L6-7 spierfysiologie excitatie-contractiekoppeling ALLES

wat is de relatie tussen contractie en Ca2+ stroom voor een hartspier?

→ nauwe correlatie: Ca2+ influx via L-type/spanningsafhankelijke Ca2+ kanalen is wel essentieel voor initiatie contractie (<-> skelet)

vergelijk de relatie tussen contractie en Ca2+ stroom door L-type/spanningsafhankelijke Ca2+ kanalen bij skelet- en hartspiercellen

1. skelet: enkel beweging spanningssensor L-type kanaal essentieel (actief/inactief zijn kanaal)

2. hart: Ca2+ influx door L-type kanaal essentieel

hoe werkt de excitatie-contractie koppeling in een hartspiercel?

gelijkaardig aan skeletspier:

1. AP → T-tubuli depolariseren

2. → openen spanningsafhankelijke Ca2+ kanalen in plasmamembraan (CaV1.2) → Ca2+ influx

3. → openen calciumgevoelige ryanodine receptoren 2 (RyR2) in sarcoplasmatisch reticulum

4. → Ca2+ komt vrij vanuit SR → stijging intracellulaire Ca2+ conc

5. → activering dwarsbrugcyclus

wat is het verschil tussen skeletspiercel en hartspiercel bij excitatie-contractie koppeling?

1. L-type Ca kanaal in plasmamembraan

   1. skelet: DHPR

   2. hart: CaV1.2

2. RyR kanaal in SR

   1. skelet: RyR1 (fysieke interactie met DHPR)

   2. hart: RyR2 (calciumgevoelig)

3. trigger Ca2+ release uit SR door RyR:

   1. skelet: openen DHPR → verbreekt interactie tsn DHPR en RyR1

   2. hart: Ca2+ influx door L—type Ca kanaal

wat zijn de kenmerken van ryanodine receptoren?

1. = calcium release kanalen in SR van spiercellen

2. 6 TM domeinen

3. tetrameer

4. groot cytosolisch domein

5. variatie in regulatie

welke soort ryanodine receptoren zijn er?

1. RyR1 → skeletspier

2. RyR2 → hart

3. RyR3 → gladde spier, epitheel, hersenen, endotheel, etc

waar vinden we RyR1?

skeletspier

waar vinden we RyR2?

hartspier

waar vinden we RyR3?

gladde spiercellen, endotheel, epitheel, hersenen, etc

welk voor soort receptoren vinden we in SR van skeletspieren?

RyR1

welk voor soort receptoren vinden we in SR van hartspier?

RyR2

welk voor soort receptoren vinden we in SR van gladde spieren, endotheel, hersenen, epitheel, etc? AANVULLEN

RyR3

wat is het relaxatiemechanisme van hartspiercellen?

relaxatie = daling intracellulaire Ca2+ concentratie → na wegpompen Ca uit cytoplasma (<10^-7M)

1. NCX (25%): Natrium Calcium Exchanger: 3 Na nr binnen, 1 Ca2+ nr buiten → belangrijk voor snelle relaxatie hartspier

2. SERCa/PMCa pomp (75%):

   1. SERCa nr SR

   2. PMCa nr buiten

→ extracelullaire Ca2+ conc wel belangrijk voor hartspier: Ca2+ influx nodig voor initiatie contractie + bij relaxatie veel Ca2+ verlies dat moet w gecompenseerd

vergelijk relaxatiemechanismen bij hartspier en skeletspier

1. skelet: SERCa pomp (90%)

   1. relaxatie: recycleert Ca2+ naar SR

   2. initiatie contractie: geen Ca2+ influx nodig

   3. → contractie/relaxatie niet afhankelijk van extracellulaire Ca2+concentratie

2. hart: NXC (25%) + SERCa/PMCa pomp (75%)

   1. relaxatie: Ca2+ vnml uit cel gepompt (snelle relaxatie)

   2. initiatie contractie: Ca2+ influx nodig

   3. → contractie/relaxatie wel afhankelijk van extracelullaire Ca2+ concentratie

hoe wordt de intracellulaire Ca2+ concentratie verlaagd in hartspiercellen vs skeletspiercellen?

1. hart: NXC (25%) + SERCa/PMCa pomp (75%)

2. skelet: SERCa (90%)

hoe kan de hartspiercontractie worden versterkt?

door stimulatie van bèta adrenerge receptoren, dus door adrenaline

wat doet adrenaline met het hart?

