Ugrás a tartalomhoz

Az orvosi élettan tankönyve

Attila, Fonyó (2011)

Medicina Könyvkiadó Zrt.

7. fejezet - Az izomműködés

7. fejezet - Az izomműködés

A szervezetben a különböző, nem akaratlagos és akaratlagos mozgásokra az izomsejtek szakosodtak. Ezeknek három alapvető típusa van: az akaratlagos mozgásokat a harántcsíkolt vázizom, a nem akaratlagos mozgásokat a szívizom és a simaizom végzi. Közös tulajdonsága ezeknek az izomtípusoknak, hogy az összehúzódásban két izomfehérje, a miozin és az aktin együttműködése szerepel. Ettől eltekintve azonban a három izomfajta csaknem minden tulajdonságában eltér. Így különbözik szerkezetük, beidegzésük, a membrán ioncsatornái, a nyugalmi membránpotenciál, az akciós potenciál (ha van), a plazmamembrán receptorai, a receptorokhoz kapcsolt jelátvitel, a kontrakciót megindító mechanizmus, a kontrakciós ciklus időskálája, a sarcoplasma-reticulum. A szívizom és a vázizom néhány fontosabb különbségét a 7-1. táblázat, a simaizom és a vázizom különbségeit a 7-2. táblázat foglalja össze.

Az izomélettanban néhány speciális elnevezés honosodott meg. Így az izomsejtek plazmamembránját sarcolemma, a sejtplazmát myoplasma néven említjük.

4.22. táblázat - 7-1. táblázat . A szívizom és a vázizom egyes tulajdonságainak összehasonlítása

Szívizom

Vázizom

Akciós potenciál időtartama

150-300 ms

< 5 ms

Akciós potenciál felszálló szár mechanizmusa (munkaizomzat)

Na+- és Ca2+-beáramlás

Na+-beáramlás

Akciós potenciál kialakításában szereplő membrán ioncsatornák

Feszültségfüggő Na+-csatorna

Feszültségfüggő (L) Ca2+-csatorna

Különböző K+-csatornák

Feszültségfüggő Na+-csatorna

Különböző K+-csatornák

Ca2+-jel forrása

Sarcoplasma-reticulum

Extracelluláris folyadék

Sarcoplasma-reticulum

Ca2+-jel kialakulása

DHPR-Ca2+-csatorna a transzverzális tubulusban

RYR-Ca2+-csatorna a terminális ciszternában

Dihidropiridinreceptor (nem Ca2+-csatorna) a transzverzális tubulusban

RYR-Ca2+-csatorna a terminális ciszternában

Ca2+-jel megszűnése

SERCA a sarcoplasma-reticulumban

Ca2+-ATP-áz a sarcolemmában

3 Na+/Ca2+ kicserélő a sarcolemmában

SERCA a sarcoplasma-reticulumban

Kontrakció időtartama

300 ms

< 100 ms

Refrakter periódus

4-6 ms

> 100 ms


DHPR: dihidropiridinreceptor; RYR: rianodinreceptor (Ca2+-csatorna); SERCA: sarcoplasma-/endoplasma-reticulum Ca2+-ATP-áz

4.23. táblázat - 7-2. táblázat . A simaizmok és a vázizmok egyes tulajdonságainak összehasonlítása

Egyegységes simaizom

Többegységes simaizom

Vázizom

Méretek

Átmérő: 2–10 μm

Hossz: 100–500 μm

Átmérő: 10–100 μm

Hossz: 1000–40 000 μm

Nyugalmi membránpotenciál

–40 és –70 mV között,

(stabil vagy instabil)

–90 mV, stabil

Akciós potenciál időtartama

≥ 100 ms

(ha van akciós potenciál)

4–6 ms

Akciós potenciál mechanizmusa

Ca2+-beáramlás

(ha van akciós potenciál)

Na+-beáramlás (spike)

Membrán ioncsatornák

Feszültségfüggő Ca2+-csatornák

Receptoroperált Ca2+-csatornák

Raktáraktól függő Ca2+-csatornák

Különböző K+-csatornák

Esetenként Na+-csatornák

a) Neuromuscularis junkció: n-ACh-receptor ioncsatorna

b) Sarcolemma: gyors Na+-csatorna,

feszültségfüggő K+-csatorna

Szomatomotoros aktiváló beidegzés

Nincs

Obligát

Autonóm aktiváló beidegzés

Lehetséges

Obligát

Nem szükséges

Gátló beidegzés

Lehetséges

Nincs

Nincs

Vékony filamentumok rögzítése

Sarcolemma “sötét sávok”

Myoplasma “sötét testek”

Z-korong

Vékony : vastag filamentum arány*

13 : 1

2 : 1

Vastag filamentum szabályozás

Esszenciális

Nincs

Vékony filamentum szabályozás

Járulékos

Esszenciális

Ca2+-jel forrása

a) Extracelluláris tér

b) Sarcoplasma-reticulum

Sarcoplasma-reticulum


* Az adatok forrása A. O. Somlyo és A. V. Somlyo: Smooth muscle structure and function. In: The Heart and Cardiovascular System. Raven Press, New York, 1992.

