A harántcsíkolt izom és működése

A gerincesek vázizomzata harántcsíkolt izomból áll, feladata pedig a vázelemek (csontok) elmozdítása egymáshoz képest így téve lehetővé a hely vagy helyzetváltoztató mozgást. A vázizomzat emberben a testtömeg 40-50%-át alkotja (némileg edzettség és nem függő is).

A harántcsíkolt izom és működése

Harántcsíkolt izom

Általánosan a vázizomról...

A vázizomrostok átmérője emberben 10-100 μm, hosszuk pedig elérheti akár a 40 cm-t is. A vázizom működésénél döntő szerepet játszanak a feszültségfüggő gyors Na+ és a késői típusú K+ csatornák, ugyanis ezek teszik lehetővé az akciós potenciál keletkezését és terjedését. Az őket körülvevő sarcolemma felépítése azonos más ingerlékeny membránokéval. A vázizomrost intracelluláris terében találhatóak a myofilamentumok. A vastagok vázát a miozin, a vékonyakét az aktin molekulák alkotják. Reguláló molekulák a tropomiozin és a troponin, tartó pedig a titin, konnektin és az alfa aktinin. Az izomroston belül a myofilamentumok myofibrillumokba tömörülnek, ezeket pedig a sarkoplazmatikus retikulum veszi körbe. A sarcoplazma retikulumot a rost hossztengelyével párhuzamosan elhelyezkedő longitudinális (L) tubulusok alkotják. A sarcoplazmában vannak az ún. transzverzális (T) tubulusok, melyek a felszíni membrán betüremkedésével jöttek létre. A sarcoplazma retikulum belső membránrendszerének felépítése biztosítja az egyidejű gyors Ca2+ felszabadulást s így a Ca2+ koncentráció növekedését az intracelluláris tér egészében. Az, hogy a kontrakció megbízhatóan kiváltható 3 fő tényező következménye:

- 1:1 arányú neuromuscularis junkció csatolás

- kontraktilis fehérjék elrendeződése

- SR gyors Ca2+ release

Innervációja a gerincvelő mellső szarvában és az agyidegi magvakban elhelyezkedő motoneuronok végzik. A vázizmok kontrakciójának nagysága és kialakulásának sebessége egyaránt membránpotenciál függő jelenség. A vázizmok akciós potenciálja valamivel hosszabb ideig tart, mint az óriásaxonoké (4 - 6 ms), a Ca2+ felszabadulása (5 - 20 ms), kontrakciós idejük (100 - 300 ms), latenciaidejük (2 - 4 ms).

A vázizmok kontrakciójához szükséges akciós potenciál a már a fentiekben is említett T tubulusokon keresztül terjed tovább. A T tubulus azért nagyon fontos, mert így a sarcolemmától távoleső miofibrillumokhoz is el tud jutni az akciós potenciál, s így biztosított a vázizomrost teljes keresztmetszetének gyakorlatilag egyidejű összehúzódása. A longitudinális tubulusok kiszélesedett végei teljesen közel kerülnek a T tubulusokhoz, ám azokkal soha nem érintkeznek. A membránok közt maradt rés 10 - 15 nm nagyságú. A terminális ciszternákban a Ca2+ kalszekvesztrinhez kötve (nagyrészt) és szabadon is előfordul. A T tubulus membránján található DHP (dihidropiridin) receptor, mely feszültségérzékeny, és a membrán depolarizációjának hatására konformációváltozást szenved, s így nem gátolja tovább az L tubulus terminális szakaszánál elhelyezkedő rianodin receptort, amely ilyenkor egy nyitott csatorna funkcióját tölti be, és így megkezdődik a Ca2+ release. A Ca2+ a troponin c-hez kapcsolódva megindítja a kontrakció már jól ismert mechanizmusát.

Az akciós potenciál és kontrakció

Az izomrostok kontrakciójának jellemzőit (pl. erősségét, sebességét) az akciós potenciál alatti membránpotenciál változás határozza meg. A kontrakcióval kapcsolatos általános szabály, hogy minél magasabb membránpotenciálról indul az azt kiváltó akciós potenciál, azaz minél nagyobb a depolarizáció mértéke, annál gyorsabban alakul ki az ugyanolyan mértékű összehúzódás.

