POWSTAWANIE KOMÓREK M. SZKIELETOWEGO ORAZ KOMÓREK SATELITOWYCH

Transkrypt

1 Tkanka mięśniowa

2 Pre-mioblasty POWSTAWANIE KOMÓREK M. SZKIELETOWEGO ORAZ KOMÓREK SATELITOWYCH 1. Komórki mezenchymalne miotomów różnicują się w wydłużone pre-mioblasty. - powstają miotubule 5. Różnicują się z nich dojrzałe włókna mięśniowe (o typowym wyglądzie). 6. Największy wzrost liczby i masy miotubul zachodzi przed urodzeniem, intensywnie przebiega do ok. 16 r.ż. 2. Pre-mioblasty dzielą się, wydłużają i powiększają, mają dużo rybosomów i mitochondriów. 3. Mioblasty, wrzecionowate komórki prekursorowe, mają 1 jądro, miofilamenty i mikrotubule, układają się w długie łańcuchy. 4. W 4 tygodniu życia poprzez fuzję mioblastów powstają wielojądrzaste miotubule, w których wytwarzane są duże ilości aktyny i miozyny.

3 Budowa mięśnia szkieletowego

4 A. Monomer aktyny = G-aktyna zawiera miejsce wiążące ATP (lub ADP w filamencie). B. Filament aktyny = F-aktyna to 2 protofilamenty owinięte wokół siebie jako 2 równoległe alfa helisy o skoku 37 nm. C. Zdjęcie ME negatywowo wybarwionego filamentu aktyny źródło: B. Alberts, Molecular Biology of the Cell. Fifth Edit

5 Miozyna typu II: 2 łańcuchy ciężkie (spiralnie skręcone nitkowate, ok aa), każdy z ogonem i głową. ORAZ 4 łańcuchy lekkie (ok. 180 aa). Każda główka miozyny to kulista N-część łańcucha ciężkiego i 2 różne łańcuchy lekkie. Po związaniu z aktyną główka miozyny wykazuje aktywność ATPazy.

6

7 Filamenty grube zbudowane są z ok. kilkudziesięciu cząsteczek miozyny II, ułożonych antyrównolegle tak, że ich Dotąd wyodrębniono 4 izoformy główki wysunięte są na zewnątrz w różnych płaszczyznach. łańcuchów miozyny Każdy filament gruby zawiera ok. 300 ciężkiej i 4 izoformy głów miozyny typu II ORAZ łańcuchów lekkich towarzyszące mu białka: miomezynę, miozyny. titynę i białko C. Molec. Biol. of the Cell, 4ed.

8 F-aktyna, tropomiozyna i troponina budują filament cienki. Każdy monomer F-aktyny posiada miejsce aktywne, które może oddziaływać z miozyną. Każda cząsteczka tropomiozyny przyłącza się podłużnie do odcinka F-aktyny zawierajacego 7 podjednostek globularnych. Tropomiozyna połączona jest też z kompleksem troponiny zbudowanej z 3 podjednostek: TnI, TnC, i TnT. Podjednostal TnC występuje tylko w m. szkieletowym.

9 Niski poziom Ca ++ w cytoplazmie: Konformacja troponiny powoduje, że tropomiozyna blokuje na aktynie miejsca jej oddziaływania z główkami miozyny. Wysoki poziom Ca ++ w cytoplazmie: TnC wiąże Ca ++, co odsuwa tropomiozynę i odsłania na aktynie miejsca interakcji z miozyną umożliwiając powstawanie mostków poprzecznych. Molec Biol of the Cell, 4 ed.

10 Równoległy układ miofibryli (M) w 1 włóknie: między nimi leżą mitochondria (Mt), prążki Z leż na tym samym poziomie w sąsiadujących miofibrylach (ME); dzieki temu w mikroskopie swietlnym widoczne jest prążkowanie poprzeczne Miofibryla włókienko kurczliwe zbudowane z liniowo powtarzających się jednostek sarkomerów utworzonych przez makrokompleksy miofilamentów cienkich i grubych oraz towarzyszące im białka podporowe. Wheather s Funct Histol4 ed.

