Elektromekanisk koppling i skelettmuskler och myokard. Klassificering och funktioner av ryanodinreceptorer

Detaljer

Funktion elektromekanisk koppling i hjärtmuskelnär att när myokardiet exciteras kommer kalciumjoner in i sarkoplasman inte bara från cisternerna i det sarkoplasmatiska retikulumet, utan även från T-tubuli Utan denna extra källa till kalciumjoner skulle sammandragningen av hjärtmuskeln inte vara tillräckligt stark. . Faktum är att, till skillnad från skelettmuskler det sarkoplasmatiska retikulumet i kardiomyocyter är mindre utvecklat.

Angående systemet T-tubuli, då är de en kraftfull kalciumdepå. Deras diameter är 5 gånger, och volymen av vätska i dem är 25 gånger större än i skelettmuskelfibrer. Dessutom innehåller T-tubuli ett stort antal mukopolysackarider, som bär en negativ laddning på ytan. Genom att binda till kalciumjoner skapar de en betydande tillgång av dessa joner, som omedelbart kan diffundera in i sarkoplasman när de exciteras.

Kraften av sammandragning av kardiomyocyter beror på extracellulärt kalcium, men skelettmuskler gör det inte.

Till skillnad från skelettmuskler myokardkontraktionskraft i stor utsträckning beror på kalciumkoncentrationen i extracellulär vätska. Faktum är att ett välutvecklat system av T-tubuli, som mynnar ut i det omgivande extracellulära utrymmet, är fyllt med extracellulär (interstitiell) vätska med högt kalciuminnehåll. Således tränger extracellulär vätska djupt in i fibrerna genom T-tubulisystemet och fungerar som en nödvändig källa till kalciumjoner för utvecklingen av muskelkontraktion.

Kraften av skelettmuskelkontraktion är praktiskt taget oberoende av förändringar i kalciumkoncentrationen i den extracellulära vätskan. Sammandragningen av skelettmusklerna säkerställs helt genom att kalciumjoner kommer in i sarkoplasman från det sarkoplasmatiska reticulums cisterner, d.v.s. från intracellulära källor.

I slutet av platåfasen av aktionspotentialen stoppar inträdet av kalciumjoner i kardiomyocyten. Från sarkoplasman avlägsnas kalciumjoner snabbt både tillbaka in i det sarkoplasmatiska retikulumet och in i den extracellulära vätskan i T-tubulierna. Som ett resultat avslutas kontraktionscykeln i myokardiet tills en ny aktionspotential kommer.

Varaktighet av sammandragning av skelett- och hjärtmuskler.

Sammandragning av hjärtmuskeln börjar några millisekunder efter starten av aktionspotentialen och slutar några millisekunder efter fullbordandet av aktionspotentialen. Således, varaktigheten av myokardkontraktionen beror på varaktigheten av aktionspotentialen, inklusive platåfasen, och är 0,2 sek i förmaksmyokardiet och 0,3 sek i ventrikelmyokardiet.

Ryanodinreceptor (RyR).

Ryanodinreceptor(RyR) i muskelceller utför det viktigaste funktion av att koppla aktionspotentialen med muskelkontraktion. Ryanodine-receptorer i skelettmuskulaturen aktiveras genom en specialiserad direkt elektromekanisk kopplingsmekanism, och sammandragning av hjärtmuskeln utlöses av mekanismen Ca2+-inducerad Ca2+ frisättning.

Tre isoformer av ryanodinreceptorn har upptäckts: RyR1, RyR2, RyR3, kodad av tre olika gener. RyR har flera regleringsställen, vilket utförs av Ca2+, ATP, calmodulin (CM), immunofilin och calcineurin. Receptorn fosforyleras av CaKMPK II (CaKM-beroende proteinkinas II) och defosforyleras av kalcineurin. I skelettmuskulaturen är RyR1 belägen på CP-cisternerna intill det cytoplasmatiska membranet och dess långa cytoplasmatiska "svans" (den så kallade "fot"-regionen, eller "benet") är i kontakt med dihydroperidinreceptor (DHPR) på plasmalemma. En direkt funktionell interaktion mellan RyR och DHPR på molekylär nivå har dock ännu inte visats. Frågan om deltagande av ett tredje protein i bildandet av kontakt mellan RyR och DHPR diskuteras.