Az ingerület a neuromuscularis junctión keresztül terjed rá az egyes izomrostok sarcolemmájára, s az így kialakuló "minden vagy semmi" típusú akciós potenciál a T tubulusokon (a sarcolemma kesztyűujjszerű betüremkedései az izomrost belsejébe az I és A csík határán) továbbterjedve váltja ki az összehúzódási és elernyedési fázisból álló izomrángást, mintegy 2-4 ms késéssel az akciós potenciál kialakulása után. A T tubulusok jelentősége abban áll, hogy lehetővé teszik a vázizomrost teljes keresztmetszetének egyidejű aktiválódását. Segítségükkel ugyanis a felszíni membrántól távolabb eső myofibrillumokhoz is gyorsan, az akciós potenciál terjedési sebességével juthat el a depolarizáció. Ha ugyanis ez Ca2+ függő folyamat lenne, mint a simaizmok esetében, a nagy keresztmetszetű vázizomrost középső részén található filamentumok csak késve aktiválódhatnának. A rángás nagyságát és időtartamát az akciós potenciáltól független tényezők is befolyásolhatják, mint a sarcomerhossz, vagy a megelőző aktivitási állapot.

A vázizomrostra jellemző akciós potenciál felszálló szára a gyors Na+ csatornák aktiválódásának, míg a repolarizáció során kialakuló leszálló szár ezen csatornák feszültségfüggő inaktiválódásának, illetve a késői K+ csatornák kinyílásának köszönhető. A vázizomrost akciós potenciálja időben hosszabb lefutású az axonok akciós potenciáljánál.

A Ca2+ szerepe

A vázizmok esetében a kontrakcióhoz szükséges Ca2+ kizárólag az intracelluláris térből származik, az extracelluláris Ca2+ belépésének nincsen szerepe az összehúzódás létrehozásában. A sejten belül a Ca2+ részben szabadon, részben a kalszekvesztrin nevű fehérjéhez kötötten található a longitudinális (L) tubulusok kiszélesedő részében, azaz a terminális tubulusokban. Ezek az elemek kapcsolatban állnak a T tubulusokkal (emberben triádot alkotnak: 1 T-tubulushoz 2 terminális ciszterna kapcsolódik oldalról), azonban az üregrendszerük közt nincs térbeli összeköttetés, köztük 10-15 nm-es rés található. A Ca2+ kilépése a myoplasmába a terminális ciszternák T-tubulushoz közel eső részén, a rianodin receptorokon (valójában rianodin érzékeny Ca2+ csatornákon) keresztül történik a T-tubulusból érkező szignál hatására.

A rianodinreceptor 4 alegységes fehérje, részben a terminális ciszterna membránjába ágyazódva, nagyobb részt azonban a T tubulus irányába a myoplasmába benyúlva helyezkedik el. Az utóbbi területen történik meg a Ca2+ kilépése. Kísérletekkel bizonyították, hogy a csatorna megnyílásához szükséges feszültségérzékelő elem nem magában a receptorban, hanem a T-tubulus membránjában, annak is a terminális ciszternával szomszédos részében található. Ennek a képletnek a neve a dihidropiridin receptor, mely egy olyan fehérje, amely a membránpotenciál megváltozását érzékelve konformációváltozáson esik át, s ezáltal lehetővé teszi a vele szemben elhelyezkedő rianodinreceptorokon keresztüli Ca2+ kiáramlást.

A csatorna megnyílásakor a Ca2+ kilépésének hajtóereje az ion koncentráció gradiense, ugyanis nyugalmi állapotban a citoplazmában kevesebb mennyiség található belőle (mintegy 100 nmol/l), mint az SR üregrendszerében. Akciós potenciál esetén néhány ms múlva azonban ez az érték akár 1 mikromol/l fölé is emelkedhet. A repolarizáció során a membránpotenciál csökkenését érzékelve a dihidropiridin receptorok felveszik eredeti alakjukat, s elzárják a Ca2+ lehetséges kiáramlásának útvonalát. Azonban a Ca2+ kiáramlásának csökkenése repolarizáció nélkül is bekövetkezhet, mely jelenség azzal magyarázható, hogy a kialakuló nagy Ca2+ koncentráció negatív visszacsatolással korlátozza a rianodinreceptor működését. Ennél a folyamatnál a Ca2+ indukált Ca2+ kilépés lehetősége is ismert.

A myoplasmába kilépő Ca2+ diffúzió segítségével jut el a különböző fehérjéken található kötőhelyekhez (pl. troponin C). Az akciós potenciált követően a kijutó Ca2+ ionok aktív transzporttal kerülnek vissza a SR belsejébe, elsődlegesen az L-tubulusok lumenébe, ahonnan aztán diffúzióval jutnak el a terminális ciszterna üregébe. Ehhez a folyamathoz 50-100 ms-ra is szükség lehet. A transzportot végző ionpumpák nagy koncentrációgradiens ellenében dolgoznak, s 1 ATP fejében 2 Ca2+-t képesek az SR belsejébe juttatni.