11 Struktura sarkomeru: Jakie białka budują prążki? prążek I tylko filamenty cienkie prążek A filamenty cienkie i grube prążek H filamenty grube bez główek miozyny prążek Z miejsce przyczepu filamentów cienkich

12 Cząsteczki budujące filament cienki i filament gruby Ich wzajemne położenie w miofibryli

13 Budowa sarkomeru na przekroju podłużnym i poprzecznym przez miofibrylę

14 Narysuj przekrój poprzeczny sarkomeru na różnych jego odcinkach prążek I prążek A prążek H linia M

15 Ślizgowy model skurczu mięśnia: filamenty cienkie wsuwają się między filamenty grube wskutek wielu cykli oddziaływania główek miozyny z aktyną: zwężają się prążki I oraz H, długość A bez zmiany. Długość filamentów nie zmienia się! Molec. Biol. of the Cell, 4ed.

16 KANALIKI T - są to regularne wpuklenia błony komórkowej - wprowadzają środowisko zewnętrzne do środka komórki mięśniowej. Poprzez ich błonę fala depolaryzacji (potencjał czynnościowy) zapoczątkowana w płytce motorycznej szerzy się w głąb komórki. TRIADA składa się z trzech elementów: 2 cystern brzeżnych (zbiorników końcowych retikulum sarkoplazmatycznego), i odcinka kanalika T sąsiadującego z nimi

17 TRIADA to leżący w mięśniu szkieletowym na poziomie granicy prążków A/I kanalik T oraz leżące obustronnie 2 zbiorniki końcowe SER zawierające jony Ca ++

18 Depolaryzacja błony komórkowej wywołana impulsem nerwowym zostaje przewiedziona przez kanalik T do wnętrza komórki. i) Zmiana potencjału na błonie kanalika T powoduje w błonie przylegających końcowych zbiorników siateczki, tzw. cystern brzeżnych, ii) iii) Rola triady w skurczu mięśnia otwarcie bramkowanych napięciem kanałów wapniowych, oraz powoduje gwałtowny wypływ Ca 2+ prowadzący do 1000-krotnego wzrostu stężenia Ca 2+ w sarkoplazmie. Cysterny brzeżne zawierają duże ilości Kolorem kalsekwestryny, zielonym zostały białka o wybarwione wysokiej (Nagroda pojemności Nobla wiązania 2008) jony Ca 2+ Ca. 2+ w Kanaliki zbiornikach podłużne siateczki siateczki śródplazmatycznej zawierają w swej części środkowej znaczną ilość pomp wapniowych, które szybko przenoszą Ca++ z sarkoplazmy po ustaniu depolaryzacji.

19 Rianodyna to alkaloid roślinny utrzymujący kanał wapniowy SER w stanie zamkniętym Dihydropirydyna i pochodne to BLOKERY kanału wapniowego typu L Molec. Biol. of the Cell, 4ed. Receptor rianodynowy, RyR, blokuje w spoczynku wypływ Ca 2+ z cystern Pod wpływem depolaryzacji błony kanalika T jego receptory dihydropirydynowe (DHPR), będące wolnymi kanałami Ca 2+, oddziałują z receptorami RyR. Zmiana konformacji RyR odblokowuje kanały Ca 2+ w cysternach brzeżnych, jony Ca 2+ gwałtownie napływają do cytoplazmy

20 E Mechanizm skurczu od myśli do czynu MEP- płytka motoryczna S- włókno mięśniowe NE- pęczek włókien nerwowych

21 Niski poziom Ca ++ w cytoplazmie: Konformacja troponiny powoduje, że tropomiozyna blokuje na aktynie miejsca jej oddziaływania z główkami miozyny Wysoki poziom Ca ++ w cytoplazmie: TnC wiąże Ca ++, co odsuwa tropomiozynę i odsłania na aktynie miejsca interakcji z miozyną; cykli takich jest kilkadziesiąt / sekundę E

