ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ ΣΥΣΤΑΛΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΣΥΖΕΥΞΗ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ- ΣΥΣΤΟΛΗΣ

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ ΣΥΣΤΑΛΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΣΥΖΕΥΞΗ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ- ΣΥΣΤΟΛΗΣ Απ. Χατζηευθυμίου Αν. Καθηγήτρια Ιατρικής Φυσιολογίας Βιοφυσική μεμβρανών 2016

2

3 ΣΚΕΛΕΤΙΚΟΙ ΜΥΕΣ

4 Νευρομυϊκή σύναψη Τελική κινητική πλάκα: o επιφάνεια της κυτταροπλασματικής μεμβράνης της μυϊκής ίνας που βρίσκεται κάτω από τη νευρική απόληξη της κινητικής νευρικής ίνας Νευρομυϊκή σύναψη: o σύναψη ενός τερματικού άξονα με μια τελική κινητική πλάκα

5 Ο νευροδιαβιβαστής στη νευρομυϊκή σύναψη είναι η ακετυλοχολίνη και οι υποδοχείς της στην τελική κινητική πλάκα είναι νικοτινικοί

6 Κινητικοί νευρώνες κινητική μονάδα Κινητικοί νευρώνες: νευρικά κύτταρα των οποίων τα σώματα βρίσκονται στα πρόσθια κέρατα του ΝΜ και οι νευράξονες (εμμύελοι, μεγάλης διαμέτρου) νευρώνουν τις ίνες σκελετικού μυός. Άγουν τα δυναμικά ενεργείας με μεγάλη ταχύτητα Κινητική μονάδα: Κινητικός νευρώνας μαζί με τις μυϊκές ίνες που νευρώνει Όταν το δυναμικό ενεργείας παράγεται σε ένα κινητικό νευρώνα όλες οι μυϊκές ίνες της κινητικής μονάδας συστέλλονται

7 Απελευθέρωση ΑΚΧ στη νευρομυϊκή σύναψη

8 Δυναμικό τελικής κινητικής πλάκας Δυναμικό τελικής κινητικής πλάκας (ΕΡΡ): εκπόλωση μετασυναπτικής μεμβράνης λόγω δέσμευσης ακετυλοχολίνης σε νικοτινικούς υποδοχείς Συνήθως το ΕΡΡ μπορεί να παράγει δυναμικό ενεργείας στη μυϊκή ίνα Μiniature end-plate potentials (MEPPS). MEPPS είναι πολλαπλάσια του 0.5 mv και αντιπροσωπεύουν εκπόλωση της μεμβράνης του μυϊκού κυττάρου λόγω απελευθέρωσης ακετυλοχολίνης (κυστίδια) σε συνθήκες ηρεμίας

9 Απομάκρυνση της ακετυλοχολίνης από τη νευρομυϊκή σύναψη

10 Φάρμακα που επηρεάζουν τη νευρομυϊκή σύναψη Κουράριο δηλητήριο στα τόξα ινδιάνων του Αμαζονίου. Αλκαλοειδές από το φυτό Στρύχνος 1932: κλινική χρήση σε τέτανο και σπαστικές ασθένειες 1942: μυϊκή χαλάρωση σε γενική αναισθησία

11 Φάρμακα που επηρεάζουν τη νευρομυϊκή σύναψη Ζιζανιοκτόνα, βιολογικά όπλα Sarin: οργανοφωσφορική ένωση Μπορεί να είναι θανατηφόρο ακόμα και σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις. Ο θάνατος μπορεί να συμβεί μέσα σε 1-10 λεπτά μετά την εισπνοή μίας θανατηφόρου δόσης, λόγω μυϊκή παράλυσης και ασφυξίας, εκτός εάν διατίθεται αντίδοτα, τυπικά ατροπίνη και oxime (pralidoxime) Sarin (red), acetylcholinesterase (yellow), acetylcholine (blue) SAITAMA, JAPAN - NOVEMBER 17

12 Ασθένειες που επηρεάζουν τη νευρομυϊκή σύναψη Αλλαντίαση (αλλαντική τοξίνη) Μυασθένεια

13 Μυασθένεια

14 Σύνδρομο Lambert Eaton

15 Αλλαντίαση Αλλαντίαση: σπάνια αλλά σοβαρή παραλυτική νόσος που προκαλείται από νευροτοξίνη η οποία παράγεται κυρίως από το βακτηρίδιο Clostridium botulinum και αναστέλλει την απελευθέρωση ακετυλοχολίνης