1. stijging contractiekracht

2. stijging hartritme (snellere relaxatie)

hoe zorgt adrenaline voor het verhogen van de contractiekracht?

1. adrenaline bindt aan receptor (= Gs-type G proteïne)

2. activatie adenylaatcyclase → ATP omzetten naar cAMP

3. activatie proteïne kinase A → fosforyleert targets (fosforylatie zorgt voor meer activatie):

   1. L-type Ca2+ kanaal

   2. RyR2

   3. PLB (fosfolamban)

   4. troponine-I

4. → meer Ca2+ vrijzetting uit SR → meer contractie

5. → meer SERCa activiteit (PLB): snellere relaxatie (want hartslagen volgen elkaar sneller op)

welke targets worden gefosforyleerd door proteïne kinase A bij stimulatie van bèta adrenerge receptor in hartspiercel?

1. L-type Ca2+ kanaal → meer Ca2+ influx

2. RyR → meer Ca2+ release uit SR

3. PLB (fosfolamban) → snellere relaxatie (meer activatie SERCa pomp)

4. troponine-I → snellere relaxatie

hoe komt het dat adrenaline, dat de contractiekracht verhoogt, ook nog SERCa pomp (relaxatie mechanisme) verhoogt?

1. meer contractiekracht → hartslagen volgen elkaar sneller op → snellere relaxatie nodig

2. werking:

   1. activatie bèta1 adrenerge receptor door adrenaline → activatie adenylylcyclase

   2. omzetting ATP naar cAMP → activatie proteïne kinase A

   3. proteïne kinase A fosforyleert (oa) PLB (fosfolamban) → meer activatie SERCa → snellere relaxatie

wat is PLB en welke rol heeft het in hartspiercellen?

1. = fosfolamban: activeert SERCa pomp in hartspier → snellere relaxatie

2. wordt gefosforyleerd/geactiveerd door proteïne kinase A na stimulatie bèta1 adrenerge receptor door adrenaline

wat zijn positieve ionotropica?

stoffen die de contractiekracht van het hart verhogen → worden gebruikt bij bv hartfalen

geef voorbeelden van positieve ionotropica

1. catecholamines, bv adrenaline → bèta receptor agonisten (stimuleren receptor)

2. PDE inhibitors → remmen afbraak cAMP

3. Ca2+ sensitizers → verhogen affiniteit van sarcomeer voor Ca2+

via welke manieren kunnen positieve ionotropica werken? geef vb

1. bèta-receptor agonisten (stimuleren receptor) → catecholamines, bv adrenaline

2. remmen afbraak cAMP → PDE inhibitors

3. verhogen affiniteit van sarcomeer voor Ca2+ → Ca2+ sensitizers

wat is het verschil in initiatie van contractie bij skelet/hartspier en gladde spier?

1. hart/skelet: strikt gekoppeld aan AP (elektrisch signaal)

2. glad: AP in deze cellen veel minder eenvormig + contractie niet per se gekoppeld aan AP (niet per se elektrisch)

hoe gebeurt de initiatie van contractie in gladde spiercellen?

1. meeste types: dmv NT

2. andere: spontane contractie (pacemakercellen)

3. membraan-uitrekking/mechanische stimulus

wat is kenmerkend aan contractie van gladde spiercellen?

contracties zijn heel traag en duren heel lang

van wat is de dwarsbrugcyclus van gladde spiercellen afhankelijk (in essentie)?

1. in essentie: Ca2+ afhankelijk (idem hart en skelet)

2. MAAR:

   1. bron Ca2+ minder eenvormig dan bij skelet/hart

   2. Ca2+ gevoeligheid kan w aangepast door Ca2+ onafhankelijke signaaltransductiecascades → ook schijnbaar Ca2+ onafhankelijke contracties

3. → vooral evenwicht tussen gefosforyleerde en gedefosforyleerde MLC bepaalt contractie → activiteit MLCK en MLCP cruciaal

hoe wordt de spanningsafhankelijkheid van contractie in gladde spieren bepaald?

→ door type kanaal dat zorgt voor de Ca2+ influx:

1. L-type/spanningsafhankelijk Ca2+ kanaal: meer depolarisatie → meer kanalen open → contractie

2. ROC/SOC: meer depolarisatie → minder drijvende kracht Ca2+ influx → relaxatie → dus hier: hyperpolarisatie zorgt voor contractie!

welke voor soort Ca2+ influx kanalen zijn er in gladde spiercellen?

