Lihaskudos /Heikki Hervonen 2012/ Biolääketieteen laitos/ anatomia Solubiologia ja peruskudokset opintojakso

Transkriptio

1 Lihaskudos /Heikki Hervonen 2012/ Biolääketieteen laitos/ anatomia Solubiologia ja peruskudokset opintojakso Monet solut pystyvät liikkumaan, koska kaikista tumallisista soluissa löytyy aktiinimyosiini-mikrofilamentteja. Nämä rihmat pystyvät liukumaan toistensa lomitse energiaa vaativassa prosessissa. Lihassolut ovat erilaistuneet tuottamaan lähes pelkästään soluliikettä, jossa koko solu supistuu pituussuunnassa. Koko kudoksen lihassolukon supistumisesta seuraa lihaksen lyheneminen tai paineen nousu ontelossa. Muita supistumiseen erilaistuneita soluja ovat mm. side- ja granulaatiokudoksen myofibroblastit sekä rauhasakinuksia ympäröivät myoepiteliaaliset solut. Lihassolutyypit Poikkijuovaiset lihassolut: - luurankolihassolut o satelliittisolut toimivat kantasoluina lihasvauriossa - viskeraalinen poikkijuovainen lihas o esim. kieli, nielu, ruokatorven alku - sydänlihassolut o ei edellistä vastaavia kantasoluja Näiden solujen rakenteessa supistuvat elementit ovat järjestyneet äärimmäisen säännöllisesti sarkomeerirakenteisiin. Supistumiseen tarvittavat Ca 2+ -ionit ovat peräisin tehtäväänsä erilaistuneesta sileästä endoplasmakalvoston sisternasta. - sileälihassolut o verisuonen seinämissä, suolessa, värikalvossa, virtsateissä, kohdussa Lihasolujen ollessa kyseessä käytetään solun osista omaa terminologiaa: solukalvo = sarkolemma sytoplasma = sarkoplasma sileä endoplasmakalvosto = sarkoplasmakalvosto Mikä on sarkofagi? Vihje: Napoleonin sarkofagia säilytetään Pariisin invalidikirkossa. Aktiini ja myosiinifilamentteja kutsutaan myofilamenteiksi, rihmoiksi. Nämä muodostavat poikkijuovaisessa lihaksessa täsmällisesti järjestäytyneitä yksikköjä, sarkomeerejä. Peräkkäin asettuneet sarkomeerit muodostavat säikeitä, myofibrillejä, joita yhdessä lihassolussa voi olla rinnakkain kymmeniä. Luurankolihaksen yhtä lihassolua kutsutaan myös lihassyyksi, myofiber. Nämä lihassyyt muodostavat lihassyykimppuja ja kimput sitten lihaksen. Lihasta peittämässä on sidekudoksinen (tiivis) lihaskalvo, epimysium. Tästä erkanee lihassyykimppujen väleihin sidekudosväliseiniä perimysium. Kimppujen sisään lihassolujen väleihin ulottuu myös niukka sidekudos, endomysium. Verisuonet ja hermot tavoittavat lihassolut näiden sidekudosrakenteiden kautta. Lihas, lihassyykimppu ja lihassolu Endomysium kun solut on tuhottu Lihassyy = lihassolu Endomysium Lihassyykimppu Perimysium Epimysium Lihassäie, myofibrilli Lihas Poikkijuovainen luurankolihas Syntyy kun yksittäiset esisolut, myoblastit liittyvät toisiinsa, jolloin syntyy monitumaisia, sylinterimäisiä jättisoluja. Nämä kiinnittyvät päistään tiiviiseen sidekudokseen, jänteeseen tai jännekalvoon puolittaista vyöliitosta muistuttavan liitoksen (adherens junction) avulla. Luurankolihaksen tuorepreparaatin punainen väri johtuu myoglobiinista, lihassolun puneisesta happea sitovasta molekyylistä (hemoglobiinin lähisukulainen). Luurankolihassoluissa erotetaan kolmea eri perustyyppiä. Tyyppi I lihassyyt ovat pieniä, hitaita ja oksidatiivisia eli käyttävät aerobista energian tuottamisprosessia. Siksi niissä on