16 Κατανομή ιόντων εκατέρωθεν της κυτταρικής μεμβράνης των σκελετικών μυών Ca mm Na mm Cl mm K mm -80 mv Ca M Na + 15 mm Cl - 5 mm K mm

17 Δυναμικά ενεργείας στις σκελετικές ίνες +130 E Ca I Ca = g ca (E m -E ca ) +60 Em (mv) 0 E Na Diffusion force spike I Na =g Na (E m -E Na ) I K =g K (E m -E k ) I Cl =g Cl (E m -E Cl ) depolarizing afterpotential Electrical force -80 Resting Potential E Cl -98 E K Στα θηλαστικά το ΔΕ αποτελείται από μια αιχμή (spike ) που ακολουθείται από επαναπόλωση (depolarizing afterpotential)

18 Δυναμικά ενεργείας στις σκελετικές ίνες Το δυναμικό ενεργείας δημιουργείται όταν το δυναμικό στην τελική κινητική είναι αρκετό να υπερβεί τον ουδό και προκαλέσει την ενεργοποίηση των τασεο-εξαρτώμενων διαύλων Na + που είναι άφθονα σε όλη την κυτταροπλασματική μεμβράνη. Όταν οι δίαυλοι Na + ενεργοποιηθούν το δυναμικό της μεμβράνης φτάνει περίπου στο δυναμικό που προβλέπεται από την εξίσωση του Nernst για το Na + Η μέγιστη τιμή του δυναμικού ενεργείας είναι περίπου +30 mv.

19 Δυναμικά ενεργείας στις σκελετικές ίνες The Nernst potential is not achieved for two main reasons. First, just as the Na + channels? are activated by membrane voltage changes, a process of inactivation is also initiated as the membrane potential becomes less negative. Inactivation is a slower mechanism than activation, so the Na + current continues to flow for a short period after the onset of inactivation, but not sufficiently to reach the Nernst potential.

20 Δυναμικά ενεργείας στις σκελετικές ίνες The second factor limiting the upstroke of the action potential is the voltage activation of rectifying potassium channels. Their activation is initiated also during the upstroke of the action potential but (in a similar way to Na + channel inactivation) there is a slight delay in channel opening. The resulting K + current, in addition to limiting the peak of the action potential, is also principally responsible for repolarization.

21 Δυναμικά ενεργείας στις σκελετικές ίνες The amplitude of AP is about 120 mv from resting potential of -80 mv to a peak overshoot potential about +30 mv. The threshold potential for triggering the fast Na channels is about -55mV. The maximum increase inward fast Na current occurs at Em -20 mv.

22 Δίαυλοι καλίου 0 Em (mv) spike Δg Na Δg K Skeletal muscle cell membrane has at least 2 types K + channels: (1) Inward-going rectifier (K ions to pass more readily inward than outward). (2) Delayed rectifier The second type of K channels is similar to the usual K channels called delayed rectifier. Depolarizing afterpotential The activation of this channel produces the large increase in total K conductance that helps to terminate the AP. -80

23 Cl entry tends to repolarize the membrane more quickly than would otherwise occur. Ο ρόλος της αγωγιμότητας του Cl The resting membrane potential in skeletal muscle cells is similar to that in neurons, i.e. -70 to -90 mv. Unlike nerve cells, where the resting membrane potential is predominantly a result of K + permeability, skeletal muscle cell resting membrane potential receives a significant contribution from Cl conductance. The Cl permeability and conductance are very high in skeletal muscle much higher than K.

24 Ο ρόλος της αγωγιμότητας του Cl The importance of this Cl current became apparent when the excitability associated with myotonia congenita was found to be a result of chloride channel mutations. The physiological relevance of the Cl current stems from a need to maintain muscle activity during repeated stimulation. When muscle contracts, there is leakage of K + from the cell. With repeated activity there is run-down of the K + concentration gradient across the sarcolemma. Without the Cl current to maintain resting membrane potential, the muscle would not repolarize sufficiently to regenerate the active state of the channels responsible for generation of succeeding action potentials

25 Μετάδοση Δυναμικού ενεργείας στη μυϊκή ίνα Once an action potential has been generated, it spreads as a wave over the sarcolemma. Skeletal muscle sarcolemma is characterized by invaginations called transverse- or T-tubules that run perpendicular to the surface of the cell deep into its body. By passing down the T-tubular membrane, the action potential is carried to the structures responsible for transducing an electrical into a chemical signal that will trigger activation of the contractile elements. The AP propagates at a constant velocity of about 5 m/s over the surface sarcolema