22 4. Związanie miozyny z aktyną uczynnia ATP-azową właściwość główek miozyny. ATP związany przejściowo z główkami miozyny ulega hydrolizie, a część wytworzonej energii obraca fragment białka łączący główkę z łańcuchem ciężkim cząsteczki miozyny. Ten obrót przesuwa końcową część główki, a wraz z nią filament aktynowy. Powoduje to przesunięcie ( ślizg) filamentu aktynowego względem filamentu miozynowego- mikroskurcz. 5. Przy braku pobudzenia jony Ca2+ są aktywnie transportowane do siateczki sarkoplazmatycznej. Tropomiozyna blokuje miejsca wiążące miozynę, a filamenty wracają do położenia charakterystycznego dla rozkurczu. Junqueira s Basic Histology, 12th ed, 2010 E

23 Białka podporowe cytoszkieletu komórki mięśnia szkieletowego Wewnątrzsarkomerowe - równoległy element sprężysty a. Alfa-aktynina główny składnik prążka Z b. Miomezyna białko linii M utrzymuje boczny układ filamentów grubych łącząc się z miozyną c. Białko CapZ i d. Tropomodulina e. Nebulina - między prążkiem Z a końcem filamentu cienkiego f. Tityna między prążkiem Z a linią M sarkomeru g. Białko C przyłącza się do filamentów grubych od linii M aż do końca filamentu cienkiego (granica A/I)

24 Tityna, nebulina, -aktynina i desmina to białka stabilizujące strukturę sarkomeru (układ heksagonalny) i równoległe ułożenie miofibryli Junqueira Basic Histol, 11 ed Tityna: 3 mln D!, długość ½ sarkomeru. POŁĄCZONA: na końcach z prążkiem Z, w środku z miomezyną, w prążku A z białkiem C, w prążku I obok Z z aktyną; w prążku I jej część spiralna nadaje sprężystość sarkomerowi.

25 Junqueira, Basic Histol, 11 ed Nebulina: dwie długie nieelastyczne cząsteczki owijają się wokół filamentu aktynowego; ułatwiają jego umocowanie w prążku Z łącząc się z -aktyniną. Jest podporą cienkiego filamentu, jednym końcem związana z prążkiem Z, drugi pozostaje wolny.

26 Białko Cap Z zapobiega dysocjacji G-aktyny od F-aktyny na końcu plus czyli przy prążku Z. Tropomodulina łączy się z końcem minus zapobiegając dołączaniu monomerów G-aktyny. Junqueira, Basic Histol, 11 ed

27 Miomezyna to białko linii M, które sieciuje sąsiadujące filamenty grube, co zapewnia ich regularny przestrzenny układ. W linii M występuje aktywność kinazy kreatyninowej. Enzym ten przenosi grupę fosforanową z fosfokreatyny na ADP odtwarzając ATP.

28 Zewnątrzsarkomerowe białka podporowe: desmina i plektyna wiążą miofibryle ze sobą i z błoną komórkową DESMINA: - Leży prostopadle między miofibrylami, jej filamenty otaczają prążki Z i łączą się z nimi i ze sobą przez białko plektynę. Na obwodzie desmina łączy się z kostamerami, wgłobieniami sarkolemy, mocując prążki Z poprzez białka błony komórkowej w błonie podstawnej włókna. DYSTROFINA poprzez kompleksy dystroglikanu i sarkoglikanu łączy wewnętrzną powierzchnię sarkolemy z: lamininą błony podstawnejoraz filamentami aktyny. W efekcie dystrofina stabilizuje sarkolemę w trakcie skurczu.

29 Rola dystrofiny i łączących się z nią białek Junqueira, Basic Histology, 13rd ed. DYSTROFINA poprzez kompleksy dystroglikanu i sarkoglikanu łączy wewnętrzną powierzchnię sarkolemy z: 1. lamininą błony podstawnej, 2. filamentami aktyny. W ten sposób skurcz sarkomeru przenoszony jest na włókna siateczkowe śródmięsnej, a później na ścięgno.

