Cellulär

Muskelmyocyten är en cell som har differentierats för den specialiserade funktionen kontraktion. Även om hjärt-, skelett- och glatta muskelceller har många gemensamma funktioner har de inte alla identiska egenskaper, anatomiska strukturer eller kontraktionsmekanismer.

Skelettmuskelmyocyten

Skelettmuskelmyoblaster (progenitor myocyter) differentierar och smälter samman till flerkärniga muskelfibrer, så kallade myofibriller, som beter sig som en enhet. Dessa myofibriller består i sin tur av överlappande tjocka och tunna filament (myofilamenter) som är ordnade längsgående i sarkomerer. Förkortning eller sammandragning av skelettmuskelfibrer är således ett resultat av att sarkomerer förkortas. Tjocka filament består av myosin, som är en proteinpolypeptid. Varje myosinmolekyl har två globulära huvuden som deltar i sammandragningen genom att binda de tunna filamenten. Tunna filament omfattar aktin (innehåller en bindningsplats för myosinhuvudena), tropomyosin och troponin (har tre underenheter: troponin T, troponin I och troponin C). Dessa sarkomerstrukturer ger skelettmuskulaturen dess randiga utseende och är lätt synliga på elektronmikroskopi.

Skelettmyocyter innehåller också strukturer som kallas T-tubuli som är förlängningar av myocytens plasmamembran. De är öppna mot det extracellulära utrymmet och fungerar för att föra depolariserande potentialer till det intracellulära utrymmet, vilket möjliggör samordnade kontraktioner. T-tubuli innehåller också dihydropyridinreceptorer som är viktiga för kontraktion efter myocytens excitation. Det sarkoplasmatiska retikulumet (SR) är en grundläggande struktur i skelettmuskelmyocyten. Det är platsen för lagring och reglering av kalcium (Ca2+) i myocyten. SR innehåller terminala cisterner som mekaniskt kopplas samman med T-tubuli och spänningskänsliga ryanodinreceptorer som är kanaler som frigör Ca2+. SR har också en Ca2+ -ATPase-kanal som pumpar tillbaka Ca2+ till SR från det intracellulära utrymmet efter excitation. I skelettmuskulaturen binder en T-tubul till två terminala cisterner i ett triadarrangemang.

Den mest populära modellen för att förstå muskelkontraktion är glidfilamentmodellen, som beskriver förkortning av sarkomerer genom återkommande myosin/actin-interaktioner. Under varje interaktion arbetar myosinhuvudena för att föra intilliggande aktinfria ändar närmare sarkomerens centrum. I den vilande skelettmuskelmyocyten blockerar tropomyosin myosinets bindningsställen på aktin.

1. När en betydande depolariserande potential från motorändplattan överskrider tröskelvärdet i skelettmuskelmyocyten avfyrar cellen en aktionspotential.
2. Denna depolariserande potential fortplantar sig till T-tubulerna och orsakar en konformationsförändring i dihydropyridinreceptorerna.
3. De mekaniskt kopplade terminala cisternerna genomgår också en konformationsförändring, vilket inducerar Ca2+-frisättning från SR och ökad intracellulär Ca2+koncentration.
4. Ca2+ binder till troponin C, vilket orsakar en konformationsförändring i troponin som flyttar tropomyosin från myosinbindningsstället på aktin. Observera: i närvaro av Ca2+ förblir troponin C i denna konfiguration, vilket gör att myosinbindningsstället på aktin blir tillgängligt för myosininteraktioner.
5. I början är inget adenosintrifosfat (ATP) bundet till myosin, vilket gör att myosin binder till aktin (permanent avsaknad av ATP orsakar en permanent interaktion mellan myosin och aktin och är mekanismen bakom rigor mortis).
6. ATP binder sedan myosin och myosin dissocieras från aktin.
7. Hydrolys av detta bundna ATP till ADP plus oorganiskt fosfat inducerar en förändring av myosin till ”cocked position”. Observera: endast ADP förblir fäst vid myosin.
8. Myosinhuvudet interagerar sedan med aktin vid en annan bindningsplats.
9. ADP frigörs från myosin vilket orsakar ytterligare en förändring som resulterar i ”kraftslaget”. Vid denna tidpunkt är myosin bundet till aktin och kommer att förbli bundet utan mer ATP.
10. En annan ATP-molekyl binder myosin. Cykeln fortsätter och sarkomeren förkortas när myosin glider längs med aktinet.