26 Σύζευξη διέγερσης-συστολής Η σύζευξη διέγερσηςσυστολής αναφέρεται στην αλληλουχία γεγονότων που επιφέρει ένα δυναμικό ενέργειας στο σαρκείλημα μιας μυϊκής ίνας και καταλήγει σε κυκλική δραστηριότητα της εγκάρσιας γέφυρας

27 Σύζευξη διέγερσης-συστολής Ένα δυναμικό ενεργείας διαρκεί 1-2ms και ολοκληρώνεται πριν την έναρξη της μηχανικής δραστηριότητας (συστολή) Η μηχανική δραστηριότητα διαρκεί 100ms Άρα Η ηλεκτρική δραστηριότητα (δυναμικό ενεργείας) δεν επιδρά άμεσα στις πρωτεΐνες συστολής

28 Σαρκοπλασματικό δίκτυο Το ασβέστιο στο κυτταρόπλασμα πριν τη συστολή είναι 10-7 Μ mol/l Πηγή αύξησης του ασβεστίου είναι το σαρκοπλασματικό δίκτυο

29 Σαρκοπλασματικό δίκτυο Εγκάρσιοι σωλήνες: o εξωκυττάριος χώρος o διασχίζουν τις μυϊκές ίνες σε κάθε σημείο συμβολής ζωνών Α-Ι o Άγουν το δυναμικό ενεργείας

30

31 Τασεοεξαρτώμενοι δίαυλοι ασβεστίου στους μυς

32 Υποδοχείς διϋδροπυριδίνης We now know that, although the t- tubular dihydropyridine receptors show marked amino acid homology with L- type voltage gated Ca 2+ channels of other tissues, they do not function as Ca 2+ channels. Their role in skeletal muscle is that of voltage sensors. When the action potential arrives in the t-tubule, the change in membrane potential leads to a conformational change in the a-subunit of the dihydropyridine receptor.

33 Υποδοχείς διϋδροπυριδίνης This subunit consists of four transmembrane domains each of six segments. The first and sixth segments of adjacent domains are linked by alternating extracellular and cytoplasmic loops of amino acids.

34 Υποδοχείς διϋδροπυριδίνης The voltage-induced conformational change results in the projection of the cytoplasmic loop between the second and third transmembrane domains deeper into the cytoplasm. Here, charged amino acid residues of the cytoplasmic loop come into proximity with those of a protein projecting towards the cytoplasmic surface of the t-tubule

35 Μυϊκή συστολή Συστολή δεν σημαίνει κατ ανάγκη βράχυνση του μυός αλλά ενεργοποίηση των σημείων δυναμογένεσης των εγκάρσιων γεφυρών σε μια μυϊκή ίνα Μηχανισμός διολίσθησης νηματίων: περιστροφική κίνηση όπως τα κουπιά της βάρκας. Τα παχιά και λεπτά νημάτια δεν αλλάζουν μήκος.

36

37 Κύκλος εγκάρσιας γέφυρας

38 Κάθε εγκάρσια γέφυρα επιτελεί τον δικό της κύκλο ανεξάρτητα από τις άλλες γέφυρες Σε μια δεδομένη στιγμή, κατά τη συστολή, μόνο το 50% των εγκάρσιων γεφυρών είναι προσδεδεμένο στα λεπτά νημάτια παράγοντας κίνηση Το ΑΤΡ δρα ως τροποποιητικό μόριο το οποίο ελέγχει την πρόσδεση της ακτίνης στη μυοσίνη

39 A significant proportion of the force generated by a fiber (>70% in some experiments) depends on transmission of the force successively through structural intracellular proteins to the sarcolemma and extracellular matrix. Crucial to the efficient transmission of forces from the sarcomere to the extracellular matrix are the integrin and dystroglycan complexes that link the latter to the cytoskeletal elements of the sarcomere. The importance of the dystroglycan complex became apparent with the discovery that several of the hereditary dystrophies result from abnormal components of this complex.

40 Λήξη της συστολής-απομάκρυνση ασβεστίου Αντλία ασβεστίου

41

42 ΜΥΟΚΑΡΔΙΟ

43 Δυναμικά ενεργείας στα μυοκαρδιακά κύτταρα Nerve and skeletal muscle APs are relative brief consisting of A rapid depolarization phase A rapid repolarization phase. The entire process of the nerve and skeletal muscle APs is largely complete within a few milliseconds. In cardiac cells, APs are more complex and generally much longer in duration. Thus for example a typical cardiac ventricular AP may be least ms in duration.