30 Cząsteczki wiążące białka wewnętrzne włókna mięśniowego z jego błoną podstawną. Muscle Ganong s Review of Medical Physiology, 25e, 2016 dystrophin W kostamerze desmina oraz F-aktyna łączą się z błoną podstawną włókna mięśniowego. Dystrofina (m. cz. 427 kd) łączy się z F-aktyną oraz białkiem błony podstawnej lamininą 211 poprzez α- i β- dystroglikan. Kompleks sarkoglikanu złożony z 4 glikoprotein: α-,β-,γ-, δ-sarkoglikanu, sarkospanu i sarkotrofiny, jest przyłączony do kompleksu dystroglikanu. Szereg chorób mięśni (dystrofii) wynika z braku i/lub zaburzeń w strukturze wymienionych białek.

31 Pod względem metabolizmu, ukrwienia i szybkości skurczu wyróżnia się 3 podstawowe typy włókien Typ 1: wolne włókna czerwone są aerobowe (tlenowe), mały przekrój, dużo mioglobiny, mitochondriów i naczyń. Powolne narastanie siły skurczu, najbardziej odporne na zmęczenie. Typ 2b(x): szybkie włókna białe są głównie anaerobowe (beztlenowe), mało mioglobiny, mitochondriów i naczyń. Duży przekrój, dużo glikogenu i enzymów glikolitycznych. Najszybsze narastanie siły, najszybsza męczliwość (mięśnie uda, biceps, triceps). Typ 2a: szybkie włókna pośrednie, tlenowo-glikolityczne; dużo glikogenu, średnia siła skurczu i wysoka odporność na zmęczenie.

32 JEDNOSTKA MOTORYCZNA to zbiór włókien mięśniowych unerwionych przez jeden neuron ruchowy W Junqueira, Basic Histology, 13rd ed.

33 Płytka motoryczna lub połączenie nerwowo-mięśniowe to połączenie aksonu neuronu ruchowego z włóknem mięśniowym: uwalniana jest acetylocholina (Ach). Receptor nikotynowy płytki motorycznej Junqueira, Basic Histol, 12th ed

34 Połączenie nerwowo mięśniowe Płytka motoryczna połączenie aksonu neuronu ruchowego z komórką mięśniową, neuromediatorem jest acetylocholina (Ach) Myasthenia gravis p-ciała blokujące receptory dla (Ach) powodują osłabienie siły skurczu mięśnia Lowe i Stevens, Histologia, wyd. 1

35 Myasthenia gravis (miastenia) p-ciała blokujące receptory dla (Ach) powodują osłabienie siły skurczu mięśnia Miastenia jest rzadką chorobą autoimmunologiczną, w której przeciwciała wiążą się z receptorami dla acetylocholiny w błonie postsynaptycznej synaps nerwowo-mięśniowych. Wynikiem tego jest wadliwe przekazywanie impulsów do skurczu mięśnia oraz osłabienie jego siły. Leczenie: stosowanie inhibitorów acetylocholinesterazy, niekiedy przynosi efekty. Zdrowa Miastenia zakończenie aksonu pęcherzyk synaptyczny z acetylocholiną cetylocholina wiąże się z receptorem acetylocholinesteraza związana z receptorem dla Ach Płytka mięśniowa Mięsień Autoprzeciwciało p/receptorom Ach