Enligt olika strukturella modeller innehåller C-terminalen av RyR från upp till 10 (12) transmembrandomäner som bildar en membranpor. RyR-aktiviteten moduleras av växt alkaloid ryanodin från barken av Ryania speciosa, som ger den dess namn. På kanaler isolerade från musklerna hos ryggradsdjur och kräftdjur har ryanodin i koncentrationer från nM till μM en aktiverande effekt, medan det vid koncentrationer över 100 μM orsakar fullständig stängning av kanalerna. Det postulerades att ryanodin binder till kanalen i öppet tillstånd. Fysiologisk aktivator av ryanodinreceptorn, särskilt dess hjärtisoform och den ryanodinkänsliga Ca2+-kanalen i ägg sjöborrarär cyklisk ADR-ribos (cADPR) - det mest kraftfulla kända Ca2+-frisättande medlet. Halvmaximal Ca2+-frisättning i homogenat av sjöborreägg observeras vid nanomolära koncentrationer av cADPR, vilket är en storleksordning lägre än för IP3. Det kraftiga beroendet av RR-aktivitet på Ca2+-koncentration (se fig. 6.8) tyder på att mekanismen för Ca2+-frisättning i närvaro av cADPR är en Ca2+-inducerad Ca2+-frisättning.

CaKM-beroende proteinkinas fosforylerar alla tre isoformer av receptorn, vilket leder till dess aktivering. Det har visats att PKA och GMP-beroende proteinkinas också kan fosforylera samma ställe. Fosforylering av detta ställe av cAMP-beroende proteinkinas, särskilt vid stimulering av den b-adrenerga receptorn, aktiverar hjärtisoformen av RyR.
Genereringen av Ca2+-signal med deltagande av cADPR visas för närvarande för ett antal vävnader och celler, för däggdjur och växter. Hos däggdjur är aktivering av vesikelutsöndring av pankreatiska acinära celler och insulinutsöndring av b-celler mycket känsliga för ökningen av Ca2+ orsakad av denna speciella cykliska nukleotid.

Kort sammanfattning av ryanodinreceptorer:

Ryanodine receptorer (RyR)är en speciell typ av kemoaktiverade Ca2+-kanaler som finns i SR-membranet. För däggdjur är 3 isoformer kända: RyR1, RyR2, RyR3. Gen knockout: RyR1 och RyR2 – död under embryonal utveckling RyR3 – livskraftig buk; betyder en minskning av CICR För skelett m-c: de flesta RyR1 är parade med DHPR. Mer betydande är effekten av DICR. För hjärtan är en av 5-10 RyR2 parad med DHPR. Mech-zm CICR spelar en större roll. Fabiatos verk: Essens: Närvaron av en negativ formation representeras av Ca2+-beroende inaktivering av RyR. Mek: Aktiveringsplatsen har hög aktivitet och låg affinitet. Den inaktiva platsen kännetecknas av låg aktivitet och hög affinitet. En ökning av Ca2+-koncentrationen leder till en ökning av affiniteten för agonister i RyR. Experiment med trypsin bekräftade förekomsten av både positiva och negativa regulatorer. Interaktionsmekanismer: Direkt, med sektioner av RyRs interna domäner, genom intermediära proteiner. Åtgärd på yttre ytor av RyR. RyR inkluderar från 80 till 100 cysteinrester, av vilka många kan bli föremål för modifiering. Agera ok: Skicka in funktionen. Minskad förmåga att reglera av andra faktorer. Modifiering med NO: I små koncentrationer – ökar aktiviteten av RyR. På högre nivåer minskar aktiviteten hos RyR.

Rollen för Ca 2+ - joner.

