A harántcsíkolt vázizom kontrakciója

A vázizomzat működésének elemi megnyilvánulása az izomrostok elektromos impulzus hatására történő megfeszülése (kontrakció).

  • A kontrakció latin eredetű kifejezés, mely összehúzódást jelent, a tudomány azonban egyhangúan a kontrakció szót alkalmazza az olyan izomműködésekre is, ahol az izom nem rövidül.

A kontrakció elindítása történhet akaratlagosan vagy reflexmechanizmus által.

  • Akaratlagos kontrakció esetén az elektromos ingerület az agykéregből indul ki, és több idegsejten keresztül (átkapcsolások mentén) jut el a célzott izomrostokig.

  • Reflex által kiváltott kontrakció esetében az ingerület kiindulópontja a gerincvelő (az érző idegsejt ingerülete nyomán), és innen az ingerület egyetlen átkapcsolással (amelyen keresztül a felsőbb agyi központok befolyásolni is képesek a reflexes mozgásokat) jut el a célrostokig.

Az ingerület érkezése

Egy α motoneuron több izomrostot is beidegez (motoros egység), de minden izomrosthoz csak egyetlen α motoneuron kapcsolódik. Ha ingerület érkezik az α motoneurontól, akkor az a motoros egységhez tartozó valamennyi beidegzett izomrosthoz eljut, és azok egyszerre, teljes hosszukban aktiválódnak, de ha egy α motoneuron inaktív marad (az inger túl kicsi volt), akkor az általa beidegzett izomrostok semmiképpen nem képesek működésbe lépni (mindent vagy semmit törvény).

  • Ha az inger erőssége eléri az α motoneuron ingerküszöbét, akkor a kiváltott akciós potenciál (AP) továbbterjed az izomrost felé, a neuromuszkuláris szinapszison keresztül áttevődik az izomrost sejtmembránjára, és végigterjed azon, kiváltva a kontrakciót az izomrost teljes hosszában.
  • Ha nem éri el, akkor az ingerület az α motoneuronban elakad, nem érkezik AP a hozzá kapcsolódó izomrostokhoz, így azok inaktívak maradnak.

Az ingerület erőssége
(lenyíló, katt ide!)

Az ingerület bejutása az izomrost belsejébe

Az izomrost membránján végighaladó ingerületnek valamilyen módon be kell jutni a rost belsejébe. Erre szolgálnak a T-tubulusok, amelyek a szarkomerek A és I csíkjának találkozásánál türemkednek be, és körbeveszik az egyes myofibrillumokat, biztosítva azt, hogy az ingerület valamennyi szarkomerhez eljusson.

A Ca2+ kiáramlása a szarkoplazmatikus retikulumból

A T-tubulusokon végighaladó akciós potenciál a T-tubulusok közvetlen szomszédságában elhelyezkedő szarkoplazmatikus retikulumból Ca2+ kiáramlást kezdeményez, ezáltal az ingerület közvetlenül a kontraktilis fehérjékhez érkezett. Ez a kontrakció elindító kulcsa.

  • A Ca2+ kontrakcióban betöltött szerepét már több mint száz éve felismerték a kutatók (Ringer, 1883; Mines, 1913). A T-tubulosokban találhatók az úgynevezett dihidropiridin receptorok (DHPR), melyek érzékenyek a feszültségváltozásra. Ezekben a receptorokban az akciós potenciál érkezésekor konformációváltozás (szerkezeti és alaki változás) következik be. Ezt a konformációváltozást érzékelik a közvetlen szomszédságban lévő szarkoplazmatikus retikulumok rianodin receptorai, melyek kálcium-csarornái ekkor megnyílnak, kiáramoltatva a Ca2+-okat az izomrost sejtplazmájába (szarkoplazma). A Ca2+ kiáramlása passzív, tehát energiaigény nélküli folyamat.

A kontrakció

Az izomkontrakció molekuláris mechanizmusának kutatásában mérföldkőnek tekinthető az a felfedezés, amely szerint az izom rövidülése úgy jön létre, hogy az aktin és miozin filamentumok egymás mentén párhuzamosan, de ellentétes irányba elcsúsznak anélkül, hogy maguk a filamentumok rövidülnének (Huxley és Niedergerke, 1954; Huxley és Hanson, 1954). A jelenséget csúszó filamentum mechanizmusnak (sliding filament mechanism) nevezzük.

