Trzy typy mięśni. Mięśnie gładkie. Mięśnie szkieletowe (Poprzecznie prążkowane) Mięśnie sercowe

Transkrypt

1 Tkanka mięśniowa 1

2 Trzy typy mięśni Mięśnie szkieletowe (Poprzecznie prążkowane) Mięśnie gładkie Mięśnie sercowe 2

3 Tkanka mięśniowa mięśni szkieletowych 3

4 Mięśnie szkieletowe 4

5 Organizacja miofibryli Source: A. Pilawski Podstawy Biofizyki 5

6 Aktyna, Tropomiozyna i Troponiny Source: A. Pilawski Podstawy Biofizyki 6

7 Tropomiozyna Aktyna, Tropomiozyna i Troponiny Aktyna F TpC wiązanie Ca2+ Source: A. Pilawski Podstawy Biofizyki TpI wiązanie aktyny TpT wiązanie tropomiozyny 7

8 Miozyna ATPaza ELC RLC 8

9 Aktywacja mięśnia 9

10 Aktywacja mięśnia

11 Rola jonów Ca2+ w skurczu mięśnia

12 Mechanizm skurczu mieśnia

13 Mechanizm skurczu mieśnia

14 Mechanizm skurczu mieśnia

15 Mechanizm skurczu mieśnia

16 Włókna białe i czerwone Mięśnie szkieletowe zawierają dwa typy włókien, różniących się mechanizmem wytwarzania ATP. Zawartość każdego z typów włókien jest zmienna w zależności od rodzaju mięśnia a także jest różna u różnych osób. Czerwone ( wolno-kurczliwe") włókna mają więcej mitochondriów, przechowują tlen w mioglobinie, podlegaja metabolizmowi aerobowemu (tlenowemu), i są związane z wytrzymałością. Wolniej produkują ATP. Marańczycy dążą do posiadania jak największej ilości włókien czerwonych. Białe ( szybko-kurczliwe") włókna maja mniej mitochondriów, są zdolne do większego wysiłku (ale krótszego), zużywają ATP bardzo szybko i są bardziej podatne do akumulacji kwasu mlekowego. Podnoszący ciężary oraz Sprinterzydażą do posiadania jak najwiekszej ilości białych włókien.

17 Mięśnie gładkie

18 Mechanizm skurczu mięśni gładkich Skurcz mięśnia gładkiego kontrolowana jest przez oddziaływanie Ca2+ z kalmoduliną Do mięśni gładkich docierają motoryczne systemu autonomicznego i mogą je stymulować do skurczu lub rozkurczu w zależności od rodzaju uwalnianego neurotransmitera to jest noradrenaliny lub tlenku azotu, NO.

19 Mięśnie sercowe Mięsnie sercowe przypominają mięsnie szkieletowe: są prążkowane i każda komórka posiada sarkomery z przemieszczającymi się względem siebie filamentami aktyny i miozyny. Miofibryle każdej komórki są rozgałęzione. Rozgałęzienia te łącza się z sąsiednimi włóknami za pomocą adhezyjnych połączeń (adherens junctions). To silne przyleganie

20 Mięśnie sercowe Potencjał czynnościowy wyzwalający skurcz mięśnia serca generowany jest przez samo serce. Nerwy motoryczne autonomicznego systemu nerwowego połączone są z mięśniem sercowym, ale modulują tylko wzrost lub spadek częstości i siły skurczu mięśnia. Nawet gdy nerwy są zniszczone (jak w trakcie transplantacji serca) serce kontynuuje wewnętrznie wyzwalane skurcze. Potencjał czynnościowy sterujący skurczem mięśnia sercowego przekazywany jest z włókna na włókno przez połączenie szczelinowe (gap junctions). Czas refrakcji mięśnia sercowego jest dłuższy niż sumaryczny czas skurczu (systole) rozkurczu (diastole). Mięsień sercowy jest bogaciej zaopatrzony w mitochondria niż mięsień szkieletowy. Wskazuje to na większe uzależnienie od oddychania komórkowego dla produkcji ATP. Mięsień szkieletowy posiada trochę glikogenu i może korzystać z glikolizy, gdy ograniczone jest zaopatrzenie w tlen. Jednak jakiekolwiek zaburzenie w dopływie utlenowanej krwi do mięśnia sercowego szybko prowadzi do jego uszkodzenia a nawet śmierci w niedotlenionej części. Tak dzieje się w trakcie zawału mięśnia sercowego.