36 ASPEKT LEKARSKI Botulizm - zatrucie jadem kiełbasianym, toksyną Gram-dodatniej bakterii beztlenowej Clostridium botulinum, najczęściej w wyniku spożycia zakażonych konserw. Toksyna ta hamuje uwalnianie acetylocholiny, co prowadzi do paraliżu mięśni (który w przypadku braku pomocy medycznej kończy się śmiercią). Myasthenia gravis jest rzadką chorobą autoimmunologiczną, w której przeciwciała wiążą się z receptorami dla acetylocholiny blokując tym samym dostęp dla acetylocholiny. Kolejne nieaktywne receptory ulegają endocytozie. W ten sposób liczba płytek motorycznych ulega redukcji, a mięśnie szkieletowe (włączając przeponę) ulegają stopniowemu osłabieniu. Niektóre neurotoksyny również wiążą się do receptorów acetylocholiny. Np. bungarotoksyna, obecna w jadzie węża niemrawca prążkowanego (Bungarus multicinctus) (występowanie: Chiny, Tajwan, Płw. Indochiński). Ukąszenie tego gada powoduje u ludzi paraliż, a następnie niewydolność oddechową, która może prowadzić do śmierci.

37 Mięsień serca, w porównaniu do m. szkieletowego komórki rozgałęziają się, 1 jądro w środku, więcej cytoplazmy, mitochondriów i SER, mniej miofibryli W mięśniu serca występują DIADY na poziomie błonki Z Sarkomery nie tworzą długich miofibryli: rozgałęziają się tworząc 3D siatkę Połączenia międzykomórkowe (zwierające i komunikujące) Są KOMÓRKI ROZRUSZNIKOWE, które wytwarzają potencjał czynnościowy i pobudzają KOMÓRKI ROBOCZE Depolaryzacja błony zależna jest od napływu Na + i Ca ++ spoza komórki Metabolizm tlenowy

38 Jakie połączenia międzykomórkowe występują w poprzecznym, a jakie w podłużnym odcinku WSTAWKI? Junqueira, Basic Histology, 13rd ed. Struktura wstawki: obwódka zwierająca i desmosom w poprzek włókna, połączenie szczelinowe wzdłuż; wstawki zawsze pokrywają się z prążkami Z

39 Rysunek pokazuje DIADĘ W M. SERCA inaczej niż w m. szkieletowym kanalik T leży na poziomie prążka Z Molec. Biol. of the Cell, 4ed.

40 Mięsień gładki Komórki wydłużone o wrzecionowatym kształcie Jądra komórkowe położone w komórce centralnie Taśmy gęste na wewnętrznej powierzchni sarkolemmy, ciałka gęste wewnątrz komórki Skurcz wywołany przez endocytozę pęcherzyków z jonami Ca 2+ ; Sąsiednie komórki komunikują się ze sobą przez połączenia typu neksus Duże zdolności regeneracyjne (zdolność do podziałów mitotycznych)

41 Czynnościowy podział mięśni gładkich

42 ROZKURCZ CIAŁKA GĘSTE wiążą filamenty kurczliwe wewnątrz cytoplazmy, a TAŚMY GĘSTE z błoną komórkową SKURCZ

43 Ultrastruktura miocyta gładkiego Taśmy gęste to miejsca przyczepu miofilamentów do błony; ciałka gęste odpowiadają prążkom Z; taśmy i ciałka zbudowane są z -aktyniny. Brak miofibryli, aktyna:miozyna=15:1 (m. szkieletowy: 2:1) Wszystkie główki miozyny skierowane są w 1 kierunku. Filamenty cienkie złożone są z: aktyny i tropomiozyny. W cytoplazmie znajdują się: - odpowiednik troponiny C, kalmodulina - Odpowiednik TnT i TnI, kaldesmon oraz - inne białko wiążące się w rozkurczu z aktyną i tropmiozyną kalponina.

44 Ultrastruktura miocyta gładkiego W miocytach ściany naczyń cytoszkielet wzmacniają filamenty desminowe i wimentynowe, a w innych miocytach tylko desminowe. Filamenty pośrednie pełnią kluczową rolę w stabilizowaniu miofilamentów i cytoszkieletu. SER, słabo rozbudowana w postaci rureczkowatych zbiorników zawiera m.in. kalretikulinę, białko o dużej pojemności wiązania jonów wapnia. Jamki błony (kaweole) odpowiadają kanalikom T. Miocyty gładkie produkują kolagen t. III, elastynę, proteoglikany, składniki błon podstawnej, czynniki wzrostu.