Az izom-összehúzódás molekuláris mechanikája

A két alapvető izomfehérje: az aktin és a miozin

A különböző típusú izmokban az aktinnak és a miozinnak a szövetre jellemző izoformái, továbbá a hozzájuk kapcsolódó szabályozó fehérjék játsszák a központi szerepet az összehúzódásban. Az aktin, ill. a miozin monomerekből fehérje-fehérje kapcsolatokkal szálak képződnek, ezek ciklikusan végbemenő reverzíbilis összekapcsolódása, majd szétválása az izom-összehúzódás alapja.

Az aktin gének produktumai, a különböző aktin izoformák globuláris fehérjék (G-aktin). Az aktinmonomerekből fehérje-fehérje kölcsönhatásokkal hosszan elnyújtott polimer, fibrosus F-aktin keletkezik: az összekapcsolt aktinszálnak polaritása, plusz (+) és mínusz (–) vége van (7-1. ábra). (A polaritásnak a kontrakció mechanizmusában lesz jelentősége.) A különböző izomsejtekben az aktin nagy része F-aktin formájában van jelen. Az aktinmolekulán olyan domének vannak, amelyek specifikusan képesek a miozinfejhez mint aktinkötő fehérjéhez kötődni. Az F-aktin-szálak tovább asszociálódnak, és izomtípusonként eltérő kísérő fehérjékkel együtt az izom vékony filamentumait képezik.

A három izomtípusban jelen lévő miozinok a II. tipusú miozincsaládba tartoznak: erre a családra jellemző a két azonos nehéz lánc alegység (homodimer, szemben a más sejtekben található, miozin I típusú miozinokkal). Mindegyik nehéz alegységnek globuláris fej- („head”) és elnyújtott farokrésze („tail”, „miozinrúd”, „rod”) van, a két asszociált alegység kétfejű molekulát képez (7-2. ábra). A két nehéz lánchoz további kisebb polipeptidek, könnyű láncok csatlakoznak. Az egyes miozinrúd dimerek térben elcsúsztatva „vég a fejhez” kötegekbe rendeződnek, ezzel olyan aszimmetrikus filamentumok jönnek létre, amelyekben a fejek a rudak egyik végén tömörülnek, és térben eltérő irányba tekintenek. Az asszociált miozinkötegek azonban még tovább rendeződnek: két köteg „vég a véghez” csatlakozik, az így keletkező tükörszimmetrikus vastag filamentumokban a funkcionálisan esszenciális miozinfejek a filamentum két ellentétes pólusán vannak (7-3. ábra); a filamentum ezáltal „kéthegyű nyíl”-ra (double headed arrow) emlékeztet, amelyben a fejek a középtől számítva ellentétes irányba mutatnak. A filamentum közepén nincsenek miozinfejek.

A miozinfejnek három jellemző tulajdonsága van: 1. rajta aktinkötő domén található; 2. ATP-t bont (azaz ATP-áz), ezt az aktivitást az aktinhoz való kötődés fokozza (aktinnal aktivált ATP-áz); 3. a fej flexibilisen illeszkedik a rúdhoz, a fej és a rúd által bezárt szög 45 és 90 között változhat. Ez a három tulajdonság az alapja mindhárom izomfajta kontrakciójának. A harántcsíkolt és szívizom, továbbá a simaizom – többek között – a kontrakció szabályozásában, az ebben szerepet játszó fehérjékben különbözik egymástól. A harántcsíkolt és a szívizomban a vékony filamentumon helyet foglaló fehérjék az aktinon lévő miozinkötő domén miozinkötését „engedélyezik” vagy „nem engedélyezik”; a simaizomban a vastag filamentumon lévő aktinkötő domén kap „szabad utat” az aktinkötéshez.

A kontrakció szabályozásában, továbbá az izom szerkezetének kialakításában szereplő egyes további fehérjéket a megfelelő izomtípusnál ismertetjük.

7-1. ábra. Aktinfilamentum

7-2. ábra . A kétfejű miozinmolekula (II. típusú miozin)

7-3. ábra . Bipoláris miozin II. filamentum

A csúszófilamentum-mechanizmus és a kereszthídciklus

A vékony és a vastag filamentumok egymással átfedésben, párhuzamosan helyezkednek el; minden egyes vastag filamentumot 6 vékony, minden egyes vékony filamentumot 3 vastag filamentum vesz körül. Ez az elrendezés szembetűnő a harántcsíkolt és a szívizom elektronmikroszkópos képén, kevésbé szembetűnő, de megvan a simaizomban is. Az átfedő elrendezés az alapja az izom-összehúzódásnak, az ún. „csúszófilamentum-mechanizmus”-nak (sliding filament mechanism).

A kontrakció során – a „megengedő” jelzést követően – ATP jelenlétében az aktin miozinkötő doménje és a miozinfej aktinkötő doménje között kereszthidak létesülnek (aktomiozin). Az aktomiozin mechanoenzim, azaz ATP-t bont, és ezzel összefüggésben konformációja megváltozik. Az izom-összehúzódás a mechanoenzim konformációváltozásának következménye.