21 Źródła energii dla mięśni Skurcz włókna mięśniowego wymaga nakładu energii w postaci ATP W zależności od czasu pracy mięśni, ATP może być uzyskiwany z różnych źródeł Zapasy ATP w komórce wystarczają zaledwie na kilka sekund maksymalnych skurczów Natychmiast po rozpoczęciu wysiłku fizycznego muszą zostać aktywowane procesy biochemiczne mające na celu odtworzenie ATP W komórkach mięśniowych podczas zachodzącej pracy wykorzystywane są procesy o charakterze tlenowym (aerobowym) i beztlenowym (anaerobowym)

22 Ciąg zdarzeń 1. Pierwsze sekundy: ATP i fosfokreatyna 2. Następne sekundy: ATP wytwarzane na drodze beztlenowej glikolizy 3. Następnie: ATP wytwarzane na drodze metabolizmu tlenowego Bieg i droga pozyskiwania energii: 100m: 90% droga beztlenowa 400m: 75% droga beztlenowa 2 minuty: 50% droga beztlenowa Wysiłki długotrwałe- wyłącznie droga tlenowa

23 Źródła ATP w mięśniu szkieletowym Glukoz a Glukoz a Wolne kwasy tłuszczowe Aminokwa sy Metaboliz m tlenowy Glikoliza beztleno wa Fosfokreat yna Kreaty na 2 ADP ATP AMP Skurcz mięśnia, niektóre reakcje enzymatyczne, transport jonów i innych związków

24 ATP i fosfokreatyna energia gotowa zmagazynowana w mięśniach do wykorzystania podczas wysiłków nagłych, o dużej intensywności, nawet bez rozgrzewki decyduje o wyniku w sprincie, skokach, rzutach, uderzeniach Zawartość ATP w mięśniach: 25 mmol/kg suchej masy Ilość wystarczająca na pierwsze sekundy pracy Wiązanie bogatoenergetyczne Również niewielkie ilości: 75 mmol/kg suchej

25 Odtwarzanie ATP z fosfokreatyny Fosfokreaty na P Kinaza kreatynowa ADP Kreaty na ATP Reszta fosforanowa fosfokreatyny jest przenoszona na ADP Udział enzymu: kinazy kreatynowej Powstaje ATP i wolna kreatyna

26 Reakcja miokinazowa Bogata reszta fosforanowa jednego ADP przenoszona na inną cząsteczkę ADP Powstaje ATP i AMP P P 2 ADP ADP P ADP P P Miokina za ATP P P AM P P

27 Glikoliza beztlenowa mleczanowa Wysiłki pośrednie (20 sekund - 2minuty) i intensywne Wykorzystanie cukrów zawartych w mięśniach (glikogen) oraz we krwi (glukoza) bez użycia tlenu Produkując w ten sposób ATP, organizm produkuje także kwas mlekowy Wystarczająca ilość tlenu: spalanie glukozy przebiega w sposób kompletny jako jeden z produktów przejściowych powstaje kwas mlekowy jest on natychmiast przekształcany do kwasu cytrynowego, który jest dalej spalany do CO2 i wody w procesie zwanym cyklem kwasu cytrynowego Deficyt tlenu- GLIKOLIZA BEZTLENOWA kwas mlekowy nie może być przekształcany do kwasu cytrynowego i zaczyna się odkładać w tkance mięśniowej wzrost stężenie kwasu mlekowego- uczucie bólu w trakcie zbyt