45 Cytofizjologia miocytów Połączenia szczelinowe między włóknami W m. jednostkowych (np. trzewi) skurcz nie jest uwarunkowany impulsem nerwowym Odruchowy skurcz w odpowiedzi na rozciąganie Depolaryzacja błony zależna od napływu jonów Na + i Ca ++ spoza komórki Metabolizm tlenowy W miocytach neurogennych w zakończeniach nerwów przywspółczulnych przekaźnikiem jest ACETYLOCHOLINA, a nerwów współczulnych - NORADRENALINA.

46 Zasada skurczu m. gładkiego: wiązki filamentów cienkich i grubych są zakotwiczone w ciałkach gęstych i taśmach gęstych zbudowanych z α- aktyniny; w wyniku skurczu komórka ulega skróceniu, a jądro skręceniu; skurcz trwa zwykle kilkadziesiąt Junqueira, Basic Histology, 13rd ed. minut - godzin

47 Mechanizm skurczu mięśnia gładkiego zależny od wzrostu stężenia Ca Jony Ca ++ są wiązane przez kalmodulinę (Calm). 2. W efekcie aktywowana jest kinaza łańcuchów lekkich miozyny, MLCK (przy unieczynnieniu białek kalponiny i kaldesmonu, które w rozkurczu związane są z aktyną i tropomiozyną).

48 3. Kompleks: wapń-calm-kinaza fosforyluje łańcuchy lekkie miozyny. 4. Aktywuje to ATPazę miozynową (rozkład ATP) i umożliwia wiązanie się główki miozyny z aktyną, co prowadzi do przesunięcie się główki; skurcz jest b. wolny. Kalmodu- Kinaza łańcuch. Nieufosforyl. lina lekkich miozyny miozyna Molec. Biol. of the Cell, 4ed.

49 Powstawanie komórek mięśnia szkieletowego oraz komórek satelitowych 1. Komórki mezenchymalne miotomów różnicują się w wydłużone pre-mioblasty. 2. Pre-mioblasty dzielą się, wydłużają i powiększają, mają dużo rybosomów i mitochondriów. 3. Mioblasty, wrzecionowate komórki prekursorowe, mają 1 jądro, miofilamenty i mikrotubule, układają się w długie łańcuchy. 4. W 4 tygodniu życia poprzez fuzję mioblastów powstają wielojądrzaste miotubule, w których wytwarzane są duże ilości aktyny i miozyny 5. Różnicują się z nich dojrzałe włókna mięśniowe (o typowym wyglądzie). 6. Największy wzrost liczby i masy miotubul jest przed urodzeniem, intensywnie przebiega do ok. 16 r.ż.

50 KOMÓRKA SATELITOWA w obrębie włókna mięśniowego. M-kadheryna (czerwona) jest w obydwu rodzajach komórek, jądro k. satelitowej niebieskie, k. mięśniowej zielone. Molec Biol. Cell, 5th ed.

51 Komórki satelitowe odpowiadają za regenerację mięśni szkieletowych Są niewielkie, rozpoznawalne w zasadzie tylko w ME Jądra komórek satelitowych stanowią ok. 5% wszystkich jąder włókien mięśniowych. Kk. satelitowe różnicują się do włókien mięśniowych także pod wpływem przetrenowania mięśnia. Warunkiem regeneracji uszkodzonego mięśnia jest zachowanie błony podstawnej i unerwienia włókna. Przerost (hipertrofia) mięśnia szkieletowego zachodzi bez wzrostu liczby komórek mięśniowych.

52 Mięsień sercowy nie regeneruje, mięsień szkieletowy ma ograniczoną zdolność regeneracji, a mięsień gładki wysoką. Chociaż jądra włókna m. szkieletowego nie dzielą się, to jednak ilość włókien może częściowo się odtworzyć po urazie w wyniku dołączania się nowych włókien powstających z komórek satelitowych. W podobnym mechanizmie dochodzi do przerostu (tj. zwiększenia masy) włókien wskutek intensywnych ćwiczeń fizycznych.