1. L-type/spanningsafhankelijk (idem skelet/hart) → actief door depolarisatie

2. ROC: receptor operated Ca channel → actief bij activatie receptor

3. SOC: store operated Ca channel → actief door vrijzetten Ca2+ uit SR (→ omgekeerde volgorde dan bij skelet/hart!)

bij gladde spiercellen met ROC/SOC als Ca2+ influx kanaal zorgt … voor contractie, hoe komt dit?

→ hyperpolarisatie:

1. kanalen niet spanningsafhankelijk (AP) → membraanpotentiaal bepaalt vooral drijvende kracht Ca2+

2. bij hyperpolarisatie: meer influx van Ca2+ (drijvende kracht)

3. → contractie

welke soorten contractie via NT in gladde spiercellen zijn er?

1. depolarisatie afhankelijke contractie

2. depolarisatie onafhankelijke contractie

hoe werkt de depolarisatie afhankelijke contractie via NT in gladde spieren?

1. alfa1 adrenerge receptor actief door binden adrenaline/noradrenaline

2. activatie fosfolipase C → omzetting PIP2 in IP3 + DAG

3. IP3 activeert IP3-gevoelige Ca release kanalen op SR → Ca2+ release vanuit SR naar cytosol

4. activatie reeks Ca2+ gevoelige ionenkanalen → depolarisatie (AP)

5. AP activeert spanningsafhankelijke Ca2+ kanaal in plasmamembraan → Ca2+ influx activeert MLCK

6. MLCK fosforyleert myosinehoofdjes → contractie

→ hoe meer depolarisatie, hoe meer contractie

hoe werkt de depolarisatie onafhankelijke contractie via NT in gladde spieren?

1. alfa1 adrenerge receptor actief door binden adrenaline/noradrenaline

2. activatie fosfolipase C → omzetting PIP2 in IP3 + DAG

3. IP3 activeert IP3-gevoelige Ca release kanalen op SR → Ca2+ release vanuit SR naar cytosol

4. DAG activeert…

   1. ROC (receptor operated cation channel) → influx Ca2+ → stijging intracellulaire Ca2+ conc

   2. proteïne kinase C → verhoging Ca2+ gevoeligheid contractie

5. Ca2+ conc hoog → activatie MLCK

6. MLCK fosforyleert myosinehoofdjes → contractie

→ hoe meer depolarisatie, hoe minder contractie (want minder Ca2+ influx)

hoe kan de Ca2+ gevoeligheid van contractie in gladde spieren worden aangepast?

→ modulatie van MLCP en MLCK

1. inhibitie MLCP/activatie MLCK → hogere Ca2+ gevoeligheid

2. activereing MLCP/inhibitie MLCK → lagere Ca2+ gevoeligheid

welke stoffen kunnen zorgen voor een hogere Ca2+ gevoeligheid in gladde spieren?

1. inhibitie MLCP → rho-kinase

2. activatie MLCK → CaM

→ meer gefosforyleerde myosinehoofdjes → meer contractie bij zelfde Ca2+ stijging

welke stoffen kunnen zorgen voor een lagere Ca2+ gevoeligheid in gladde spieren?

1. activatie MLCP → PKA en PKG (door bv NO)

2. inhibitie MLCK

→ minder gefosforyleerde myosinehoofdjes → minder contractie bij zelfde Ca2+ stijging

gladde spiercellen in verschillende organen hebben verschillende eigenschappen, geef hier een concreet voorbeeld van

bv bij allergische reactie → vrijzetting histamine, bindt aan andere soorten receptoren:

1. bloedvaten: H2 receptor → Gs-type → productie cAMP → PKA → inhibitie MLCK → relaxatie, aka bloeddruk daling

2. longen (bronchiolen): H1 receptor → Gq-type → PLC → Ca2+ conc stijging → contractie, aka bronchioconstrictie

→ zelfde hormoon heeft tegengestelde werking op gladde spiercellen

hoe werkt de behandeling van anafylactische schok?

→ via bèta adrenerge agonisten: adrenaline

1. in long (bronchiolen): bèta2 receptor → Gs-type → productie cAMP → PKA → inhibitie MLCK → relaxatie bronchiolen (effect histamine (contractie) tegengaan)

2. bloedvaten: alfa1 receptor → Gq-type → PLC → IP3 → Ca2+ vrijzetting → activatie MLCK → contractie bloedvaten/stijging bloeddruk (effect histamine (relaxatie/bloeddrukdaling) tegengaan)

op welke manieren/niveau’s kan de gladde spiertonus in bloedvaten worden gemodeleerd?