44 Δυναμικά ενεργείας στα μυοκαρδιακά κύτταρα In cardiac cells, Unlike for nerve and skeletal muscle cells, APs from different regions of the heart vary substantially in shape.

45 Τύποι καρδιακών κυττάρων There are two primary types of cardiac cells. One cell type is found in the working cells of atria, ventricles, and the specialized conduction cells of the His-Purkinje network. The second type of cardiac cell is found in the sinoatrial and atrioventicular nodes

46 Δυναμικά ενεργείας στα μυοκαρδιακά κύτταρα

47 The L-type calcium current is central to many aspects of cardiac function - Excitation contraction coupling - Calcium influx stimulates calcium release from internal stores - Calcium current is important in automaticity and conduction (nodal AP) - Is a major regulatory site in control of cardiac electrical activity and contraction by neurotransmitters, hormones, intracellular ions e.g Norepinephrine production camp stimulation of camp-dependent protein kinase Phosphorylation of Calcium channels enhance of channel activity

48 Anatomy The anatomy of the heart muscle cell (cardiac myocyte) fits its physiology almost as well as the intercalated discs at the end of the cells fit one another! The extensive branching and interdigitation of the cells helps to provide mechanical cohesion of the cells, but more than this, it provides a substrate for electrical cohesion. Associated with the intercalated discs is a vast network of "gap junctions" linking the sides of the muscle fibres and providing a low resistance pathway for the rapid conduction of electrical current. Heart muscle functions as a syncitium, despite the fact that it is made up of discrete, individual cells

49 How does cardiac muscle differ from skeletal muscle? Differences are numerous, including: Skeletal muscle cells have numerous peripherally located nuclei, in contrast to the single centrally located nuclei of cardiac muscle Cardiac myocytes end in intercalated discs Cardiac myocytes have abundant mitochondria T-tubules ramify through the cytoplasm of cardiac myocytes near the Z line, and not (as in skeletal muscle) at the A-I junction

50 Συστολή των μυοκαρδιακών κυττάρων

51

52

53 Cardiac Excitation-Contraction Coupling Ratcheting cycles occur as long as the cytosolic Ca 2+ remains elevated. At the end of phase 2 of AP, Ca 2+ entry into the cell slows and calcium is sequestered by the SR by an ATPdependent Ca 2+ pump (SERCA, sarcoendoplasmic reticulum calcium-atpase), thus lowering the cytosolic Ca 2+ concentration and removing Ca 2+ from the TN-C. A quantitatively smaller extent, cytosolic Ca 2+ is transported out of the cell by the sodium-calcium-exchange pump. The reduced intracellular Ca 2+ induces a conformational change in the troponin complex leading, once again, to TN-I inhibition of the actin binding site.

54 Ryanodine Receptors: Overview & Structure In skeletal muscle cells the opening of RyR1 appears to be mediated by a direct coupling of RyR to the dihydropyridinesensitive Ca 2+ channel. In cardiac muscle RyR2 is believed to open is response to an influx of Ca 2+ to the cell via dihydropyridine-sensitive Ca 2+ channels in the cell surface membrane; a process referred to as Ca 2+ induced Ca 2+ release.

55 Μεταξύ ινών Purkinje και μυοκυττάρων υπάρχουν ηλεκτρικές συνάψεις

56

57

58 ΛΕΙΕΣ ΜΥΪΚΕΣ ΙΝΕΣ

59 Δομή Μονοπύρηνοι, ικανότητα διαίρεσης Στερούνται ραβδωτού σχεδίου

60 Παχιά (μυοσίνη) και λεπτά νημάτια (ακτίνη) Τα νημάτια ακτίνης αγκυροβολούν είτε στον κυτταροσκελετό είτε στα πυκνά σωμάτια (κυτταρόπλασμα) Η σύσπαση επιτελείται μέσω μηχανισμού ολίσθησης Μυοσίνη λείων μυϊκών ινών = 1/3 γραμμωτών ενώ η ακτίνη είναι διπλάσια Η μέγιστη παραγόμενη τάση ανά επιφάνεια είναι ίδια με εκείνη του γραμμωτού μυός Υπάρχει βέλτιστο μήκος Το εύρος μήκους μέσα στο οποίο ο λείος μυς μπορεί να παράγει τάση είναι μεγαλύτερο από το εύρος του σκελετικού μυός (υψηλή προσαρμοστικότητα)