2 2 paljon myoglobiinia varmistamaan hapen riittävän saannin ja paljon mitokondrioita energiaa tuottamaan. Kun on paljon mitokondrioita, niin on paljon mitokondriaalisia entsyymejä - siitä siis tyypillinen entsyymihistokemiallinen värjäytyminen. Tyyppilihaksia ovat vartalon asentolihakset. Tyyppi IIb lihassolut taas ovat isoja, nopeita glykolyyttisiä lihasyitä eli käyttävät anaerobista energiantuottamista. Niillä ei ole tarvetta suureen myoglobiinimäärään, eikä niissä ole mitokondrioitakaan niin paljon kuin ykköstyypin lihassyissä. Anaerobisen glykolyysin entsyymiaktiviteetti on suuri ja glykogeenia solut varastoivat runsaasti. Typpilihaksia ovat silmälihakset ja sormien lihakset. Kolmas, tyyppi IIa on ominaisuuksiltaan näiden kahden väliltä. Lihasyy (fiber) Lihassyyt ovat m paksuja ja muutamasta millimetristä jopa yli 30 cm pitkiä monitumaisia jättisoluja. Fyysinen harjoitus aiheuttaa niissä koon kasvua, hypertrofiaa. Jos hermotus vaurioituu tai käyttö estyy esim. immobilissatio murtumissa lihas näivettyy, atrofioituu. Soluissa tumat (jopa yli 100/solu) ovat pitkulaisia ja sijaitsevat solun laidoilla. Solun keskiosassa ovat supistuvat elementit, myofibrillit ja niiden joukossa mitokondriot ja niukka sarrkoplasma sekä sarkoplasmakalvosto ja T-putket. T-putket ja sileän endoplasmakalvoston cisternat muodostavat kolmikkoja (triadi) säännöllisin välein sarkomeerien A-I vyöhykerajalle. T-putket ovat solun sisäosiin tunkeutuvia sarkolemman painumia, tuppeutumia. Niiden tehtävänä on johtaa aktiopotentiaali myös solun sisäosien sarkomeerien lähelle. Luurankolihassolu Sarkolemma Myofibrilli T-putki SARKOMEERI Triadi Tuma Sarkoplasmakalvosto Mitokondrioita T-putken aukkoja Lihassolun supistuvat rihmat, myofibrillit Myofibrillit ovat 1-2 m läpimittaisia rihmojaa. Elektronimikroskoopilla niissä erottuu selkeät jaksottaisuudet, poikkijuovat. Ne ovat samat mitkä erottuvat jo valomikroskoopissa koko solun tasolla rihmat ovat siis täsmälleen samassa tahdissa jaksottaisia. Perusjaksoksi ja supistumisyksiköksi erottuu yksi sarkomeeri. Nämä ovat asettuneet peräkkäin rihmaksi niin, että ne kiinnittyvät toisiinsa -linjojen kohdalla. Sarkomerissä erottuu -linjan vieressä I-juova, jossa on vain aktiinifilamentteja. A-juovassa on myosiinifilamentteja siten, että sen keskiosan H-juovassa on pelkästään myosiinifilamentteja kun A-juovan tummemmissa laitaosissa on kumpiakin. H-juovan keskellä on vielä keskilinja (M-linja), jossa myosiinifilamentit kiinnittyvät toisiinsa. Sarkomeerin tarkempi rakenne - Titiini on vieterimäinen ja ankkuroi mysiinin -levyyn - Nebuliini määrää aktiinifilamentin pituuden - Tropomyosiini säätelee supistusta M A H I Toiminnallisesti keskeinen kohta on A-juovan laidat, joissa aktiini- ja myosiinifilamentit ovat kontaktissa ja vuorovaikutuksessa keskenään. Tälle kohdalle asettuvat myös supistumisen kannalta tärkeät T-putken ja sarkoplasmakalvoston pääte(terminaali)sisternan muodostamat triadit.

