CHAPTER 9 - CELLULAR PHYSIOLOGY OF SKELETAL, CARDIAC AND SMOOTH MUSCLE

inhoud

1 — skeletspier

2 — hartspier

3 — gladde spier

4 — samenvatting

1 — SKELETSPIER

histologie

• dwarsgestreept

• lange vezel

• multinucleair

functie

• enkele voorbeelden;

  • bewuste samentrekkingen

  • reflexen

  • lichaamshouding

  • ademhaling

  • …

types skeletspieren (3)

skeletspier — opbouw

• spier

  • omhuld door epimysium

  • opgebouwd uit spierbundels (fascikel)

• spierbundels

  • omhuld door perimysium

  • opgebouwd uit spiervezels (myocyten)

• spiervezels

  • omhuld door endomysium

  • opgebouwd uit myofibrillen

• myofibrillen

  • opgebouwd uit sarcomeren

sarcomeer — opbouw

• 1 sarcomeer loopt v/d ene tot andere Z-lijn

  ‎

• donkere A-band; (actine + myosine)

  • H-band (myosine)

    • M-lijn; midden sarcomeer

• lichtere I-band; (actine)

  • Z-lijn; verbinding sarcomeren

myofibril — opbouw

• sarcoplasmatisch reticulum (SR)

  • opslag calcium

• T-tubuli; grens A- en I-band

  • elektrische signalen → spiervezels

  • verzekeren snelle propagatie AP

• sarcolemma

  • = celmembraan

myofibril opbouw — samengevat

myofibril — eiwitten

• titine

  • “veer”

  • verbinding Z-lijn en M-lijn → houdt actine en myosine op z’n plaats

• nebuline

  • bepaalt lengte actine

• α-actinine

  • verankert actine aan Z-lijn

myofilamenten

• myosine

  • dik

  • koppen binden aan actine

• actine

  • dun

  • kleinste functionele eenheid spiervezel

myosine

• 2 strengen vormen helix;

• 1 myosinestreng;

  • 1 heavy chain (MHC)

  • 2 light chains;

    • essential

      (ELC / MLC1)

    • regulatory

      (RLC / MLC2)

  • koppen;

    • bindingsplaatsen

actine

• G-actine → F-actine

  • globulair (monomeer) → filamenteus (polymeer)

• tropomyosine blokkeert bindingsplaatsen voor myosine op actine

• troponine complex

troponine complex — troponine eiwitten

• TnI

  • bindt actine → blokkeert binding van myosine aan actine i/d rustfase v/d spier

  • voorkomt (ongewilde) contracties

• TnC

  • bindt Ca²⁺ → veroorzaakt verandering i/d structuur v/h troponinecomplex

  • maakt spiercontractie mogelijk

• TnT

  • bindt tropomyosine → correcte positionering om de contractie te reguleren

troponine eiwitten — samengevat

excitatie-contractie (EC)

• AP in motorneuron → NMJ → AP in spiercellen motor unit

• vrijlating Ca²⁺ door;

  • sarcoplasmatisch reticulum; intracellulair

• spiercontractie

spiercontractie — sliding filament model

• startsignaal;

  • Ca²⁺ komt vrij uit SR

  • binding aan troponine-C op actinefilamenten

  • verschuiving tropomyosine → bindingsplaatsen voor myosine op actine komen vrij

• cross-bridge formatie;

  • myosinekoppen binden aan actine = cross-bridge

  • ATP

• power stroke;

  • myosinekopjes trekken actine naar midden v/h sarcomeer

  • spiercontractie

  • ATP

• relaxatie;

  • Ca²⁺ teruggepompt naar SR (SERCA-pomp)

  • tropomyosine bedekt bindingsplaatsen op actine

  • relaxatie

L-type Ca-kanalen (CaCh)

• synoniemen;

  • = DHP-receptor

  • = dihydropyridine-receptor

  • = Cav1.1

    ‎

• plaats; T-tubuli

  ‎

• functie; spanningsgevoelig eiwit / voltage sensor

• spanningveranderingen (door AP) worden gedetecteerd → kanalen gaan open → Ca²⁺ komt in cel

ryanodine-receptoren (RyR) — RyR1

• synoniem;

  • = SR Ca²⁺ - release channel

    ‎

• plaats; SR

• opbouw; 4 subunits (tetrade), met elk een “foot” (N-terminus) die contact maakt met CaCh (CaCh - RyR)