61 Νεύρα και ορμόνες Απουσία τελικής κινητικής πλάκας κιρσοί Άλλοι νευροδιαβιβαστές προκαλούν εκπόλωση και άλλοι υπερπόλωση Ένας δεδομένος νευροδιαβιβαστής μπορεί να προκαλέσει αντίθετα αποτελέσματα σε διαφορετικές ΛΜΙ Πχ η νορεπινεφρίνη εκπολώνει τις ΛΜΙ των αγγείων ενώ αναστέλλει την αυθόρμητη δραστηριότητα των ΛΜΙ του εντέρου (χάλαση) Οι ΛΜΙ φέρουν υποδοχείς για ορμόνες

62 Τύποι ΛΜΙ (1) Μονοδύναμοι, λείοι μύες απλών μονάδων των οποίων η κυτταροπλασματική μεμβράνη έχει την ικανότητα να μεταδίδει δυναμικά ενεργείας από το ένα κύτταρο στο άλλο μέσω χασματικών συνδέσεων και να εκπολώνεται αυθόρμητα Πχ εντερικού σωλήνα, μήτρας, αιμοφόρων αγγείων (2) Πολυδύναμοι, λείοι μύες πολλαπλών μονάδων, επιδεικνύουν μικρή ή καθόλου μεταβίβαση ηλεκτρικής δραστηριότητας από τη μια ίνα στην άλλη και δεν εκπολώνονται αυθόρμητα Πχ πνευμόνων, μεγάλων αρτηριών

63

64 Τύποι δυναμικών ενεργείας στις ΛΜΙ

65 Αυθόρμητη ηλεκτρική δραστηριότητα της κυτταροπλασματικής μεμβράνης Οι περισσότεροι ΛΜ μπορούν να παράγουν δυναμικά ενεργείας ενώ άλλοι όχι Μερικοί ΛΜ συσπώνται με την εκπόλωση της μεμβράνης ή δυναμικά ενεργείας ενώ άλλοι μπορούν να συσταλούν και απουσία μεταβολής του δυναμικού της μεμβράνης Σε δυναμικά ενεργείας μετακινούνται κατά κύριο λόγο ιόντα ασβεστίου (τασεοεξαρτώμενοι δίαυλοι ασβεστίου) παρά νατρίου Αυθόρμητη ηλεκτρική δραστηριότηταδυναμικά βηματοδότη

66 Παραγωγή αργών κυμάτων Cα 2+ -εξαρτώμενοι δίαυλοι Κ

67 Ενεργοποίηση μεμβράνης Εισερχόμενα σήματα που επηρεάζουν τη συσταλτική δραστηριότητα του λείου μυός 1. αυθόρμητη ηλεκτρική δραστηριότητα της κυτταροπλασματικής μεμβράνης 2. νευροδιαβιβαστές που απελευθερώνονται από τα αυτόνομα νεύρα 3. ορμόνες 4. τοπικές αλλαγές στη χημική σύσταση του εξωκυττάριου υγρού που περιβάλλει την ίνα (παρακρινείς ουσίες, οξύτητα, οξυγόνο, ωσμωμοριακότητα και συγκέντρωση ιόντων) 5. διάταση

68 Συστολή ΛΜΙ και ο έλεγχος της Στις ΛΜΙ δεν υπάρχει τροπονίνη Καλμοδουλίνη Κινάση της ελαφράς αλύσου της μυοσίνης Φωσφατάση της ελαφράς αλύσου της μυοσίνης

69

70 Πηγές κυτοσολικού ασβεστίου (1) σαρκοπλασματικό δίκτυο (2) εξωκυττάριο ασβέστιο Σε κάποιους ΛΜ η συγκέντρωση του ενδοκυττάριου ασβεστίου αρκεί για να διατηρείται ένα χαμηλό επίπεδο ενεργοποίησης των εγκάρσιων γεφυρών χωρίς να υπάρχει κάποιο εξωτερικό ερέθισμα. Η δραστηριότητα αυτή είναι γνωστή ως τόνος λείου μυός.

71

72

73 Receptor modulation of membrane potential Type Transmitter Receptor Adrenergic Norepinephrine, epinephrine A, b Cholinergic Acetylcholine ACh Serotonergic Serotonin 5-HT Nucleotide ATP, adenosine ATP Angiotensin Angiotensin AT Vasopressin Vasopresine VP Endothelin Endothelin ET Prostanoid Prostaglandins E, F, I PG Leukotriens Leukotriene series L Insulin Insulin I Interleukin Interleukin series IL Histamine Histamine H Thromboxane Thromboxane, PGH2 Tx-A2

74