3 3 Myosiini II molekyyli koostuu kahdesta raskasketjusta, joilla on pitkä häntä ja toisessa päässä paksuntuma, joka on taipunut mutkalle. Paksuuntumaan liittyvät kaksi kevytketjua ja niissä on lisäksi ATP:tä sitova ja aktiiniin kiinnittyvä kohta. Aktiinissa tropomyosiinimolekyylit peittävät aktiinin aktiivisen kohdan, jos kalsium-ioneja ei ole läsnä (lihas on rento). Jos niitä on paikalla, ne sitoutuvat tropomyosiinin troponiinkompleksiin ja aktiivinen kohta paljastuu, jolloin myosiinin on mahdollista kiinnittyä siihen ja supistumissykli voi lähteä käyntiin. Lihaksen motorinen hermotus ja lihassupistuksen alkaminen Luurankolihas saa supistumiseen johtavan hermoimpulssin keskushermostosta tulevalta motoriselta hermolta. Yksi motorinen hermo muodostaa hermo-lihas-liitoksen useiden lihasyiden kanssa (=motorinen yksikkö). Hermolihasliitoksessa on hermopääte, joka on lihassolun pinnan painaumassa Schwannin solu Hermopääte 1 läheisessä kontaktissa lihassolun sarkolemman kanssa. Tällä kohdalla sarkolemma Synapsirakkuloita Liitospoimut Synapsirako on voimakkaasti poimuttunut. Ach-resptorit Hermo - lihasliitos 4 Aktiopotentiaali saapuu 2 Kalsiumkanavat aukeavat 3 Eksosytoosi Aktiopotentiaalin tullessa hermopäätteeseen, sen pienistä välittäjäainerakkuloista vapautuu asetyylikoliinia synapsirakoon. asetyylikoliini sitoutuu sarkolemman reseptoreihin, joiden kautta sarkolemman jännite muuttuu. Jos se muuttuu riittävästi, syntyy aktiopotentiaali, joka leviää saman tien sarkolemmaa pitkin koko lihassoluun siis myös T-putkiin. T-putkissa on jänniteherkkiä sensoriproteiineja (kalsium-kanavia, mutta eivät kerkiä aueta luurankolihassolussa), jotka muuttavat konformaatiotaan ja aiheuttavat kalsiumkavavien aukeamisen aivan vieressä olevassa sarkoplasmakalvostossa. Kalsiumioneja virtaa sarkoplasmaan juuri sarkomeerin A-I-välin tienoolle, missä se aiheuttaa tropomyosiinin väistymisen, aktiinin aktiivisen paikan paljastumiseen ja kun paikalla on myös ATP:a supistumissyklin alkamisen. T-putki vie aktiopotentiaalin solun sisään T-putkessa aktiopotentiaali muuttaa jänniteherkän sensoriproteiinin muotoa niin että se avaa sarkoplasmakalvoston kalsium-kanavan ja kalsium-ioneja virtaa sarkoplasmaan Kun kalsiumioni sitoutuu troponiinikompleksiin tropomyosiini väistyy ja aktiinin aktiivinen kohta paljastuu. tropomyosiini troponiinikompleksi Aktiini Myosiini Sykli jatkuu niin kauan kun kalsium ioneja on paikalla. Sarkoplasman kalsiumpumppu tekee parhaansa sen poistamiseksi mahdollisimman nopeasti. Myofilamenttien supistumissykli on oppikirjassa (Ross ja Pawlina) kuvattu 5 vaiheisena tapahtumasarjana, jossa vaihe 1 ja 5 ovat samat. Kirja käyttää termejä bend ja straighten minun järkeni mukaan ristiriitaisesti (tässä ovat aiemmatkin opiskelijasukupolvet vaipuneet epätoivoon) Lähtökohtana on, että myosiinin palleropää on taipunut mutkalle lepoasennossa. Sitten kun se on tarttunut aktiiniin, ATP on sitoutunut siihen ja fosori irtoaa niin molekyyli taipuu (bend) suoremmaksi (oikeasti suoristuu, kuva 3). Suoristunut myosiininpää sitoutuu uuteen paikkaan aktiinia ja fosforin irrottua palaa voimalla takaisin peruskoukku-asentoonsa (kirja sanoo straightens, stage 4). Kiinnittyminen Voiman tuotto, paluu koukkuasentoon Irtoaminen Bending = taipuminen suoremmaksi