Az aktomiozin kialakulása

Az aktomiozin egy olyan molekula-komplexum, amely az izomkontrakció során az aktin és a miozin fehérjék átmeneti összekapcsolódásából alakul ki.

Az izomkontrakció alapját a miozinfej három jellemző tulajdonsága képezi:

  • aktinkötő domén található rajta, vagyis képes az aktinhoz rögzülni,
  • mechanokémiai enzim (ATP-áz), azaz képes ATP-t bontani (hidrolizálni), és a felszabaduló energiát munkavégzésre fordítani,
  • a fej flexibilisen illeszkedik a rúdhoz, így a fej és a rúd által bezárt szög változhat.

Ha az izom nyugalomban van (amikor a sejtplazma Ca2+ koncentrációja alacsony), a tropomiozin fehérje az aktin teljes hosszában elfoglalja annak miozinkötő helyeit, tehát nem jöhet létre az összekapcsolódás.

A Ca2+ kiáramlásakor azonban a Ca2+ a tropomiozinon lévő troponin C-hez kötődik, melynek hatására a tropomiozin elfordul olyannyira, hogy az aktinon található miozinkötő helyek felszabadulnak. Ekkorra (az ATP-áz reakció bevezetéseként) az ATP a miozin nukleotidkötő zsebében már az enzimhez kötött ADP+Pi formában van (ez a miozin nyugalmi állapota), ami lehetővé teszi, hogy a miozin feje az aktinhoz kötődjön, és létrehozza az aktomiozin kötést vagyis a kereszthidat.

A kereszthídciklus

Az izom mechanikai munkavégzése az aktin és miozin filamentumok egymással ellentétes irányba történő elcsúszása révén jön létre (csúszó filamentum mechanizmus).

A csúszó filamentum mechanizmus felfedezését követően A. F. Huxley (1974) arra is rájött, hogy az elcsúszást a kereszthidak ciklikus létrejötte és felbomlása hozza létre.

  • Az elcsúszást a kereszthidakban (a miozin feji és nyaki részében) kialakuló konformációváltozás (molekuláris szerkezetváltozás) hozza létre, amely egy biccentésszerű elmozdulás, ami az aktint a szarkomer közepe (H sáv) felé mozdítja el.

A kereszthídciklus folyamata

A miozinfej három szegmensből tevődik össze: 50 kDa (kilodalton), 25 kDa és 20 kDa molekulasúlyú szegmens. A legnagyobb molekulasúlyú (aktinkötő) szegmenset kettéválasztja egy hasadék, amelynek szélessége függvényében az aktin és miozin közötti kötés lehet "erős" és "gyenge" (Lymn és Taylor, 1971). A hasadék szélességét az ATP szabályozza (Rayment és munkatársai, 1993).

  • Az ATP hasadékba hatolásakor az 50 kDa molekulasúlyú szegmens alsó és felső része eltávolodik, és ennek következtében az aktomiozin kötés gyengül.

  • Az ATP bontása, majd a Pi leválása következtében a hasadék bezáródik, ennek eredményeként az aktomiozin kötés erősödik.

A kereszthídciklus az alábbiak szerint modellezhető:

  • Miután a miozinfej hozzátapadt az aktinhoz, az ATP-áz reakció második szakaszaként a Pi leválik az enzimről, és ezzel egyidőben a fej kapcsolata az aktin miozinkötő doménjével szorossá válik.
  • Az ATP-áz reakció a következő lépésben válik teljessé. Az ADP leválik a miozinfejről és bekövetkezik a miozinfej biccentésszerű elmozdulása, az ún. erőcsapás (power-stroke). A fej magával viszi a szorosan hozzá kötött aktinfilamentumot, ezzel közös hossztengelyük mentén a miozinrúd közepe felé csúsztatja a vékony filamentumot. Az összehúzódás alatt sem a vékony, sem a vastag filamentumok hossza nem változik, az elcsúsztatás csak a filamentumok átfedését növeli meg.
  • Az ATP belép, majd teljes egészében bejut a miozinfej hasadékába, ezzel meggyengíti az aktinnal való kötést, majd a miozinfej leválik az aktinról.
  • Az ATP ADP-re és Pi-re bomlik szét az ATP-áz enzim segítségével, eközben a miozinfej az aktin egy új kötőhelyéhez kerül, így a miozinfej ismét kapcsolódhat az aktinhoz.