Vanligtvis är en muskel exciterad när nervimpulser från axonerna hos motorneuroner kommer in i den presynaptiska delen nervfiber. Efter 1-2 ms fortplantar sig bullan med verkansstyrka i muskelfibern med en hastighet av cirka 2 m/sek, och efter 5-10 ms sker sammandragning av denna fiber.

Överföring av kommandot att kontraktera från det exciterade cellmembranet till myofibrillerna djupt inne i muskelcellen kallas elektromekanisk koppling. Det förekommer i flera steg, med deltagande av proteinerna troponium och tropomyosin, samt Ca 2+ -joner och består av flera steg:

1. Förökning av excitation djupt in i fibern. I denna process spelar Na + - kanalerna i de tvärgående tubuli (T - tuber) en viktig roll. Med deras hjälp sprider sig excitation snabbt över membranet i det sarkoplasmatiska retikulum - ett system av längsgående rör (de så kallade "triaderna") i vilka Ca 2+ deponeras. I triadernas membran finns potentialkontrollerade Ca 2+ kanaler, som öppnas när depolariseringen sprider sig, så kallad aktionspotential.

2. Ca 2+-joner kommer in i myofibrillerna. I vila, mellan myosin-korsbryggorna och aktinfilamenten, finns ett långt protein - tropomyosin. På aktinfilamenten, varje 40 nm, finns ett sfäriskt protein - troponin. När Ca 2+-joner kommer in får troponin en rundad form och "skjuter" in troponin i skåran mellan aktiiumfilamenten. Platser öppna för fästning av myosin-korsbryggor till aktinfilament. Med hjälp av ATP sker "rodd"-processen.

3. Efter slutet av "slaget" avlägsnas Ca 2+ nonjoner in i det sarkoplasmatiska retikulumet med hjälp av en kalciumpump. När Ca 2+ koncentrationen minskar undertrycks aktiviteten av myosin ATPas och mängden ATP i myofibriller ökar.

4. ATP: ger energi för att separera aktin- och myosinfilamenten efter "stroken" - muskeln slappnar av.

Bristen på ATP förklarar den svåra stringens - aktin- och myosinfilamenten är inte separerade.

Således spelar Ca 2+ joner en ledande roll i elektromekanisk koppling.

3. Neuromotoriska (motoriska) enheter, deras typer.

En neuromotorisk enhet är en samling av en motorneuron, motorneuronens axon och dess grenar, såväl som muskelfibrerna som innerverar detta axon (fig. 15). Beroende på antalet innerverade fibrer delas neuromotoriska enheter in i två grupper:

1. Små neurala enheter - en motorneuron innerverar flera muskelfibrer. Innerverar muskler som kräver subtila och exakta rörelser (ögonmuskler, struphuvud, fingrar).

2. Stora neuromotoriska enheter - en motorneuron innerverar flera hundra muskelfibrer (ryggmuskler, underben).

Fig. 15. Motorenhetens struktur.

Beroende på kontraktionens karaktär delas neuromotoriska enheter in i tre grupper.

När glatta muskelceller aktiveras kan kalciumjoner komma in genom dihydropyridinkänsliga, spänningsstyrda kalciumkanaler av L-typ, som finns i kaveoler, invaginationer av plasmamembranet i kontakt med det sarkoplasmatiska retikulumet. L-typ spänningsstyrda kalciumkanaler aktiveras också som svar på membransträckning, och resultatet är membrandepolarisering. Koncentrationen av Ca 2+ i den extracellulära vätskan är ungefär 10 000 gånger högre än i sarkoplasman. Därför kommer Ca 2+-joner in i cellen ganska snabbt genom Ca 2+-kanaler. Den lilla storleken på den glatta muskelcellen skapar gynnsamma förhållanden för snabb diffusion av Ca 2+ -joner till intracellulära bindningsställen. Därefter initierar Ca 2+-joner frisättningen av Ca 2+ från depån - det sarkoplasmatiska retikulumet och aktivering av processen för sammandragning av glatt muskel. För vissa glatta muskelceller, till exempel de som utgör muskelväggen i arteriolerna, bestämmer inträdet av Ca 2+-joner genom spänningsberoende Ca 2+-kanaler nivån av intracellulär koncentration av Ca 2+-joner. För andra typer glatta muskler detta sätt att öka koncentrationen av Ca 2+ -joner i sarkoplasman är inte signifikant. Aktionspotentialer kan också orsakas av aktivering av snabba spänningsstyrda Na+-kanaler, såsom musens sädesledare.