28 Kwas mlekowy jest dość szybko odprowadzany z mięśni przez układ krwionośny następnie ponownie przetwarzany w wątrobie do glukozy w procesie zwanym glukoneogenezą po 2 godzinach od ustania zbyt intensywnego wysiłku fizycznego, cały kwas mlekowy jest odprowadzany z mięśni

29 Glikoliza tlenowa Wysiłki długie (ponad 3 minuty) o mniejszej intensywności - jazda od paru km po maratony. Resynteza ATP w tej strefie- niezbędny tlen Ustabilizowanie dostawy tlenu do komórek mięśniowych- kilka minut Po ustabilizowaniu- produkcja ATP w znacznej mierze przez spalanie glukozy w obecności tlenu Po ok minutach wysiłku o umiarkowanej intensywności- włączenie spalanie tłuszczy Dodatkowo w tej strefie, w wypadku niewystarczających zasobów węglowodanów lub tłuszczy, używane mogą być także białka Ich udział jest minimalny, widoczny głównie w przypadku wysiłków typu maraton (w fazie końcowej sięga % procent) Nie powoduje gromadzenia się w organizmie kwasu mlekowego taki wysiłek można wykonywać bardzo długo

30 Substraty Każdaenergetyczne komórka w tym komórka mięśniowa: pozyskiwanie ATP w wyniku rozkładu substratów energetycznych Dwa źródła dla mięśni Wewnątrzmięśniowe Glikogen Triacyloglicerole Krew Glukoza Wolne kwasy tłuszczowe Ciała ketonowe Lipoproteiny osocza Niektóre aminokwasy

31 Substraty krwiopochodne GLUKOZA Stężenie na czczo mg/dl Wysiłek fizyczny Wzrost stężenia glukozy Uwalnianie na skutek rozkładu glikogenu w wątrobie Zużycie rośnie w miarę przedłużania się wysiłku Wysiłek długotrwały (maraton, wyścig kolarski) Endogenna produkcja glukozy: za mało Konieczność uzupełniania węglowodanów Brak: hipoglikemia- niedobór dla mięśni i dla mózgu

32 Glukoza: jej synteza i przemiany Wytwarzana w wątrobie na dwóch drogach Glikogenoliza: rozkład zmagazynowanego glikogenu Glukoneogeneza: synteza glukozy de novo z mleczanu, glicerolu i aminokwasów glukogennych Transport glukozy do komórek mięśniowych: Przez glukotransportery 4 GLUT-4 Po spożyciu posiłku węglowodanowego: Wzrost poziomu insuliny Insulina zwiększa liczbę transporterów w błonie komórkowej Wzrost transportu glukozy do wnętrza komórek

33 Glukoza: jej synteza i przemiany Wysiłek fizyczny: Obniżenie poziomu insuliny Mimo to wzrost transportu glukozy do wnętrza kurczących się komórek mięśniowych Wyjaśnienie: Aktywność skurczowa mięśnia i wzrost stężenia jonów wapnia = przesunięcie GLUT-4 do błony komórkowej

34 Rozkład glukozyglikoliza Droga tlenowa Droga beztlenowa Pierwszy etap glikolizy- rozkład do pirogronianu Wspólny dla obu dróg Droga tlenowa: pirogronian wchodzi w cykl Krebsa Droga beztlenowa: pirogronian przekształcany w mleczan Zysk energetyczny: Glikoliza beztlenowa 1 cząsteczka glukozy = 2ATP

35 Wpływ glukozy na rozwój komórki mięśniowej AMPK - Kinaza aktywowana 5'AMP: - Ketogeneza - oksydacja -Wychwyt glukozy i KT -Aktywność Palmitoilotransferazy I -Wydzielanie insuliny

36 Glikogen

37 Glikogen regulacja

38 Glikogen - zużycie

39 Choroba Pompego

40 Substraty krwiopochodne WOLNE KWASY TŁUSZCZOWE Mięsień zużywa wyłącznie niezestryfikowane (wolne) kwasy tłuszczowe Główne źródło- triacyloglicerole zmagazynowane w tkance tłuszczowej Karnityna- nośnik do mitochondriów Katabolizowane wyłącznie na drodze tlenowej Utlenianie jednej cząsteczki kwasu palmitynowego- 129 ATP