Relaxering inträffar när det sker en minskning av excitatoriska motoriska slutplattanspotentialer, en minskning av aktionspotentialer och repolarisering av myocyten. Ca2+ blir sekretessbelagd tillbaka till SR av Ca2+ -ATPase-pumparna, vilket minskar den intracellulära . Dessa myocyter innehåller också Na+/Ca2+-växlare på cellytan som använder den elektrokemiska gradienten Na+ för att växla Na+ in i cellen i utbyte mot Ca2+ ut ur cellen. Ca2+ dissocieras från troponin C och tropomyosin blockerar återigen myosinbindningsställena på aktin.

Några viktiga punkter att notera om sarkomeren på elektronmikroskopi är följande. Sarkomeren framträder mellan Z-linjer, och kontraktionen närmar sig dessa Z-linjer. Kontraktion resulterar i en förkortning av både H- (endast tjocka filament) och I-banden (endast tunna filament). A-bandet (längden på ett tjockt filament med överliggande tunt filament) i sarkomeren förblir alltid lika långt.

Följande är anmärkningsvärda punkter om muskelsammandragningar. Skelettmuskulaturen är under frivillig kontroll, med undantag för reflexer och diafragman under ofrivillig andning. Nedre motoriska neuroner innerverar dessa myocyter från ryggmärgen och reagerar på neurotransmittorn acetylkolin (ACh). När ACh binder sina receptorer på myocyten släpps natrium (Na+) in i cellen, vilket orsakar den depolarisering som nämns ovan. Maximal muskelspänning uppstår när det finns en optimal överlappning av tjocka och tunna filament. Det vill säga att alla myosinhuvuden kan interagera med aktin. Om muskelfibern sträcks för mycket minskar interaktionen mellan tjocka och tunna filament. Om muskeln dessutom förkortas för mycket tränger de stora myosinhuvudena ut varandra, vilket minskar myofilamentinteraktionen. Slutligen kommer den maximala hastigheten som en muskelfiber kan kontrahera att minska när belastningen på muskeln ökar.

Smooth Muscle Myocyte

I likhet med skelettmuskulaturen innehåller även glatta muskelceller tjocka och tunna filament. Men till skillnad från skelettmuskulaturen är dessa myofilament inte organiserade i längsgående sarkomerer, och de innehåller inte troponin. Avsaknaden av sarkomerer och därmed avsaknaden av strimmor ger den släta muskeln sitt namn. Glatta muskelmyocyter smälter samman och bildar tre typer av muskler. De myocyter som drar ihop sig som separata enheter kallas multiunit smooth muscle. De finns i ögats iris eller i vas deferens. Glatt muskulatur med flera enheter är vanligtvis starkt innerverad och står under autonom kontroll. Glatta muskelceller som drar ihop sig kallas för glatt muskulatur i enstaka enheter. De är vanligare och kan finnas i mag-tarmkanalen, urinblåsan och livmodern.

I motsats till multiunit smooth muscle kommunicerar single-unit smooth muscle-celler i hög grad för samordnade sammandragningar. Dessa celler står under autonom kontroll och modulering av hormoner eller neurotransmittorer. Slutligen kan glatta muskelmyocyter differentiera sig till vaskulär glatt muskulatur. Dessa celler är också ansvariga för regleringen av blodtrycket.

Mekanismen för sammandragning av glatta muskler skiljer sig från den mekanism som beskrivs ovan för skelettmuskulaturen. I likhet med en skelettmuskelcell är dock en ökning av den intracellulära mängden den kritiska faktorn som är inblandad i muskelkontraktionen. Flera mekanismer kan orsaka en ökning av intracellulär i den glatta muskelmyocyten. Depolarisering av myocyten efter att ACh binder sina receptorer på cellytan, vilket därefter öppnar spänningsstyrda Ca2+-kanaler av L-typ. Öppning av Ca2+-kanaler på myocytmembranet sekundärt till att ett hormon eller en neurotransmittor binder sin receptor (ligandstyrd). Hormoner eller neurotransmittorer inducerar frisättning av Ca2+ från det sarkoplasmatiska retikulumet (SR) genom inositol 1,4,5-trifosfat (IP3) styrda Ca2+-kanaler. Oavsett mekanismen för ökad , förblir nedströmsmekanismen densamma.

1. Ca2+ binder en molekyl som kallas calmodulin.
2. Ca2+-calmodulin-komplexet aktiverar därefter ett enzym som kallas myosin light-chain kinase. (Kinaser tjänar syftet med fosforylering).
3. Därefter fosforylerar (lägger till en fosfatgrupp) myosin light-chain kinase till myosin.
4. Fosforylerat myosin binder sig till aktin och påbörjar kontraktion genom den tvärbryggningscykel som nämns ovan under skelettmuskulaturen. Anmärkning: Mekanismen för att använda ATP för muskelkontraktion i skelettmuskulaturen är densamma som i glatt muskulatur.
5. En minskning av den intracellulära och en ökad aktivitet av ett enzym som kallas myosin light-chain phosphatase (avlägsnar fosfat från myosin) ger relaxation.