Ca 2+ -inducerad Ca 2+ frisättning från det sarkoplasmatiska retikulumet spelar en viktig roll vid elektromekanisk koppling och i hjärtmuskeln, där det finns ett stort antal Ca 2+ kanaler av L-typ nära Ca 2+ kanalerna i sarkoplasman. retikulum. Ca 2+-joner lämnar det sarkoplasmatiska retikulumet genom jonkanaler som aktiveras ryanodinreceptorer . För första gången upptäcktes ryanodinreceptorer i skelettmuskulaturen och fick sitt namn från namnet på antagonisten, en alkaloid av växtursprung, ryanodin. Dessutom, i låga koncentrationer, kan ryanodin aktivera Ca 2+ kanalen hos ryanodinreceptorn, och i höga koncentrationer orsakar det dess blockad.

I glatt muskulatur är förhållandet mellan plasmamembranet och det sarkoplasmatiska retikulumet inte lika tydligt organiserat som i skelett- och hjärtmuskeln. Men glatt muskulatur innehåller elektrontäta områden (broar) som mäter cirka 20 nm. Dihydropyridinreceptorer i plasmamembranet och ryanodreceptorer i det sarkoplasmatiska retikulum är kolokaliserade i dessa områden. Tre identifierades och klonades olika typer ryanodinreceptorer: RyR1-typen finns i skelettmusklerna, RyR2-typen finns i hjärtmusklerna. RyR3-isoformen av ryanodinreceptorer tros finnas i glatt muskulatur. Receptorn för ryanodin är ett tetramert komplex bestående av monomerer (transmembranpolypeptider) med en molekylvikt på 500 kDa. Ryanodine glattmuskelreceptorer aktiveras av mikromolära intracellulära koncentrationer av Ca 2+ -joner och koffein. Ryanodinreceptorer hämmas av Mg 2+-joner och ruteniumrött. När det interagerar med Ca 2+-joner bildar ryanodinreceptorkomplexet en kalciumaktiverad Ca 2+-kanal, genom vilken Ca 2+-joner lämnar det sarkoplasmatiska retikulumet in i sarkoplasman. Konduktansen hos ryanodinreceptorjonkanalen för Ca 2+-joner i glatta muskelceller är jämförbar med konduktansen hos ryanodinreceptorjonkanalen i skelett- och hjärtmuskel. Tätheten av ryanodinreceptorer i glatt muskulatur är dock betydligt lägre än densiteten i andra muskelvävnader.

Frisättningen av Ca 2+-joner från det sarkoplasmatiska retikulum till sarkoplasman är lokal till sin natur. Denna lokala och ganska signifikanta ökning av koncentrationen av Ca 2+ -joner kallas Ca 2+ -gnista. Inträdet av Ca 2+-joner genom Ca 2+-kanalerna i plasmamembranet och Ca 2+-gnistan ökar den totala "globala" intracellulära koncentrationen av Ca 2+-joner, vilket initierar processen med sammandragning av glatt muskel. det här - elektromekanisk gränssnittsväg processer av excitation och kontraktion.

Överföring av kommandot att kontraktera från det exciterade cellmembranet till myofibrillerna djupt inne i cellen (elektromekanisk koppling) inkluderar flera sekventiella processer där Ca2+-joner spelar en nyckelroll.

I vilotillståndet sker inte trådglidning i myofibrillen, eftersom bindningscentra på aktinytan är stängda av tropomyosinproteinmolekyler (Fig. 7.3, A, B). Excitation (depolarisering) av myofibrillen och muskelsammandragning associerad med processen för elektromekanisk koppling, som inkluderar en serie av sekventiella händelser.

