Lihaksen Fysiologia. Luurankolihas

Transkriptio

1 Lihaksen Fysiologia Luurankolihas

2 Rakenteelliset erikoisuudet Jättimäiset raidalliset solut Raidallisuus johtuu - myofibrilleistä jotka ovat muodostuneet myofilamenteistä

3 Rakenteelliset erikoisuudet Z-viiva rajoittaa sarkomeerin = supistuva yksikkö A-viiva = Pääasiassa aktinfibrilleja sitoutuneena myosiiniin H-viiva = pelkkää myosiinia I-band = pelkkää aktiinia

4 hienorakenne Raidallisuus johtuu kahdesta proteiinista myosiinista ja aktiinista Rakenteelliset erikoisudethienorakenne

5 Ohuet filamentit - aktiini F-Aktiini[ G-Aktiini monomeeri 1) F-aktiini Monen G-aktiinin polymeeri

6 Paksut filamentit - myosiini Kevyet ketjut (L1 and L2) Papain Cleavage Site Myosiini Trypsin Cleavage Site COO - S-1 S-2 COO - raskas Meromyosiini kevyt Meromyosiini Myosiini muodostuu proteiinidimeerista joka koostuu nauhamaisista helix juosteista ja globulaarisesta päästä Globulaarinen pää sisältää: 1) ATPaas aktiivisuus 2) Aktiinin sitoutumiskohta Ns kevyet ketjut ovat lisäksi liittyneenä päähän

7 Rakenteelliset erikoisuudet T-tubulit- Plasmakalvon eli Sarkolemman sisääntyöntyviä putkistoja Z-levyn kohdalla

8 Rakenteelliset erikoisuudet Solunsisäinen endoplasminen verkosto erilaistunut sarkoplasmiseksi verkostoksi = SR SR varstoi Ca 2+ ioneja

9 Eksitaatio-kontraktio kytkentä Solunsisäinen endoplasminen verkosto erilaistunut sarkoplasmiseksi verkostoksi = SR SR varstoi Ca 2+ ioneja

10 Eksitaatio-kontraktio kytkentä Kun lihassyy ärtyy syntyy sarkolemmassa aktiopotentiaaleja jotka siirtyvät myös T-tubuliin Signaali siirtyy SR:ään ja Ca 2+ vapautuu sarkomeerien päälle

11 Sähköisen aktiivisuuden kytkentä supistukseen Aktiopotentiaali käynnistää supistuksen Asetyylikoliini joka vapautuu hermovälityksen yhteydessä muuttaa lihassolun sisustan positiivisemmaksi- kun tietty kynnysjännite saavutetaan, syntyy aktioptentiaali

12 Sähköisen aktiivisuuden kytkentä Kun kalvojännite nousee -90 mv:sta n mv:iin syntyy aktiopotentiaali Jokaisen aktiopotentiaalin yhteydessä pystytään mittaamaan pieni lihasnykäys supistukseen

13 Sähköisen aktiivisuuden kytkentä Kun kalvojännite nousee -90 mv:sta n mv:iin syntyy aktiopotentiaali Jokaisen aktiopotentiaalin yhteydessä pystytään mittaamaan pieni lihasnykäys supistukseen

14 Sähköisen aktiivisuuden kytkentä Kun kalvojännite nousee -90 mv:sta n mv:iin syntyy aktiopotentiaali Jokaisen aktiopotentiaalin yhteydessä pystytään mittaamaan pieni lihasnykäys supistukseen

15 Sähköisen aktiivisuuden kytkentä Kun kalvojännite nousee -90 mv:sta n mv:iin syntyy aktiopotentiaali Jokaisen aktiopotentiaalin yhteydessä pystytään mittaamaan pieni lihasnykäys supistukseen

16 Sähköisen aktiivisuuden kytkentä Kun kalvojännite nousee -90 mv:sta n mv:iin syntyy aktiopotentiaali Jokaisen aktiopotentiaalin yhteydessä pystytään mittaamaan pieni lihasnykäys supistukseen

17 Sähköisen aktiivisuuden kytkentä supistukseen Supistus on huomattavasti hitaampi kuin sähköinen ärtyminen E/ mv Aktions potential kontraktion