Ha a kontrakciós jelzés fennáll, az előbb leírt folyamat ismétlődik, kereszthidak képződnek és oldódnak (kereszthídciklus), közben az aktinfilamentum ismételten elcsúszik a miozinfilamentumon.

A kontrakció során sok miozinfej sok aktinmonomerrel reagál, a néhány nanométeres elcsúszásból adódik a jelentős erőkifejtés.

  • Az egyes miozinmolekulák ATP-áz ciklusának aszinkronitása a filamentumok csúszásának folyamatosságát teszi lehetővé.

A fentiekből feltűnhet, hogy az ATP ténylegesen nem is az erőkifejtéshez (az erőcsapáshoz) kell. Az ATP ahhoz kell, hogy az aktomiozin mechanoenzim konformációja megváltozzon. Azaz, hogy a miozinfej leváljon az aktinról, és miközben az (ATP-áz mechanoenzim) ADP-re és Pi-re bontja szét az ATP-t, a miozinfej az aktin egy új kötőhelyéhez kerüljön, és a miozinfej ismét kapcsolódhasson az aktinhoz. A Pi leválásával a kapcsolat szorossá válik, és a maradó ADP leválása után következik be az erőcsapás (a tényleges izommunka), amikor sem ATP, sem annak bomlásterméke nincs jelen.

  • Maga az erőcsapás tulajdonképpen a miozinfej "alap" konformációjára való visszaállását jelenti, amely korábban az ATP (energiabefektetés) hatására változott meg.
  • A miozinfej egy kvázi rugós energiatároló szerkezetként fogható fel, amely energia (ATP) befektetésének hatására kerül megfeszített állapotba.

  • ATP hiányában az aktin és a miozinfej szorosan egymáshoz kapcsolódva marad a miozinfej "biccentett" állapotában (rigor állapot). Ez következik be a halál után egy idővel, amikor az élet megszűnésével az ATP lebomlott (hullamerevség; rigor mortis).
  • Extrém erős (túlhajszolt, nem kellően edzett) izommunka során az izomzat alacsony ATP-szintje révén az izommerevség hirtelen, egyik pillanatról a másikra állhat be, a további izommunkát lehetetlenné téve.

A Ca2+ visszaáramlása a szarkoplazmatikus retikulumba

Mindaddig, amíg Ca2+ van jelen, ez a folyamat végbemehet. Amennyiben nem érkeznek akciós potenciálok, a Ca2+ visszakerül a szarkoplazmatikus retikulumba, aminek következménye az aktin és a miozin közötti kölcsönhatás megszűnése. Ez a folyamat aktív, tehát ATP-t igénylő transzport folyamat, és a SERCA (szarkoplazmatikus/endoplazmatikus retikulum Ca-ATP-áz) nevű pumpa működteti.

  • A relaxáció időtartama 2-3-szorosa a kontrakcióénak, és a gyors izomrostokban, a Ca2+ pumpa is hatékonyabb, így ezekben a rostokban a kontrakció mellett a relaxáció is gyorsan megy végbe.

A túlerőltetett sportmozgások során az izommerevség kialakulásában az is szerepet játszik, hogy ATP hiányában az elernyedés nem tud megfelelően végbemenni (nincs elég ATP a SERCA működtetéséhez), ill. a pumpa aktivitása is csökken acidózisban.

  • A SERCA szubsztrátja a Mg-ATP, így a magnéziumkoncentráció jelentős csökkenése is gátolhatja a működését.

A Ca2+ egyensúly

Az izomműködés egyensúlyának alapfeltétele, hogy a sejtbe beáramló Ca2+ mennyisége megegyezzen az eltávolított Ca2+ mennyiségével, ez védi a sejtet a Ca2+ túltöltődéstől.

  • Ha nő a Ca2+ beáramlás, növekszik a felszabadult Ca2+ mennyisége is. A több felszabadult Ca2+ intenzívebb Ca2+ eltávolítást okoz a Na/Ca kicserélőn (NCX), ugyanakkor fékezi a további Ca2+ beáramlást (feedback).

A csúszó filamentum elmélet kiterjesztése

Az izom feszülés alatti hosszabbodása (excentrikus kontrakció) nem írható le maradéktalanul a fent ismertetett csúszó filamentum modellel (koncentrikus kontrakció), mivel a jelenlegi ismeretek szerint a miozin konformációváltozásának folyamata csak egyirányú lehet.