  • = mechanische koppeling → activatie

  • 4 DHP hangen aan 1 RyR, maar er zijn ook vrije RyR’s

    ‎

• functie; regulatie calciumafgifte

  • ryanodine verstoort werking

  • caffeïne verhoogt werking

excitatie-contractie — werking

• EC koppeling;

  • AP → depol. T-tubuli → CaCh open

  • mechanische koppeling (CaCh-RyR) → RyR open → Ca release → cross-bridge cycling → contractie

    ‎

• Ca-induced Ca-release (CICR)

  • positief terugkoppelsysteem

  • kleine stijging [Ca] in het cytoplasma (door L-type CaCh) → grotere calciumafgifte uit het SR (door RyR) → versterkte contractie

    ‎

• lokale ↑ [Ca] kan RyR activeren (in skeletspier weinig belangrijk)

EC — samengevat

cross-bridge cyclus

• wat; cyclus v/h (ont)binden van myosine en actine

• werking; stijging/daling [Ca]_i

  • stijging → contractie

  • daling → relaxatie

    ‎

• Ca-sensor = TnC

  • conformationele verandering

  • power stroke

versterken contractie

• multiple fiber summation

• frequency summation

multiple fiber summation

• = stimuleren van meerdere neuronen resulteert in een sterkere contractie

• hoe meer vertakkingen neuron heeft, hoe sterker respons

• enkel bij skeletspier van toepassing

frequency summation

• = verhoogde AP-frequentie resulteert in een sterkere contractie

• sterkste contractie = tetanus

• enkel bij skeletspier van toepassing

weg naar contractie

motorneuron → AP → T-tubuli → DHP-receptor → RyR1 → SR laat Ca²⁺ los → contractie via troponine C

2 — HARTSPIER

histologie

• dwarsgestreept

• korte, vertakte cellen

• 1 à 2 kernen

  ‎

• intercalated disks

• contact;

  • mechanisch via desmosomen

  • elektrisch via gap junctions

functie

• ritmische samentrekking hart

• bloed rondpompen

opbouw

excitatie-contractie (EC)

• AP in pacemaker (= sinusknoop) → gap junctions → AP in spiercellen v/d motor unit

• vrijlating Ca door;

  • sarcoplasmatisch reticulum; intracellulair

  • L-type Ca²⁺- kanalen; extracellulair

• spiercontractie

spiercontractie — sliding filament model

• startsignaal;

  • Ca²⁺ komt vrij uit SR + extracellulaire Ca²⁺

  • binding aan troponine-C op actinefilamenten

  • verschuiving tropomyosine → bindingsplaatsen voor myosine op actine vrij

• cross-bridge formatie;

  • myosinekoppen binden aan actine = cross-bridge

  • ATP

• power stroke;

  • myosinekopjes trekken actine naar midden v/h sarcomeer

  • spiercontractie

  • ATP

• relaxatie;

  • Ca²⁺ teruggepompt naar SR (SERCA) + Ca²⁺- uitstroom via Na/Ca-exchanger (NCX)

  • tropomyosine bedekt bindingsplaatsen op actine

  • relaxatie

ryanodine-receptoren (RyR) — RyR2

• synoniem;

  • = SR Ca²⁺ - release channel

  ‎‎

• plaats; SR

  ‎

• functie; regulatie (extra) calciumafgifte

  Ca²⁺ sensitief: toename in [Ca²⁺]_i opent RyR receptor

  = Ca-induced Ca-release (CICR)

  = belangrijkste mechanisme van RyR2 activatie

cross-bridge cyclus

• wat; cyclus v/h (ont)binden van myosine en actine

• werking; stijging/daling [Ca]_i

  • stijging → contractie

  • daling → relaxatie

    ‎

• Ca-sensor = TnC

  • conformationele verandering TnC

  • power stroke

excitatie-contractie (EC)

• chemische koppeling CaCh – RyR

  ‎

• AP → depol. T-tubuli → CaCh open → ↑ [Ca]

• CICR → RyR open → massale Ca release

• Ca bindt aan troponine C → cross-bridge cycling → contractie

versterken contractie

• kan enkel door;

  • adrenaline → PKA

    • → fosforylatie Ca_v kanalen → Ca²⁺ influx

    • → Ca gevoeligheid neemt toe

      ‎

• dus geen summations!!

weg naar contractie

SA-knoop → AP via gap junctions → L-type Ca²⁺-kanalen → CICR (RyR2) → Ca²⁺ influx uit SR + extracellulair → contractie via troponine C

3 — GLADDE SPIER

histologie

• ruitjespatroon (dense bodies)

• spoelvormige cel

• 1 centrale kern

functie

• onbewuste samentrekking;