18 Sähköisen aktiivisuuden kytkentä supistukseen Osittain sen vuoksi että lihassyy on elastinen ja pyrkii vastustamaan liikettä +40 Osittain eksitaatiokontraktio kytkennän hitauden takia -100 E/ mv Aktions potential kontraktion

19 Shköisen aktiivisuuden kytkentä supistukseen Stimulaatiofrekvenssin nousu Jotta saataisiin aikaan pitkäaikainen supistus tarvitaan useiden aktiopotentiaalin vaikutuksen summaatio Frekvenssi säätää supistusvoimakkuuden. Frekvenssi joka saa aikaan maksimaalisen supistuksen kutsutaan tetanukseksi

20 Excitaatio-kontraktio kytkentä - Sähköinen signaali T- tubuluksesta siirtyy SR rakenteeseen ns. Triadirakenteen kautta. Triadi koostuu T- tubulista ja kahdesta SR sisternasta Triadi

21 Excitaatio-kontraktio kytkentä - Triadi T-tubulissa on jännitesensori nimeltään dihydropyridiinireseptori Joka kytkeytyy SR proteiiniin nimeltään ryanodiinireseptori Proteiini nimeltään triadiini liimaa yksiköt yhteen

22 Mekanismit jotka laukaisevat supistuksen mitä Ca 2+ tekee? Mekanismit ovat aktiiniin liittyneissä proteiineissa: tropomyosiini joka yhdistää säätelyyksikön joka koostuu troponin-t:stä joka sitoutuu tropomyosiiniin troponin-i:stä joka estää supistuksen estämällä myosiinin sitoutumista aktiiniin troponin-c:stä joka on Ca 2+ sensori - sitoo SR:stä vapautuvia Ca 2+ ioneja ja kumoaa troponin-i:n estovaikutuksen

23 Kun Ca 2+ pitoisuus on matala troponiini I estää aktiinin ja myosiinin vuorovaikutusta Aktin Tn-T TM Tn-C Tn-I Myosin Ca 2+

24 Kun Ca 2+ pitoisuus on matala troponiini I estää aktiinin ja myosiinin vuorovaikutusta Aktin Tn-T TM Tn-C Tn-I Myosin Ca 2+

25 Kun Ca 2+ pitoisuus on matala troponiini I estää aktiinin ja myosiinin vuorovaikutusta Aktin Tn-T TM Tn-C Tn-I Myosin Ca 2+

26 Kun Ca 2+ pitoisuus on matala troponiini I estää aktiinin ja myosiinin vuorovaikutusta Aktin Tn-T TM Tn-C Tn-I Ca 2+ Myosin

27 Kun Ca 2+ pitoisuus on matala troponiini I estää aktiinin ja myosiinin vuorovaikutusta Aktin TM Tn-T Tn-I Tn-C Ca 2+ Myosin

28 Kun Ca 2+ pitoisuus on matala troponiini I estää aktiinin ja myosiinin vuorovaikutusta Aktin Tn-T TM Myosin Tn-C Tn-I Ca 2+

29 Supistuksen mekanismi Molekyylitasolla supistus johtuu myosiinin ja aktiinin sitoutumisesta toisiinsa (syntyy aktomyosiinia) sekä myosiinipään liikkestä Myosiinipään ATPaasi aktiivisuudella on keskeinen merkitys supistustapahtumassa

30 ATP sykli Ca 2+ ATP Aktiini +Myosiini-ADP-Pi Aktiini-Myosiini-ADP-Pi Aktiini-Myosiini +ADP + Pi Aktiini+Myosiini-ATP Aktomyosiini muodostuu Myosiini vetäytyy eteenpäin Myosiini irtoaa aktiinista

31 matalassa Ca 2+ pitoisuudessa pysähtyy tähän vila ADP+P i Ca 2+ A + M ADP P i Korkea aktiini affiniteetti * ADP+P i A-M ADP P i * ATP A-M ATP Matala aktiin affiniteetti P i ATP A-M * Rigor Kompleksi ADP ATP:n puutteessa pysähtyy tähän (rigot mortis)

