ATP wiąże miozynę. Cykl trwa nadal, skracając mięsień, ponieważ miozyna ślizga się wzdłuż aktyny.

Relaksacja występuje, gdy następuje spadek pobudzających potencjałów płytki końcowej silnika, spadek potencjałów czynnościowych i repolaryzacja miocytu. Ca2+ zostaje sekwestrowany z powrotem do SR przez pompy Ca2+ -ATPazy, zmniejszając wewnątrzkomórkowe . Miocyty te zawierają również wymienniki Na+/Ca2+ na powierzchni komórki, które wykorzystują gradient elektrochemiczny Na+ do wymiany Na+ do komórki w zamian za Ca2+ z komórki. Ca2+ dysocjuje z troponiny C, a tropomiozyna ponownie blokuje miejsca wiązania miozyny na aktynie.

Kilka kluczowych punktów do odnotowania na temat sarkomerów w mikroskopii elektronowej jest następujących. Sarkomer pojawia się pomiędzy liniami Z, a skurcz zbliża się do tych linii Z. Skurcz powoduje skrócenie zarówno pasm H (tylko grube filamenty), jak i I (tylko cienkie filamenty). Pasmo A (długość grubego filamentu z nakładającym się cienkim filamentem) w sarkomerze zawsze pozostaje tej samej długości.

Następujące punkty są godne uwagi na temat skurczów mięśni. Mięśnie szkieletowe są pod dobrowolną kontrolą, z wyjątkiem odruchów i przepony podczas mimowolnego oddychania. Dolne neurony ruchowe unerwiają te miocyty z rdzenia kręgowego i reagują na neuroprzekaźnik acetylocholinę (ACh). Kiedy ACh wiąże się ze swoimi receptorami na miocycie, sód (Na+) jest wpuszczany do komórki, powodując depolaryzację, o której mowa powyżej. Maksymalne napięcie mięśnia występuje wtedy, gdy optymalnie zachodzą na siebie grube i cienkie filamenty. Oznacza to, że wszystkie główki miozyny mogą oddziaływać z aktyną. Jeśli włókno mięśniowe jest zbyt mocno rozciągnięte, interakcja filamentów grubych i cienkich zmniejsza się. Ponadto, jeśli mięsień ulegnie zbytniemu skróceniu, duże głowy miozyny wypierają się nawzajem, zmniejszając interakcje miofilamentowe. Wreszcie, maksymalna prędkość, z jaką włókno mięśniowe może się skurczyć, zmniejszy się wraz ze wzrostem obciążenia mięśnia.

Miocyt mięśnia gładkiego

Podobnie jak mięśnie szkieletowe, komórki mięśni gładkich również zawierają grube i cienkie filamenty. Jednakże, w przeciwieństwie do mięśni szkieletowych, te miofilamenty nie są zorganizowane w podłużne sarkomery i nie zawierają troponiny. Brak sarkomerów, a tym samym brak prążków, nadaje mięśniom gładkim ich nazwę. Miocyty mięśnia gładkiego łączą się ze sobą, tworząc trzy rodzaje mięśni. Te miocyty, które kurczą się jako oddzielne jednostki, nazywane są mięśniami gładkimi wielopostaciowymi. Znajdują się one w tęczówce oka lub w naczyniach krwionośnych. Mięsień gładki wielopostaciowy jest zwykle silnie unerwiony i znajduje się pod kontrolą autonomiczną. Komórki mięśni gładkich, które kurczą się razem, nazywane są mięśniami gładkimi jednopodjednostkowymi. Są one bardziej powszechne i mogą być obecne w przewodzie pokarmowym, pęcherzu moczowym i macicy.

W przeciwieństwie do wielopodjednostkowych mięśni gładkich, jednopodjednostkowe komórki mięśni gładkich wysoce komunikować dla skoordynowanych skurczów. Komórki te są pod kontrolą autonomiczną i modulowane przez hormony lub neuroprzekaźniki. Wreszcie, miocyty mięśni gładkich mogą różnicować się w mięśnie gładkie naczyń krwionośnych. Komórki te są również odpowiedzialne za regulację ciśnienia krwi.

Mechanizm skurczu mięśni gładkich różni się od mechanizmu opisanego powyżej dla mięśni szkieletowych. Jednakże, podobnie jak w komórce mięśnia szkieletowego, wzrost wewnątrzkomórkowego jest krytycznym czynnikiem zaangażowanym w skurcz mięśnia. Wiele mechanizmów może powodować wzrost wewnątrzkomórkowego w miocycie mięśnia gładkiego. Depolaryzacja miocytu pod wpływem ACh wiąże jego receptory na powierzchni komórki, co w konsekwencji powoduje otwarcie napięciowo bramkowanych kanałów Ca2+ typu L. Otwarcie kanałów Ca2+ na błonie miocytu wtórnie do związania hormonu lub neuroprzekaźnika z jego receptorem (ligand-gated). Hormony lub neurotransmitery indukują uwalnianie Ca2+ z siateczki sarkoplazmatycznej (SR) przez kanały Ca2+ bramkowane inozytolo-1,4,5-trifosforanem (IP3). Niezależnie od mechanizmu zwiększonego działania, mechanizm działania pozostaje taki sam.