4 4 Luurankolihasten uusiutuminen Valomikroskooppitarkastelussa luurankolihassyyn pinnalla/vierellä näkyy harvoja hieman lihassolun tumaa litteämpiä ja tummempia tumia. Nämä ovat satelliittisolujen tumia. Elektronimikroskooppivalmisteessa ne voidaan varmuudella tunnistaa, kun ne sijaitsevat saman tyvikalvon (external lamina) sisällä. Pienten vammojen jälkeen, jos tyvikalvo on säilynyt ehjänä, satelliittisolut muuttuvat myoblasteiksi, lisääntyvät ja fuusioituvat kuten kehityksen aikanakin muodostamaan uuden lihasyyn. Jos vamma tuhoaa tyvikalvon, ei satelliittisoluilla ole valmista mallia, eikä korjaantuminen onnistu. Sydänlihas Sydänlihaksen histologisassa rakenteessa sydänlihassolut muodostavat haarautuvan kolmiulotteisen verkoston. Lihassolujen väleissä on niukasti löyhää sidekudosta ja verisuonia. Hiusssuonien määrä on huomattavan suuri. Sydänlihassolut ovat järjestäytyneet lihassyykimpuiksi siten, että ne muodostavat kierteiset lihassyykimput sydämen kummankin kammion seinämään ja septumiin. Lihaksiston supistuessa sydän ei pelkästään painu kasaan vaan kiertyy osin rullalle. Sydänlihassolukko johtaa hyvin supistumisimpulssia solusta toiseen. Lisäksi sydänlihassoluilla on spontaani supistumiskyky ilman hermotusta, johtoradasta tulevaa impulssia tai muuta stimulusta. Sydänlihas on luurankolihaksen tapaan poikkijuovaista lihasta, sen supistuvista elementeistä siis löytyy sama sarkomeerirakenne. Sydänlihassolut ovat luurankolihassoluja huomattavasti pienempiä. Niissä on yksi tuma keskellä solua. Solut ovat sylinterimäisiä tai kahtia haarautuvia. Kukin sydänlihassolu liittyy pääty päätyä vasten ainakin kahteen toiseen sydänlihassoluun. Myofibrillit eivät ole aivan yhtä tarkassa järjestyksessä kuin luurankolihaksessa, valomikroskoopissa poikkijuovaisuus ei siksi erotu aivan yhtä helposti. Paljon hiussuonia Sydänlihas Tumat solun keskellä (ei ainakaan ihan laidalla) Kytkylevyt Poikkijuovat Paljon hiussuonia Sydänlihassoluissa on runsaasti mitokondrioita, n. ¼ solun tilavuudesta. Ne voivat varastoida suuria määriä kalsiumia. Sydänlihassolut taas varastoivat runsaasti glykogeenia. Peräkkäiset solut kiinnittyvät toisiinsa pääty päätyä vasten liitoksella, jota kutsutaan kytkylevyksi (intercalated disc). Kytkylevy antavat soluväliliitokselle suuren mekaanisen kestävyyden lisäksi sähköisen koordinaation, joten koko lihassolukko käyttäytyy yhtenäisesti. Kytkylevyssä kummankin solun sarkomeerin -linja liittyy solukalvojen välillä olevaan rakenteeltaan vyöliitosta muistuttavaan fascia adherens-liitokseen. Tämä liitos ei ole aivan suora linja vaan siinä on yhden sarkomeeri mittaisia porrastuksia, joten kytkylevyssä havaitaan poikkipintoja ja pitkittäispintoja. Poikkipintoihin kohdistuu mekaaninen rasitus, joten fascia adherens valloittaa pääosin nämä pinnat. Fascia adherensissa siis viereisten solujen sarkomeerien aktiinifilamentit liittyvät solukalvojen yli toisiinsa. Desmosomi Kytkylevyn rakenne Pitkittäispinta ja aukkoliitos Fascia adherens Aukkoliitos Desmosomi Poikkipinta Fascia adherens Desmosomeja on sekä poikki- että pitkittäispinnoilla. Niissä naapurusten välikokoisten säikeiden verkostot liittyvät toisiinsa.

5 Aukkoliitokset ovat kytkylevyn kolmas keskeinen elementti. Ne toimivat sähköisinä synapseina, kytkoksinä, joiden kautta aktiopotentiaali pääsee leviämään solusta toiseen ilman viivettä. Sydänlihaksessa T-putket ovat asettuvat -linjan kohdalle, toisin kuin luurankolihaksessa, jossa T-putket ovat A-Iliitoksen kohdalla. Endoplasmakalvoston päätecisternat ovat suhteellisen vaatimattomat ja verkkomaiset. Sydänlihassolussa T-putken solukalvon depolarisaatio johtaa T-putken jänniteherkkien kalsiumkanavien avautumisen. Tästä seuraa Ca 2+ sisäänvirtaus soluun. Tämä solun ulkopuolelta tullut Ca 2+ -lisä aukaisee sarkoplasmakalvoston kalsiumkanavat ja supistumiseen riittävä ionimäärä saadaan sarkomeereihin. 