32 Supistuksen mekanismi-lepo myosiini aktiini

33 Aktomyosiinin synty

34 Konformaatiomuutos- Myosiini liikkuu eteenpäin

35 Sidos irtoaa

36 Uusi sitoutuminen

37 Myosiini liikkuu eteenpäin

38 Sidos irtoaa

39 Uusi sidos

40 Myosiini liikkuu eteenpäin

41 Lihaskudoksen energetiikka Lihastyön energiakulutus tapahtuu siten että ATP:n hydrolyysi relaksoi myosiinipään Useat metaboliset järjestelmät pyrkivät pitämään ATP pitoisuuden tasaisena muuten lihas jäykistyy (rigor) ATP tuotto pitää vastata sen kulutusta ATP kulutus on korkea esim lihasrasituksen yhteydessä

42 Lihaskudoksen energetiikka Nopeat lihakset saavat energiansa glykolyysistä Seuraavat reaktiot pyrkivät ATP pitoisuuden tasoittamiseen : Glykogenolyysi Lihaksessa Ca 2+ aktivoi glykogeenin hajoamisen troponini C:n kautta Fosfokreatiini on ATP varasto ATP+kreatin kreatin-fosfaattti+adp - levossa kreatiin-fosfaattti+adp ATP+kreatiini - rasituksessa Adenylaatti kinaasi 2ADP ATP+AMP AMP stimuloi glykolyysiä fosfofruktokinaasivaiheessa Enemmän ATP:tä ja laktaattia tuotetaan Glukoneogeneesi maksassa Tuotetusta laktaatista syntyy glukoosia maksassa joka verenkierron kautta tulee uudellen lihasten käyttöön

43 Lihaskudoksen energetiikka Ca 2+ glycogen + ADP AMP glucose + Maksa crea ATP crea P-crea lactate

44 Energiapuskureiden aikaikkuna 100 m ennätys 9.8 s ATP 1s PCr kuluu 6-8 s, 30s 50% regeneraatio, 3 min 98% Glycogeeni 1h 1-2 min aerob metabolia rasva Laktaatti 1-20 s >> 60 s väsymys 1000 m 50% aerobinen Marathon 100% aerobinen

45 Supistuksen mekaniikka Supistusvoima on rippuvainen sarkomeerin pituudesta eli suoraan verrannollinen siihen kuinka monta aktomyosiinisidosta voi syntyä Voimaan liittyvät parametrit mitataan käyttäen ns. isometrista supistusta eli lihakseen syntyy voima mutta lihaksen liike estetään

46 Lihassupistuksen mekaniikka Isometrinen supistus = lihaksen liike estetään ja mitataan sen aiheuttama voima Pyritään löytämään lihaksen maksimaalinen voima sekä optimaalinen pituus

47 Venytys-jännitekuvaaja Jos lihasta venytetään ja mitataan sen jännite saadaan kuvaaja joka koostuu lihaksen aktiivisista (supistusvoima) ja passiivista (elastisuus) parametreista Passiivinen jännite lasketaan pois jolloin saadaan kaarimainen kuvaaja Jännite on maksimissaan tietyssä lihaspitudessa jota kutsutaan Lo:ksi joka kuvastaa sitä lihasasentoa jossa lihas kykenee parhaimpaan voimaan

48 Venytys-jännitekuvaaja Lo kuvastaa aktiini ja myosiini filamenttien optimaalisen sijoittumisen sarkomeerissa eli jos lihas on puristettu kasaan aktomyosiinin synty on vaikea. Samaten jos se on venytetty liikaa

49 Venytys-jännitekuvaaja L o kuvastaa aktiini ja myosiini filamenttien optimaalisen sijoittumisen sarkomeerissa eli jos lihas on puristettu kasaan aktomyosiinin synty on vaikea. Samaten jos se on venytetty liikaa

50 Isotooninen kontraktio Isotooninen supistus = lihas saa liikkua mutta voima pidetään samana Mitataan lihaksen nopeus eri vastaopainoilla esim nostetaan eri painoja Nopeus on verrannollinen vastapainon suuruuteen