A sarcomer szerkezete

A harántcsíkolat a vázizom jellegzetessége. Fénymikroszkóppal vizsgálva megfigyelhető, hogy a mintázat a rostok hossztengelye mentén elhelyezkedő sötétebb anizotrop (A csík) és világosabb izotrop (I csík) csíkok váltakozásának köszönhető. Az A csík közepén egy keskeny, világosabb vonal, a H zóna is megfigyelhető, melynek szintén a közepén a sötétebb M zóna helyezkedik el. Az I csíkok felénél található erőteljesen sötétnek tűnő sáv a Z lemez, 2 Z lemez közti területet pedig sarcomernek nevezünk.

Vizsgálatok segítségével kimutatták, hogy a Z lemez tekinthető a sarcomer vázának, hozzá két oldalról a 2 szomszédos sarcomer felépítésében résztvevő vékony filamentumok kapcsolódnak (I csík). Az ún. vastag filamentumok összessége az A csíkot alkotja. A vékony és vastag filamentumok a H zóna területét kivéve egymással átfednek a következő elrendeződésben: 1 vastag filamentum körül 6 vékony filamentum, míg 1 vékony körül 3 vastag filamentum helyezkedik el. A rendszer stabilitása a vastag filamentumok felől a vékony filamentumokhoz kapcsolódó kereszthidaknak köszönhető. Az M zónát a már önállóan álló vastag filamentumok közti összekapcsoló fehérjék adják.

A kontrakció mechanizmusa az ún. csúszófilamentum elmélettel írható le. Ennek lényege, hogy amikor a sarcomer szűkül, az A csík hossza változatlan marad az I csík rövidülése mellett. Ez a jelenség annak köszönhető, hogy az izom kontrakciója során a vékony filamentumok becsúsznak a vastag filamentumok közé.

A vékony filamentumok aktinból és szabályozó fehérjékből épülnek fel. Az aktin itt globulásris monomerekből felépülő (G atin) fibrilláris polimer (ún. F aktin) formájában található, mely polimer kettős, egymáshoz képest csavarodó lánca alkotja a vékony filamentum vázát. A szabályozó fehérjék közül kiemelkedik a tropomiozin, mely a két aktinlánc közti árokban helyezkedik el 7 aktinmonomert lefedve. A másik fontos szabályozó molekulakomplex a 3 alegységből álló troponin, mely a tropomiozinhoz kapcsolódik. Ennek a fehérjének a szerepe Ca2+ megkötése. Nyugalmi állapotban a tropomiozin-troponin komplex az, ami elfedi a miozin elől az aktin kötőhelyeket, így akadályozva meg az aktin-miozin kölcsönhatás kialakulásának lehetőségét. Azonban amikor az akciós potenciál hatására a myoplasma Ca2+ koncentrációja megnő, a troponin Ca2+-t köt meg. Ennek következtében megváltozik a tropomiozin-troponin kapcsolata, melynek hatására hozzáférhetővé válnak az aktin kötőhelyek a miozinfejek számára.

A miozin a vastag filamentumok alkotóeleme, 2 nehéz és 4 könnyű polipeptidláncból felépülő nagyméretű fehérjemolekula. A 2 alfa hélixet alkotó nehéz lánc egy szakaszon egymásba csavarodva hozza létre a miozin rúd részét, melynek folytatása a 2 mozgékonyabb globuláris feji rész. Ezekhez oldalról a 2-2 könnyű lánc csatlakozik. A globuláris feji részek a vastag filamentumból kinyúlnak, s a vékony filamentumok aktinjához kapcsolódva hozzák létre a korábban már említett kereszthidakat. Maga a kontrakció ATP függő folyamat, az aktin és miozinfej kölcsönhatásának eredménye, mely során meghatározott részfolyamatok ismétlődnek ciklikusan.

E részfolyamatok molekuláris mechanizmusa a következő: relaxált állapotban a miozinfejhez ATP kötődik. Az ATP-áz tulajdonsággal rendelkező miozinfej aktivitását az aktin és miozin közt kialakuló kapcsolat fokozza, így mikor az aktivált állapot létrejön, azaz a molekulák kapcsolódnak, az ATP hidrolizál, majd a termékek leválnak. Közben energia termelődik, ami szükséges az aktin és miozin szétválásához. Miután a miozin mégegy ATP-t kötött, a komplex disszociál s a folyamat kezdődik elölről. Kísérleti körülmények között, ha a közegben nincs jelen ATP, ún. rigor állapot alakulhat ki. Ilyenkor ugyanis nincs lehetőség az aktin és miozin szétválására, nagyon szoros kapcsolat alakul ki köztük. Ez tapasztalható a hullamerevségkor is. Ez az állapot fiziológiás körülmények között csak rövid ideig áll fent.