5 Sydänlihassolu Tuma T-putki Mitokondrion Sarkoplasmakalvosto Sarkomeeri Aktiopotientiaalin tultua sydänlihassolun T-putkeen se aiheuttaa T-putken kalsiumkanavien avautumisen ja Ca 2+ virtauksen solun sisään. Tämä Ca 2+ lisä aiheuttaa kalsiumin vapautumisen myös ser:sta supistuminen T-putkien aukkoja (Tämä sujuu siis eri tavalla kuin luurankolihaksessa, jossa solun ulkoista kalsiumia ei tarvita.) Sydänlihasvauriossa sarkomeerin troponiinia joutuu rikkoutuneista soluista verenkiertoon: diagnostiikassa mittari sydänlihasvauriolle esim. sydäninfarktissa. Hypertrofia: kuormituksen lisääntyessä l. solut suurenevat. Sydänlihaksen hypertrofia on seurauksena mm. pitkään hoitamattomana olleesta verenpainetaudista. Hypertrofian ongelmana on se, että lihasmassan suurentuessa kudos vie tilaa (iskuvolyymi laskee) ja kudos myös jäykistyy, jolloin pumppausteho vähenee. Lisäksi hypertrofiassa myös sidekudoksen määrä lisääntyy, joka edelleen vähentää pumppaustehoa. Sileä lihas Sileää lihasta on runsaasti tärkeissä sisäelimissä, mm. suolistossa, verisuonissa, keuhko putkissa, virtsateissä ja sukuelimissä. Sileälihassolut ovat sukkulamaisia, niissä on yksi tuma keskellä solua ja ne muodostavat yhtenäisiä solukkolevyjä, jossa solut usein ovat yhdensuuntaisesti järjestyneet kuten esim. suoliston seinämän sileä lihaksisto. Solujen supistuvista elementeistä puuttuu sarkomeerirakenne, joten poikkijuovaisuutta ei esiinny. Sileälihassoluja ympäröi tyvikalvo, external lamina, paitsi niissä kohdissa, joissa solujen välillä on aukkoliitos. Kukin solu siis kiinnittyy tyvikalvoon ja naapurisolujen tyvikalvot liittyvät toisiinsa, joten kunkin solun supistuminen välittyy koko kudoksen supistumiseksi. Supistuvana elementtinä ovat aktiini ja myosiini mikrofilamentit. Aktiinifilamentit muodostavat solun sisään järjestäytymättömän verkoston, joka liittyy paikka paikoin solukalvoon ja sytoplasman välikokoisiin säikeisiin (demiini, vimentiini). Näissä kohdissa nähdään elektronimikroskoopilla tiiviimpiä rakenteita (dense bodies). Myosiinifilamentit ovat toisenlaisia kuin sydän- ja luurankolihaksissa. Sileälihaksen myosiinifilamentti pystyy kuljettamaan viereisiään aktiinifilamentteja eri suuntiin supistaen aktiiniverkostoa. Sileälihassolun hienorakenne C=caveolit PV=caveolit BL=tyvikalvo, lamina externa GJ=Aukkoliitokset

6 6 Sileälihassolu voi supistua ilman ulkoista stimulusta. Se reagoi supistumalla myös esim. mekaaniseen venytykseen ja joidenkin hormonien vaikutukseen. Sileä lihas saa yleensä autonomisen hermotuksen. Hermopäätteet eivät ole aivan solun vieressä, ei siis synny synaptista yhteyttä, vaan hermovälittäjäaine leviää solujen pinnalle kauempana sijaitsevista hermopäätteistä (boutons en passage). Sileälihassolujen pinnalla on paljon (ikään kuin kuroutumassa olevia endosytoosirakkuloita) "pullomaisia" kaveoleja. Niiden alla sytoplasmassa on sileää endoplasmakalvostoa (kalsiumvarasto). Kun aktiopoteintiaali saavuttaa caveolit niiden jänniteherkät kalsiumkanavat aukeavat ja Ca 2+ virtaa solun sisään. Tämä ei riitä vaan samalla aukeavat vieressä olevan cisternan kalsiumkanavat ja saadaan riittävät kalsiumtasot supistumiseen. Hormonien vaikutus kohdistuu solukalvoreseptorin välityksellä toisiolähetin muodostumiseen, mikä taas vaikuttaa kalsiumin vapautumiseen endoplasmakalvostosta. Kalsium sitoutuu kalmoduliinimolekyyliin, joka puolestaan aktivoi myosiini-kevytketju-kinaasin. Tämä puolestaan fosforyloi säätelykevytketjun, jolloin myosiinin aktiivinen kohta paljastuu ja se voi kiinnittyä aktiiniin ja ryhtyä samanlaiseen nykivään toimintaan mikä nähtiin luurankolihaksen yhteydessä. Sileälihasupistus ja Ca 2+ alkuperä Jänniteriippuvainen kalsiumkanava Hormoni Reseptori Toisiolähetti Solun ulkoinen kalsium Myosiinin kevytketjun kinaasi Aktiopotentiaali kalmoduliini