41 Substraty krwiopochodne WOLNE KWASY TŁUSZCZOWE Wysiłek do 40% VO2max pokrycie ponad ½ wydatku energetycznego Wzrost obciążenia- wzrost wykorzystania węglowodanów Punkt skrzyżowania Zrównanie wykorzystania węglowodanów i tłuszczy Najczęściej 40-60% VO2max

42 Metabolizm nerki

43 Czynność nerek Głównym zadaniem nerek jest regulacja objętości i składu krwi oraz płynu pozakomórkowego (utrzymanie stałości środowiska wewnętrznego ustroju izowolemia, izoosmia, izohydria). Nerki wraz z układem oddechowym i przy współudziale układów buforowych obecnych we krwi i płynie pozakomórkowym i śródkomórkowym pozwalają utrzymać prawidłowe ph krwi. W nerce usuwane są końcowe produkty przemiany materii, a mechanizmy wydalania nadmiaru kwasów z różnych przemian (kwas siarkowy, fosforanowy, mlekowy, moczowy) i oszczędzania zasad zapewniają stabilizację stężenia jonów wodorowych. Nerka pozwala na zachowanie stałego ciśnienia osmotycznego płynów ustrojowych, które warunkują utrzymanie prawidłowej struktury błony komórkowej i funkcję komórki, usuwając nadmiar wody oraz składników nieorganicznych z krwi (sód, potas, chlor, wapń itp.). Nerka jest także narządem wewnątrzwydzielniczym (erytropoetyna,

44 Funkcja nefronu Nefron jest podstawową jednostką czynnościową nerki i składa się z kłębuszka nerkowego i systemu kanalików. W każdej nerce znajduje się około 1,2 miliona nefronów. Czynność nerki może być zachowana jeśli całkowita ilość czynnych nefronów przekracza 30%. Początek nefronu tworzy kłębek naczyń włosowatych, składający się z ok. pięćdziesięciu włośniczek z tętniczką doprowadzającą i odprowadzającą, otoczony torebką Bowmana. P roces filtracji (w kłębuszku) jest wynikiem efektywnej różnicy ciśnień między ciśnieniem h ydrostatycznym a onkotycznym w naczyniach kłębuszka. Ultrafiltrat, czyli mocz pierwotny, swoim składem nie różni się od osocza, z wyjątkiem białek, które jako związki wielkocząsteczkowe w prawidłowych warunkach nie przedostają się przez otwory w naczyniach do moczu. We wszystkich odcinkach systemu kanalikowego nefronu dochodzi do tworzenia się z moczu pierwotnego moczu ostatecznego. Powstaje on w wyniku zagęszczania i usuwania z m oczu pierwotnego zbędnych

45 Zagęszczanie moczu przez wazopresynę wzrost ciśnienia osmotycznego osocza krwi i płynu mózgowordzeniowego, hipowolemia, angiotensyna II, sen wzrost wydzielania ADH AVP - Arginine VasoPressin = ADH Antidiuretic Hormone SIADH - the syndrome of inappropriate antidiuretic hormone secretion krew mocz spadek osmolalności osocza, hiperwolemia hamowanie wydzielania ADH kre w moc z Knoers NVAM. N Engl J Med.

46 Zagęszczanie moczu w poszczególnych odcinkach nefronu mechanizm działania wzmacniacza przeciwprądowego (pętla nefronu przechodzi przez rdzeń nerki, który jest hipertoniczny względem zawartości kanalika). Skład moczu pierwotnego (w ciągu doby ok. 1,8 l): szkodliwe produkty przemiany materii, cukry, sole mineralne, witaminy, aminokwasy, woda. Skład moczu ostatecznego (stanowi 0,8% moczu pierwotnego): płyn hiperosmotyczny, który nie zawiera białek i glukozy, o ph 5,5 i żółtej barwie.