Ezen molekuláris folyamatok közben különböző szerkezeti változások is végbemennek, melyek a kereszthidak konformációváltozásával jellemezhetők. Relaxált állapotban ugyanis ezen elemek a térben többféleképpen helyezkedhetnek el, azonban aktivált izomban 90o-os szöget zárnak be a vastag filamentumokkal. Ez a laza elrendeződés az ATP bomlástermékek disszociálásával egyidőben megváltozik: 45o-os helyzetbe kerülnek a kereszthidak a vastag filamentumokhoz képest, miközben magukkal húzzák a hozzájuk már szorosan kapcsolódó vékony filamentumokat. A rövid ideig tartó rigor állapot alatt a változások rögzülnek, majd mikor a miozin újabb ATP-t köt, megszűnnek a fehérjék közti szoros kapcsolatok, az aktin és miozin szétválik, a miozinfej pedig újra felveszi a 90o-os konformációs állapotot. Ha ilyenkor az aktivációs állapot továbbra is fennáll, a folyamat elölről indul, a sarcomer pedig tovább rövidül.

Az izomműködés mechanikai sajátosságai

A vázizomkontrakciónak két lehetséges típusa ismert. Izotóniás kontrakció áll fenn abban az esetben, mikor a megrövidülésnek nincsen akadálya s az változatlan feszülés mellett be is következik. Azonban ha pl. valaki túl nehéz tárgyat emel, az összehúzódás ereje nem elég ahhoz, hogy legyőzze a megrövidülés akadályát. Ebben az esetben az izom állandó hossza mellett csupán a feszülése fokozódik. Ez a jelenség az izometriás kontrakció.

A vázizomrostok esetében ismert, hogy a kontrakció erősségét a myoplasma Ca2+ szintje határozza meg. Amennyiben az akciós potenciál lezajlását követően akkor alakul ki újabb akciós potenciál a membránon, amikor a plasma Ca2+ szintje emelkedett, az újonnan felszabaduló Ca2+ mennyiség hozzáadódik a már jelenlévő ionmennyiséghez. Ez a tényező a rángás erejének fokozódását eredményezi.

Ha az izmunkban sorozatos ingerléssel rángásokat váltunk ki, ahogyan növeljük az ingerlési frekvenciát, úgy rakódnak egyre inkább egymásra az egyes kontrakciók. Ez az inkomplett tetanusz. Ezzel szemben komplett tetanusznak nevezzük azt a jelenséget, mikor olyan nagy frekvenciával ingereljük az izmot, hogy annak következő kontrakciója előbb kialakul, mint a megelőző izomösszehúzódás maximuma. Ennek következtében az egyes rángások már nem lesznek elkülöníthetőek.

Vázizomrostok esetében megfigyelhető az a jelenség, hogy a kontrakció egy adott (nem a maximális) rosthossz mellett a legerősebb. Az ennél kisebb vagy nagyobb a sarcomerhossz csökkenti az összehúzódás erejét. Ez azzal magyarázható, hogy a rost nyújtásával változik a vékony és vastag filamentumok közt kialakuló lehetséges keresztkötések száma, ami összefügg a kontrakciós erő létrehozásával. Nagyfokú nyújtás mellett teljesen megszűnik az átfedés, míg túl rövid sarcomerhossz esetén a csúszás közben a vastag filamentumok a Z lemezeknek ütközhetnek. Mindkét esemény gátolja az optimális kapcsolat kialakulásának lehetőségét.

Néhány hasznos fogalom:

Toborzás:

Az izom működése során egy maximális erő kifejtéséhez és annak hosszabb idejű tartásához nagy szükség van a motoneuronok aktivációjára, melyek az egyes izomrostokat késztetik a kontrakcióra. A motoneuronok toborzása (minél több motoneuron ösztönzése, hogy kifejtse hatását az izomrostra) ezért ekkor nagyban hozzájárul a működéshez. Minél edzettebb egy élőlény, annál kevesebb motoneuron toborzása szükséges a kívánt izomerő kifejtéséhez és hosszú távú fenntartásához. (Emlékeztető: motoneuron+beidegzett izomrost = motoros egység)

Küszöbinger:

Az a feszültség, melyen elsőként tapasztalható izomrándulás. Lényegében az a minimális szükséges ingerület, ami már összehúzódást eredményez.

Maximális inger:

Azon ingerület, mely esetében a legnagyobb a kontrakció mértéke.

Fáradás:

Az izomzat azon tulajdonsága, hogy folyamatos terhelés alatt előbb utóbb pihenésre van szüksége a fellépő ATP és neurotranszmitter hiány/kiesés miatt.

Inkomplett tetanusz:

Azon állapot, amikor az egymást követő ingerületek hatására az izom már nem képes teljesen (csak részlegesen) elernyedni, így az újbóli összehúzódások "egymásra rakódnak" valamelyest.

Komplett tetanusz:

Komplett tetanusz esetében olyan sűrűn (magas frekvenciák esetében jön létre) követik egymást az ingerek, hogy az izom egyáltalán nem képes elernyedni.

2012. augusztus