Intracellulär minskar genom att pumpas tillbaka till SR av ATPasepumpar eller av Na+/Ca2+-utbytare på cellytan.

Anmärkning: Hormoner som producerar kontraktion eller relaxation av glatt muskulatur gör det genom att modulera intracellulärt eller myosin light-chain phosphatase. Till exempel ger kväveoxid avslappning genom att öka myosinljuskedjefosfatasaktiviteten.

Hjärtmuskelmyocyten

Hjärtmuskelmyocytens fysiologi är mer invecklad än skelettmuskelns eller den glatta muskulaturen, även om den har vissa likheter. Hjärtmyocyten innehåller sarkomerer likt skelettmuskulaturen och är således strimmig. Mekanismen för muskelmyocytens förkortning är densamma som för skelettmuskulaturen som nämns ovan. Hjärtmuskelmyocyter har unika strukturer som är viktiga för att hjärtat ska fungera korrekt. Interkalerade skivor som finns i cellens periferi upprätthåller vidhäftningen mellan myocyter. Gap junctions, som finns vid interkalerade skivor, möjliggör elektrisk kommunikation mellan cellerna. Den snabba spridningen av den depolariserande potentialen mellan angränsande celler bidrar till samordnade sammandragningar, vilket är avgörande för överlevnaden. Hjärtmyocyter innehåller också T-tubuli. Till skillnad från skelettmuskulaturen binder dock en T-tubuli en terminal cistern i ett dyadarrangemang. Det sarkoplasmatiska retikulumet finns i hjärtmuskelceller och har också funktionen att lagra Ca2+.

Aktionspotentialen i en hjärtmuskelcell är unik. Den består av en vilofas som kallas fas 4 och som upprätthålls av cellens permeabilitet för kalium (K+) ut ur cellen. Fas 4 följs av fas 0, som kännetecknas av en snabb uppgång/depolarisering på grund av öppnandet av spänningsstyrda Na+-kanaler och Na+-inflöde till cellen. Fas 1 är den inledande repolariseringen som orsakas av stängningen av Na+-kanaler och öppnandet av spänningsstyrda K+-kanaler. Fas 2 kallas platåfasen. I fas 2 kommer Ca2+ in i cellerna genom spänningsstyrda Ca2+-kanaler, medan K+ fortsätter att lämna cellen. Denna balans mellan inkommande och utgående katjoner upprätthåller platåfasen. I fas 3 stängs Ca2+-kanalerna och det snabba utflödet genom öppna K+-kanaler resulterar i repolarisering av cellen.

Hjärtmuskeln kan få sin stimulans från pacemakerceller i SA- eller AV-knutan, His-bunten, buntgrenarna eller Purkinje-cellerna.

1. Aktionspotentialen från dessa celler (i allmänhet SA-knutan och AV-knutan) sprider sig längs hjärtmuskelns membran till T-tubuli.
2. Ca2+ kommer in i cellen under fas 2 genom Ca2+-kanaler av L-typ.
3. Ca2+-inträde inducerar Ca2+-frisättning från SR, annars kallad Ca2+-inducerad Ca2+-frisättning.
4. Ca2+-koncentrationerna ökar, och det kan binda Troponin C och orsaka myosin/actin-korsbrocykling som nämns ovan i avsnittet om skelettmyocyter.
5. Relaxering inträffar när Ca2+ tas upp i SR av Ca2+-ATPas-pumpar eller av Na+/Ca2+-utbytare på cellmembranet.

Hjärtmuskelspänningen och förmågan att kontrahera är direkt proportionell mot den intracellulära Ca2+-koncentrationen. Faktorer som ökar det intracellulära Ca2+ orsakar således en ökning av kontraktionskraften. Med ökad hjärtfrekvens börjar till exempel Ca2+ samlas i myocyten och resulterar också i starkare hjärtkontraktioner. Preload är en term för den enddiastoliska volymen (klassiskt relaterad till trycket i höger förmak). När mer blodvolym fyller en hjärtkammare sträcker sig myocyterna och resulterar i kraftigare sammandragningar. Detta fenomen kallas Frank-Starling-förhållandet och kan vara relaterat till en sträckinducerad ökning av Ca2+-koncentrationen. Detta förhållande stämmer överens med det venösa återflödet till hjärtat och hjärtminutvolymen från hjärtat. Efterbelastning är det tryck mot vilket myocyterna måste kontrahera. Den maximala kontraktionshastigheten minskar med ökad efterbelastning.