Az excentrikus kontrakció molekuláris mechanizmusa nem teljesen ismert, a leginkább elfogadható elmélet szerint az excentrikus kontrakció közben az izmot mindvégig érik elektromos impulzusok, tehát aktív. Kereszthidak létesülnek és bomlanak fel (ami lehetővé teszi a terhek kontrollált leengedését), de az aktomiozin kötések feltehetően inkább mechanikai hatásra bomlanak szét, minthogy végigmenjenek a normál ATP-függő szétkapcsolódáson (Flitney és Hirst, 1978), és hátrébb alakulnak ki újra, mint ahol előzőleg voltak.

  • A folyamatra jelenleg tudományos magyarázat nincs, de mivel ATP rendelkezésre áll (és a teljes folyamat során használódik is fel), így valószínűsíthetően az aktomiozin pillanatnyi konformációja nem teszi lehetővé, hogy az ATP beléphessen a miozinfej hasadékába.
  • Ez logikus is, hiszen ha az ATP az erőcsapás beteljesedését (a rigor állapotot) megelőzően is beléphetne, akkor az erőcsapás részben vagy teljesen az aktinhoz való kötődés nélkül menne végbe.

A kereszthídciklusnak viszont mindenképpen az erőcsapással kell folytatódnia. Mivel azonban az aktív izomrostok szarkomereiben létrejött összes kereszthíd erőkifejtési képessége kisebb, mint a legyőzendő ellenállás, az erőcsapás nem tud létrejönni. Az aktomiozin túlnyúlik, és végül a mechanikai erő hatására a miozinfej leszakad az aktinról.

A miozinfej felszabadulásával most már végbemehet az erőcsapás, csak (mivel már nincs az aktinhoz kötve) "üresen". A miozinfej "biccent", csak kapcsolat hiányában nem viszi magával az aktint, és közben visszanyeri az eredeti hosszát is.

A csúszó filamentum modellel szemben ekkor nincs szükség az ATP-re az aktomiozin bontásához, hiszen a miozinfej a mechanikai hatásra már leszakadt az aktinról. Kell viszont ahhoz, hogy a miozinfej "előrenyúljon" és létrejöhessen az aktomiozin kötés már hátrébb, mint előtte.

  • Ehhez szükség van az ATP-re, pontosabban arra, hogy a miozin nukleotidkötő zsebében az enzimhez kötött ADP+Pi formában legyen jelen. Ezért az excentrikus kontrakciónak is van energiaigénye.

A létrejött újabb aktomiozin kifejti a fékező hatását (erőt fejt ki a megnyújtó erővel szemben), de a további nyúlás újra leszakítja a miozinfejet, ami egy következő körben ismét hátrébb köthet, mint előzőleg.

Így gyakorlatilag ekkor is a csúszó filamentum mechanizmus zajlik le (energiafelhasználással együtt), csak az erőcsapás mindig "üresen" történik meg, azután az ATP bontásának hatására a miozinfej "előrenyúl" (mint normál esetben is), hozzáköt az aktinhoz, de nem képes "biccenteni", így pedig az erőkifejtése a megnyújtó erővel szembeni passzív ellenállás formájában jelentkezik, amíg le nem szakad.

A miozin molekula farki része akár 2,5-szeresére nyúlhat az eredeti hosszához képest (Schwaiger és munkatársai, 2002), eközben egyre növekszik benne a feszültség (az egyre nagyobb megnyúlás egyre nagyobb erőhatásra jön létre), míg végül eléri azt a szintet, ami leszakítja a miozinfejet az aktinról.

  • Ez jóval nagyobb erőt jelent, mint amit egy "egyszerű" erőcsapás keltett volna, így érthető, hogy az excentrikus kontrakcióban miért nagyobb a mikrosérülések mennyisége (Clarkson és munkatársai, 1986), ill. arra is magyarázat, hogy az excentrikus kontrakcióban miért van szüksége az izomnak kisebb elektromos ingerlésre ugyanakkora erőkifejtéshez, mint a koncentrikusban (Grabiner és munkatársai, 1995).
  • Vagy továbbgondolva arra is magyarázat, hogy maximális idegrendszeri mozgósítás mellett miért vagyunk képesek sokkal nagyobb erőkifejtésre egy gyakorlat negatív (excentrikus) szakaszában.

Kapcsolat: natstrength@gmail.com