47 Regulacja produkcji moczu przez hormon antydiuretyczny (ADH). Kiedy organizm jest odwodniony, ADH powoduje przepuszczalność kanalików zbiorczych dla wody. Więcej wody ulega resorpcji i powstaje mniejsza ilość bardziej stężonego moczu.

48 Kaskada układu renina angiotensyna aldosteron (RAA)

49 Procesy patofizjologiczne, w które zaangażowany jest układ RAA

50 Akwaporyny

51 Typ Miejsce występowania Akwaporyna 1 nerka (szczytowo) proksymalny kanalik kręty proksymalny kanalik prosty cienkie ramię zstępujące pętli Henlego Funkcja Reabsorpcja wody nerka (szczytowo) początkowa część kanalika zbiorczego Reabsorpcja wody w odpowiedzi na korowy kanalik zbiorczy ADH zewnętrzny rdzeniowy kanalik zbiorczy wewnętrzny rdzeniowy kanalik zbiorczy Akwaporyna 3 nerka (podstawno-bocznie) kanalik zbiorczy Reabsorpcja wody Akwaporyna 4 nerka (podstawno-bocznie) kanalik zbiorczy Reabsorpcja wody Akwaporyna 2

52

53 Metabolizm żelaza w nerce

54 Metabolizm glukozy w nerkach Nerki są, po wątrobie, drugim najważniejszym miejscem glukoneogenezy (głównie podczas głodzenia). Jej głównym substratem jest szkielet węglowy aminokwasów (zwłaszcza glutaminy). Amoniak, produkt tych reakcji, jest wydzielany bezpośrednio do moczu, gdzie działa jako bufor.

55

56

57 Rola nerki w glukoneogenezie Podczas okresów poważnej hipoglikemii, które mogą się zdarzyć przy uszkodzeniach wątroby, nerki mogą zapewnić odpowiedni poziom glukozy we krwi W korze nerkowej, glutamina jest preferowanym substratem glukoneogenezy Glutamina jest wytwarzana przez mięśnie szkieletowe podczas głodzenia jako sposób na pozbycie się azotu pochodzącego z katabolizmu aminokwasów

58 W wyniku działania transaminaz grupa aminowa jest przenoszona na alfa-ketoglutaran Następnie glutaminian jest substratem dla syntazy glutaminy, która przenosi kolejną grupę aminową Glutamina jest transportowana do nerek gdzie zachodzą odwrotne reakcje, uwalniając amoniak i alfa-katoglutaran

59 Proces ten ma dwie istotne funkcje: -Amoniak spontanicznie jonizuje do jonu amonowego i jest ostatecznie wydalany z moczem, jednocześnie pełniąc rolę buforu -Glukoza produkowana podczas glukoneogenezy może zapewnić organizmowi niezbędne źródło energii

60

61 Procesy koncentracji moczu i transportu substancji zachodzących w nerkach wymagają dużych ilości energii. Dlatego zużycie ATP, zwłaszcza w korze nerkowej, jest wysokie. ATP jest wytwarzany przez metabolizm oksydacyjny glukozy, mleczanu, kwasów tłuszczowych i aminokwasów.

62

63 Rola nerek w regulacji gospodarki KZ Reabsorpcja zwrotna wodorowęglanów przesączonych w kłębuszkach nerkowych Regeneracja wodorowęglanów w procesie wytwarzania kwaśności miareczkowej i amoniogenezy Wytwarzania HCO3- w cyklu kwasu cytrynowego

64 Pompy protonowe w organizmie w komórkach w kanaliku dalszym nefronu Wagner CA, Kidney International, 2008 okładzinowych żołądka Olbe L et al., Nature Reviews Drug Discovery, 2003

65 Główne elektrolity krwi

66 Luka anionowa w kwasicy metabolicznej

67 Metaboliczne i oddechowe zmiany we krwi w przebiegu zaburzeń równowagi kwasowozasadowej

68 Prawidłowe wyniki moczu (skład moczu).

69 Choroby układu moczowego.

70 Choroby układu moczowego c.d.