  • organen

  • verbreden / versmallen bloedvaten

  • maag-darmstelsel

  • …

types gladde spieren (2)

• multi-unit

  • stimulatie buitenaf; uitwendige prikkels

  • meerdere contactplaatsen per cel (= varicosities); fijnere controle

  • vb. iris

    ‎

• unitair

  • stimulatie inwendig; propagatie via gap junctions

  • gecoördineerde contractie van alle spiervezels samen; autonoom zns

  • vb. maag-darm

opbouw

excitatie-contractie (EC)

• Ca-influx via L-type Ca²⁺-kanalen

• IP3-receptor activatie → Ca-release uit SR

• “store-operated” Ca-kanalen

  • niet voltage afhankelijk

  • vullen het SR aan bij lage Ca-voorraad

• Ca bindt aan calmoduline → activatie van MLCK

• MLCK fosforyleert MLC → contractie

EC — samengevat

spiercontractie — sliding filament model

• startsignaal;

  • extra- en/of intracellulair Ca²⁺

  • Ca²⁺ + CaM → Ca²⁺- CaM complex

  • complex activeert enzym; myosine light chain kinase (MLCK)

  • MLCK fosforyleert MLC → activatie myosine

• cross-bridge formatie;

  • myosinekoppen binden aan actine = cross-bridge

  • ATP

• power stroke;

  • myosinekopjes trekken actine naar midden v/h sarcomeer

  • spiercontractie (langzaam)

  • ATP

• relaxatie;

  • Ca²⁺ teruggepompt naar SR

  • MLC-fosfatase (MLCP) defosforyleert MLC → inactivatie myosine

  • relaxatie

spiercontractie — sliding filament model

• (de)fosforylatie van myosine “regulatory light chain” controleert cross-bridging

  • MLCK; fosforylatie

  • MLCP; defosforylatie

    ‎

• opm; reageert trager dan troponine C mechanisme in skelet- en hartspier cellen

• opm; sommige gladde spiercellen vertonen “pacemakergedrag” zoals hartspiercellen

vrijlating Ca²⁺

• komen vrij na signaal;

  • hormonaal

  • neuronale prikkels

  • rek v/d spier

  • …

    ‎

• extracellulair Ca²⁺

  • via L-type Ca²⁺- kanalen

• intracellulair Ca²⁺

  • via IP₃-gemedieerde signalering

  • via RYR (CICR)

cross-bridge cyclus

• wat; cyclus v/h (ont)binden van myosine en actine

• werking; stijging/daling [Ca]_i

  • stijging → contractie

  • daling → relaxatie

    ‎

• Ca-sensor = CaM

  • contractie; CaM activeert MLCK → MLCK fosforyleert MLC → activatie myosine

  • relaxatie; MLCP defosforyleert MLC → inactivatie myosine

versterken contractie

• MLC fosforylatie

• “latch state” laat hoge kracht toe bij lage consumptie

weg naar contractie

hormonen/zenuwen/rek → Ca²⁺-influx → bindt CaM → activeert MLCK → myosine gefosforyleerd → contractie

4 — SAMENVATTING

spiercontractie

afbraak Ca²⁺

• Ca uit cel via

  • Na⁺/Ca²⁺-exchanger

  • PMCA-pomp

• Ca heropname

  • actief transport naar SR (SERCA) gereguleerd door;

    • [Ca²⁺]

    • fosforylatie

    • eiwitten (calsequestrin + calreticulin)

      ‎

• opm; hoewel principes van afbraak hetzelfde zijn, verschillen de relatieve bijdragen van elke methode tussen de verschillende spiertypes

aanmaak ATP

skelet-, hart- en gladde spier — opbouw

	skelet	hart	glad
dwarsstreping; sarcomeer	ja	ja	nee
vertakking	nee	ja	nee
nucleus	multi	1 à 2	uni
bewust	ja	nee	nee
troponine	ja	ja	nee; CaM → activatie MLCK
gap junction	-	+++	+

skelet-, hart- en gladde spier — eigenschappen

skelet-, hart- en gladde spier — snelheid

• gladde spier werkt trager, maar

  • even grote kracht

  • minder ATP nodig

    ‎

• oorzaak; membraandepolarizatie wordt gedragen door spanningsgevoelige Ca²⁺ kanalen ipv Na_v kanalen

  • tragere upstroke = depolarisatie fase

  • activatie Ca_v trager dan Na_v

skelet-, hart- en gladde spier — regulerende proteïnen

• enkel onderste twee kennen

• CaM = calmoduline

complete samenvatting

zie note