Som ett resultat av aktiveringen av den neuromuskulära synapsen på det postsynaptiska membranet uppstår en EPSP, som genererar utvecklingen av en aktionspotential i området kring det postsynaptiska membranet.

Excitation (aktionspotential) sprider sig längs myofibrillmembranet och, genom ett system av tvärgående tubuli, når det sarkoplasmatiska retikulumet. Depolarisering av det sarkoplasmatiska retikulummembranet leder till öppningen av Ca2+-kanaler i det, genom vilka Ca2+-joner kommer in i sarkoplasman (Fig. 7.3, B).

Ca2+-joner binder till proteinet troponin. Troponin ändrar sin konformation och tränger undan tropomyosinproteinmolekylerna som täckte aktinbindningscentra (Fig. 7.3, D).

Myosinhuvuden fäster vid de öppnade bindningscentrumen och sammandragningsprocessen börjar (Fig. 7.3, E).

Ris. 7.3. Mekanism för koppling av excitation och kontraktion:

1 – tvärgående tubuli av det sarkoplasmatiska membranet, 2 – sarkoplasmatiskt retikulum, 3 – Ca2+ jon, 4 – troponinmolekyl, 5 – tropomyosinmolekyl. Förklaring - i texten

Utvecklingen av dessa processer kräver en viss tid (10–20 ms). Tid från ögonblicket av upphetsning muskelfiber(muskel) före starten av dess sammandragning kallas den latenta sammandragningsperioden.

Vi kan urskilja de viktigaste 4 di. Elektromekanisk parning V bur skelett- muskler celler (elektromekaniska parning)...

Elektromekanisk parning V bur skelett- muskler. Överföring av kommandot att dra ihop sig från det exciterade cellmembranet till myofibrillerna på djupet celler(äh...mer detaljer."

Elektromekanisk parning V bur skelett- muskler. Överföring av kommandot att dra ihop sig från det exciterade cellmembranet till myofibrillerna djupt inne i cellen. Läser in.

Mekanisk modell muskler Hilla. Skelett muskel i vila är dess mekaniska beteende ett viskoelastiskt material. I synnerhet kännetecknas den av stressavslappning.

Fysiologiska egenskaper hos atypiskt myokardium: 1) excitabiliteten är lägre än den för skelett- muskler, men högre än så celler kontraktilt myokard, så det är här genereringen av nervimpulser sker

Strukturera muskulös celler Och muskulös proteiner. Grundläggande strukturell enhet skelett- muskulös tyg är muskulös fiber som består av...
När hjärtat drar ihop sig muskler(systole) blod sprutas ut från hjärtat till aortan och artärerna som förgrenar sig från den.

Fysiska och fysiologiska egenskaper skelett-, rejäl och smidig muskler. Förbi morfologiska egenskaper det finns tre grupper muskler: 1) tvärstrimmig muskler (skelett- muskler)

2) kontrollapparat - en grupp nervösa celler, där en modell av det framtida resultatet bildas; 3) omvänd afferentation - sekundära afferenta nervimpulser som går till mottagaren av resultatet av åtgärden för att utvärdera det slutliga resultatet

Baserat på morfologiska egenskaper särskiljs tre grupper muskler: 1) tvärstrimmig muskler (skelett- muskler... fler detaljer".
Myoneural (nervös) muskulös) synaps – bildad av axonet hos en motorneuron och muskulös cell.

Manifesteras av utbredd glykogenavlagring i levern, njurarna, hjärtat muskel, i området nervsystem, skelett- muskler.
5) bestämning av glykogen i leverbiopsi, V celler perifert blod

Liknande sidor hittades:10

Elektromekanisk koppling är sekvensen av processer genom vilka aktionspotentialen hos en muskelfibers plasmamembran resulterar i initieringen av cross-bridge-cykeln. Skelettmuskelns plasmamembran är elektriskt exciterbart och kan generera en fortplantningspotential genom en mekanism som liknar nervcellers (se "Ledning av excitation mellan celler." Aktionspotentialen i en skelettmuskelfiber varar 1-2 ms. och slutar före uppkomsten av några tecken på mekanisk aktivitet (Fig. 30.14) Debuten av mekanisk aktivitet kan vara mer än 100 ms. Den elektriska aktiviteten hos plasmamembranet har ingen direkt effekt på kontraktila proteiner, men orsakar en ökning i den cytoplasmatiska koncentrationen av Ca2+-joner, som fortsätter att aktivera den kontraktila apparaten även efter att den elektriska processen upphört.