1. ionenkanalen en pompen

   1. stijging Ca2+ concentratie → contractie (vasoconstrictie)

   2. daling Ca2+ concentratie → relaxatie (vasodilatie)

2. soorten receptoren/NT

   1. bv adrenerge receptor: alfa1 → agonist zorgt voor stijging Ca2+ → contractie

   2. bv adrenerge receptor: bèta2 → agonist zorgt voor inhibitie MLCK → relaxatie

3. neuropeptides van autonoom zs

   1. angiotensine receptor AT1 → agonist zorgt voor stijging Ca2+ → contractie

   2. angiotensine receptor AT2 → agonist zorgt voor NO release → relaxatie

hoe werkt de excitatie-contractie koppeling in skeletspiercel?

1. AP → T-tubuli depolariseren

2. → openen spanningsafhankelijke Ca2+ kanalen in plasmamembraan (DHPR) → Ca2+ influx + bewegen spanningssensor

3. → openen ryanodine receptoren 1 (RyR1) in sarcoplasmatisch reticulum door verbreken fysieke interactie DHPR en RyR1 (d bewegen spanningssensor)

4. → Ca2+ komt vrij vanuit SR → stijging intracellulaire Ca2+ conc

5. → activering dwarsbrugcyclus

wat is DHPR?

1. = spanningsafhankelijk (L-type) Ca2+ kanaal: dihydropyridine receptor

2. in plasmamembraan skeletspiercel

3. w geactiveerd d AP

4. activeert zelf RyR1

wat is RyR1?

1. = Ryanodine receptor 1 in sarcoplasmatisch reticulum skeletspiercel

2. w geactiveerd door DHPR

3. wanneer actief: Ca2+ van SR in cel → stijging intracellulaire Ca2+ → start dwarsbrugcyclus

waarom is een dicht netwerk van T-tubuli in skeletspiercellen belangrijk?

fysieke interactie tussen DHPR (plasmamembraan) en RyR1 (SR) nodig voor start dwarsbrugcyclus → moeten dicht genoeg zitten → dicht T-tubuli netwerk nodig

wat is de relatie tussen contractie en Ca2+ stroom in skeletspiercel?

→ geen correlatie tsn kracht en grotere depolarisatie: enkel beweging spannings-sensor v DHPR is cruciaal voor excitatie-contractie koppeling:

1. negatieve Vm: alle DHPR gesloten → geen krachtontwikkeling (spier in rust)

2. depolarisatie → DHPR openen → krachtontwikkeling

3. grotere depolarisatie → meer DHPR open → meer krachtontwikkeling

4. MAAR: depolarisatie tot evenwichtspotentiaal Ca2+ → DHPR open, maar geen Ca2+ influx → nogsteeds max krachtontwikkeling → enkel openen DHPR

is de Ca2+ stroom doorheen DHPR (spanningsafhankelijke Ca kanaal) essentieel voor excitatie-contractie koppeling in skeletspier?

nee, enkel de beweging van de spannings-sensor is belangrijk → activeert RyR1 → deze intracellulaire Ca2+ conc stijging zorgt voor start dwarsbrugyclus

hoe werkt de fysieke interactie tussen DHPR en RyR1 in skeletspiercellen?

1. DHPR (plasmamembraan) gesloten → houdt RyR1 (SR) gesloten → geen Ca2+ vrijzetting vanuit SR → spier in rust

2. DHPR openen door AP → interactie tsn DHPR en RyR1 wordt opgeheven (‘kurk uit fles’) → RyR1 openen → Ca2+ vrijzetting vanuit SR → contractie

door wat kan DHPR geblokkeerd worden?

door dihydropyridine-klasse producten:

1. nifedipine

2. nimodipine

wat is nifedipine?

= dihydropyridine-klasse product, kan DHPR in skeletspiercel blokkeren

wat is nimodipine?

= dihydropyridine-klasse product, kan DHPR in skeletspiercel blokkeren

wat is het relaxatiemechanisme van skeletspiercellen?

relaxatie = daling intracellulaire Ca2+ concentratie → na wegpompen Ca uit cytoplasma (<10^-7M)

1. SERCa pomp (90%): Ca2+ terugpompen naar SR

→ voor skeletspier niet belangrijk of er extracellulair Ca2+ aanwezig is (recycleert)