1. Ca2+ wiąże cząsteczkę zwaną kalmoduliną.
2. Kompleks kalmoduliny Ca2+ aktywuje następnie enzym zwany kinazą łańcucha lekkiego miozyny. (Kinazy służą do fosforylacji).
3. Kinaza lekkiego łańcucha miozyny fosforyluje (dodaje grupę fosforanową) miozynę.
4. Fosforylowana miozyna wiąże się z aktyną i rozpoczyna skurcz poprzez cykl mostkowania poprzecznego, o którym mowa powyżej w części dotyczącej mięśni szkieletowych. Uwaga: Mechanizm wykorzystania ATP do skurczu mięśni w mięśniach szkieletowych jest taki sam w mięśniach gładkich.
5. Zmniejszenie wewnątrzkomórkowej i zwiększenie aktywności enzymu zwanego fosfatazą łańcucha lekkiego miozyny (usuwa fosforan z miozyny) powoduje relaksację.

Wewnątrzkomórkowe zmniejsza się poprzez przepompowanie z powrotem do SR przez pompy ATPazy lub przez wymienniki Na+/Ca2+ na powierzchni komórki.

Uwaga: Hormony, które wytwarzają skurcz lub rozkurcz mięśni gładkich, robią to poprzez modulację fosfatazy wewnątrzkomórkowej lub fosfatazy łańcucha lekkiego miozyny. Na przykład, tlenek azotu zapewnia rozluźnienie poprzez zwiększenie aktywności fosfatazy łańcucha lekkiego miozyny.

Miocyt mięśnia sercowego

Fizjologia miocytu sercowego jest bardziej skomplikowana niż mięśnia szkieletowego lub gładkiego, chociaż dzieli pewne podobieństwa. Miocyt sercowy zawiera sarkomery jak mięsień szkieletowy, a więc jest prążkowany. Mechanizm skracania miocytu jest taki sam jak w przypadku wspomnianego wcześniej mięśnia szkieletowego. Miocyty sercowe posiadają unikalne struktury, które są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania serca. Międzykomórkowe krążki, które są obecne na obwodzie komórki, utrzymują adhezję między miocytami. Złącza szczelinowe, które są obecne na tarczach międzykomórkowych, umożliwiają komunikację elektryczną między komórkami. Szybkie rozprzestrzenianie się potencjału depolaryzacyjnego pomiędzy sąsiednimi komórkami pomaga w skoordynowanych skurczach, co jest niezbędne do przeżycia. Miocyty sercowe również zawierają kanaliki T. Jednak w przeciwieństwie do mięśni szkieletowych, jedna cewka T łączy jedną cysternę końcową w układzie dyad. Retikulum sarkoplazmatyczne jest obecne w miocytach sercowych i również pełni funkcję magazynowania Ca2+.

Potencjał czynnościowy w miocycie sercowym jest unikalny. Składa się on z fazy spoczynkowej zwanej fazą 4, która jest utrzymywana przez przepuszczalność komórki dla potasu (K+) poza komórkę. Po fazie 4 następuje faza 0, która charakteryzuje się szybkim wzrostem/depolaryzacją spowodowanym otwarciem kanałów Na+ bramkowanych napięciem i napływem Na+ do komórki. Faza 1 to początkowa repolaryzacja spowodowana zamknięciem kanałów Na+ i otwarciem kanałów K+ zależnych od napięcia. Faza 2 nazywana jest fazą plateau. W fazie 2 Ca2+ wchodzi do komórki przez kanały Ca2+ bramkowane napięciem, podczas gdy K+ nadal opuszcza komórkę. Ta równowaga między kationami wchodzącymi i wychodzącymi utrzymuje fazę plateau. W fazie 3 kanały Ca2+ zamykają się, a gwałtowny odpływ przez otwarte kanały K+ powoduje repolaryzację komórki.

Miocyt serca może otrzymać bodziec z komórek rozrusznika serca w węźle SA lub AV, pęczku Hisa, gałęzi pęczka Hisa lub komórek Purkinjego.

1. Potencjał czynnościowy z tych komórek (na ogół węzła SA i węzła AV), rozprzestrzenia się wzdłuż błony miocytu serca do T-tubul.
2. Ca2+ wnika do komórki podczas fazy 2 przez kanały Ca2+ typu L.
3. Wejście Ca2+ indukuje uwalnianie Ca2+ z SR, zwane inaczej uwalnianiem Ca2+ indukowanym Ca2+.
4. Stężenie Ca2+ wzrasta, a ono może wiązać troponinę C i powodować cykle mostków poprzecznych miozyny/aktyny wspomniane powyżej w części dotyczącej miocytów szkieletowych.
5. Relaksacja następuje, gdy Ca2+ jest pobierany do SR przez pompy Ca2+-ATPazy lub przez wymienniki Na+/Ca2+ na błonie komórkowej.

Napięcie mięśnia sercowego i zdolność do skurczu jest wprost proporcjonalna do wewnątrzkomórkowego stężenia Ca2+. Tak więc czynniki zwiększające wewnątrzkomórkowe Ca2+ powodują wzrost siły skurczu. Na przykład, wraz ze wzrostem częstości akcji serca, Ca2+ zaczyna gromadzić się w miocycie, co skutkuje również silniejszymi skurczami serca. Obciążenie wstępne to termin określający objętość końcoworozkurczową (klasycznie związaną z ciśnieniem w prawym przedsionku). Kiedy większa objętość krwi wypełnia komorę serca, miocyty ulegają rozciągnięciu, co skutkuje silniejszymi skurczami. Zjawisko to nazywane jest zależnością Franka-Starlinga i może być związane z indukowanym przez rozciąganie wzrostem stężenia Ca2+. Zależność ta odpowiada powrotowi żylnemu do serca i rzutowi serca. Obciążenie następcze to ciśnienie, pod wpływem którego miocyty muszą się kurczyć. Maksymalna prędkość skurczu zmniejsza się wraz ze wzrostem obciążenia następczego.