Vid vila i en muskelfiber är koncentrationen av fritt joniserad Ca2+ i cytoplasman runt de tjocka och tunna filamenten mycket låg, cirka en tiomiljondels mol/l. Vid så låga koncentrationer upptar Ca2+-joner väldigt få bindningsställen på troponinmolekyler, så tropomyosin blockerar aktivitet över bryggor. Efter en aktionspotential ökar koncentrationen av Ca2+-joner i cytoplasman snabbt och de binder till troponin, vilket eliminerar den blockerande effekten av tropomyosin och initierar cross-bridge-cykeln. Källan till Ca2+-inträde i cytoplasman är muskelfiberns sarkoplasmatiska retikulum.

Det sarkoplasmatiska retikulumet i muskler är homologt med det endoplasmatiska retikulumet i andra celler. Den är placerad runt varje myofibril som en "trasig hylsa", vars segment omger A-skivorna och I-skivorna (fig. 30.15). Ändpartierna av varje segment expanderar till vad som kallas laterala cisterner, anslutna till varandra med en serie tunnare rör. Ca2+ deponeras i de laterala cisternerna; efter stimulering av plasmamembranet frisätts det.

Ett separat system består av tvärgående tubuli (T-tubuli), som korsar muskelfibern vid gränsen mellan A-skivor och I-skivor, passerar mellan sidocisternerna på två intilliggande sarkomerer och kommer ut på fiberns yta och bildar en enda hel med plasmamembranet. Lumen i T-tubuli är fylld med extracellulär vätska som omger muskelfibern. Dess membran, liksom plasmamembranet, kan leda en aktionspotential. Efter att ha uppstått i plasmamembranet sprider sig aktionspotentialen snabbt längs fiberns yta och T-tubuliernas membran djupt in i cellen. Efter att ha nått området av T-tubulierna intill de laterala cisternerna, aktiverar aktionspotentialen de spänningsberoende "gate"-proteinerna i deras membran, som är fysiskt eller kemiskt kopplade till kalciumkanalerna i membranet i de laterala cisternerna. Således depolarisering av T-tubulusmembranet. orsakad av aktionspotentialen, leder till att kalciumkanaler öppnas i membranet i de laterala cisternerna som innehåller Ca2+ i höga koncentrationer, och Ca2+-joner kommer in i cytoplasman. En ökning av cytoplasmatiska Ca2+-nivåer är vanligtvis tillräcklig för att aktivera alla muskelfiberöverbryggor.

Kontraktionsprocessen fortsätter så länge Ca2+-joner är bundna till troponin, d.v.s. tills deras koncentration i cytoplasman återgår till sitt ursprungliga låga värde. Membranet i det sarkoplasmatiska retikulumet innehåller Ca2+-ATPas, ett integrerat protein som aktivt transporterar Ca2+ från cytoplasman tillbaka in i det sarkoplasmatiska retikulumets hålighet. Ca2+ frigörs från retikulum som ett resultat av aktionspotentialutbredning längs T-tubulierna; det tar mycket längre tid att återvända till reticulum än att lämna. Därför kvarstår den ökade koncentrationen av Ca2+ i cytoplasman under en tid och muskelfiberkontraktionen fortsätter efter slutet av aktionspotentialen.

Sammanfatta. Sammandragningen beror på frisättningen av Ca2+-joner lagrade i det sarkoplasmatiska retikulumet; när Ca2+ rinner tillbaka in i retikulum upphör kontraktionen och avslappningen börjar (Fig. 30.16). Energikällan för kalciumpumpen är ATP - detta är en av dess tre huvudfunktioner vid muskelkontraktion (