51 Supistus/nopeus kuvaaja Maksimaalinen nopeus on verrannollinen maksimaaliseen myosiinin ATPaasein nopeuteen Mitataan supistusnopeus eri vastapainoilla ja saadaan maksimaalinen nopeus Vmax kg Supistusnopeus pienenee kun vastapaino lisääntyy

52 Supistus/nopeus kuvaaja Kuvaajassa näkyy että supistusnopeus pienenee kun vastapaino suurenee Kun arvoidaan nopeus ilman vastapainoa saadaan maksimaalinen nopeus Kun kerrotaan vastapainon suuruus nopeudella saadaan lihaksen suhteellinen teho

53 Supistus/nopeus kuvaaja Teho kuvastaa lihaksen suorituskykyä optimaalinen painoalue teho effekt Harjoituksella voidaan optimaalista aluetta siirtä korkeimmille vastapainoille

54 Supistus/nopeus kuvaaja Teho kuvastaa lihaksen suorituskykyä optimaalinen painoalue teho Harjoituksella voidaan optimaalista aluetta siirtä korkeimmille vastapainoille

55 Mekaniikka yhteenveto Lihaksen voima on verrannollinen aktomyosiinisidosten määrään ATPaasin nopeus määrää supistusnopeuden

56 Nopeat ja hitaat lihassyyt Nopeat syyt supistuvat nopeasti mutta väsyvät myös nopeasti Nopeat syyt on käytävät glykolyysiä energialähteenä ja ovat väriltään vaaleanharmaita Nopeilla syillä on erityiset ATPaasit nimeltään tyyppi IIA och IIB Hitaat syytsupistuvat hitaasti ja väsyvät myös hitaasti Hitaat syyt käyttävät oksidatiivista fosforylaatiota energalähteenä Nes sisältävät myoglobiininimistä hemoglobiinille sukua olevaa proteiinia joka toimii happivarastona Punaruskea väri tulee osittain myoglobiibnista ja osittain mitokondrioiden hengitysketjun sytokromienzyymeistä

57 Nopeat ja hitaat lihassyyt

58 Nopeat ja hitaat lihassyyt Lihaksiisa on sekä nopeita että hitaita syitä Molempia hermottaa sama hermo nimeltään motorinen yksikkö eri hermosyyt taas hermottavat nopeita ja hitaita syitä Eri lihassyitä käytetään eri urheilulajeissa nopeita esim. pikajuoksussa ja hitaita kestävyyslajeissa Lihashypertrofia = lihassyiden kasvu harjoituksessa

59 Lihaksen väsyminen? ATP/CrP rigor Kalcium varastot, RyR desensiisaatio Glykogeeni lämpötila Kudosvaurio/ tulehdus Laktaatti- Normaalisti lihas menettää nopeutensa jo ennen laktaatin kertymistä

60 Lihassairaudet Monessa vakavassa yleissairaudessa lihasten väsyminen on tyypillinen oire On myös harvinaisia lihassairauksia joilla on geneettinen tausta

61 Lihassairaudet Lihasdystrofiat -lihasatrofia = lihaskudos surkastuu

62 Lihassairauksia kohtalaisen harvinaisia Myotoniat -Geeniverheitä usein ionikanavissa kuten Na + kanavissa -Lihaskudos on hieman depolarisoitunut, herkistyy-syntyy herkemmin aktiopotentiaaleja -Tämää johtaa spastisiteettiin lihasta on vaike relaksoida Parlayysi -Geeniverheitä usein ionikanavissa kuten Na + kanavissa -Kalvojännite yli aktiopotentiaalin kynnysarvon jolloin Na + kanavat inaktivoituu eikä pysty palautumaan lepotasoon + Na channel gating Refractory -90 mv Resting Inactivation Depolarization -50 mv Activation mv

63 Geneettisten lihassairauksien diagnostiikka Histologiset värjäykset esim eri ATPaasit Geeniverheiden hakeminen Eri mekaanisten parametrien mittaus Sähköisen toiminnan mittaus EMG Metaboliittien määritys verestä