ATP hiányában az aktin és a miozinfej szorosan egymáshoz kapcsolódik: ez a rigor állapot (ez következik be a halál után egy idővel, amikor az élet megszűnésével az ATP lebomlott, „hullamerevség”, rigor mortis, 7-4. ábra A). A miozinfej ekkor 45-os helyzetben van a rúdhoz viszonyítva. Mihelyt ATP van jelen – ez a fiziológiás állapot –, az ATP-hez kapcsolt miozinfej és az aktinszál miozinkötő doménje kissé eltávolódik egymástól (7-4. ábra B). Ezt követően az ATP-áz reakció bevezetéseként a kötött ATP az enzimhez kötött ADP + foszfát formában van. A fejen konformációváltozás zajlik le, és ennek következtében a rúd és a fej közötti szög 90-ra változik; a fej az aktinszál plusz vége felé mozdul (7-4. ábra C). A következő lépésben az ATP-áz reakció második szakaszaként a foszfát leválik az enzimről, és ezzel egyidőben a fej kapcsolata az aktin miozinkötő doménjével szorossá válik (7-4. ábra D). Az ATP-áz reakció a következő lépésben válik teljessé (7-4. ábra E). Az ADP leválik a miozinfejről, a fej és a rúd közötti addig 90°-os szög kb. 45°-osra változik, és ezzel bekövetkezik az ún. erőcsapás (angol kifejezéssel 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. A szoros aktin-miozinfej kapcsolat mindaddig fennáll, amíg újabb ATP-molekula nem kötődik a miozinfejhez, és az aktin-miozin kapcsolat oldódásával a miozinfej eredeti 90°-os szögállása vissza nem áll (a miozinfej ekkor az aktinszál egy újabb pontjával kerül szembe). Ha a kontrakciós jelzés fennáll, az előbb leírt folyamat (ATP-bontás, a fej és rúd által bezárt szög változása) ismétlődik: kereszthidak képződnek és oldódnak (kereszthídciklus), közben az aktinfilamentum ismételten elcsúszik a miozinfilamentumon. A 7-3. ábrát megtekintve evidens, hogy 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 csúszófilamentum-mechanizmus alapelve valamennyi izomtípusban azonos, a kereszthídciklust szabályozó fehérjék azonban különböznek.

7-4. ábra . A kontrakciós ciklus

A mechanikai válasz: feszülés és megrövidülés

Az izom felépítésében a leírt „aktív” kontraktilis elemek mellett passzív rugalmas (elasztikus) elemek is szerepelnek. Ezek egy része sorosan kapcsolódik a kontraktilis elemekhez, más részük pedig a kontraktilis elemekkel párhuzamosan kapcsolt. Az aktív elemek összehúzódása megnyújtja a rugalmas elemeket, ennek következtében azok feszülése növekszik, a nyújtás elmúltával pedig visszanyerik eredeti hosszukat.

Az izmok mechanikai válasza attól függ, hogy mennyire van rögzítve az izom két végpontja, mekkora erővel szemben kell az izomnak összehúzódnia. Ha az izom két végpontját nem rögzíti külső erő, akkor az aktív elemek kontrakciójakor a passzív elemek (viszonylag) szabadon mozdulhatnak el, nem feszülnek meg, és az izom két végpontja közeledik egymáshoz. Ez a fajta mechanikai válasz az izotóniás összehúzódás, amely nevét onnan kapta, hogy az összehúzódás alatt az izom mechanikai feszülése nem változik.

Ha az izom két végpontja rögzített, és a rögzítő erők nagyobbak, mint amennyit a kontraktilis elemek ereje le tud győzni, akkor nincs lehetőség az izom megrövidülésére. Ebben az izometriásnak (vagy az üreget képező szívizom esetében izovolumetriásnak) nevezett összehúzódásbanaz aktív elemek kontrakciója megfeszíti a soros passzív elemeket, az izomfeszülés növekszik, de az izom hossza nem változik.

Az előzőekben felsorolt kontrakciófajták „tiszta” formájukban főként laboratóriumi körülmények között figyelhetők meg, voltaképpen szélső helyzeteket reprezentálnak. A szervezeten belüli izom-összehúzódások során az izom részlegesen megrövidül, és közben feszülése is megnő; ezt auxotóniás kontrakciónak nevezik. Egy adott izom különböző kontrakciómódokban eltérő erőt fejthet ki.

Az izomműködés energetikája

Az összehúzódás közvetlen energiaforrása az ATP bomlása. A működő izomban azonban az ATP koncentrációját állandóan tartja az izomban jelen lévő kreatin-foszfát, amely folyamatosan refoszforilálja az ATP bomlása során keletkező ADP-t:

kreatin-foszfát + ADP → kreatin + ATP (felfedezője alapján LOHMANN-reakció).

A működéssel párhuzamosan, ill. a működési periódus lezajlása után az oxidációs és a glikolitikus folyamatokban ATP képződik, és az ATP regenerálja a csökkent kreatin-foszfát-tartalmat, a Lohmann-reakció megfordul:

ATP + kreatin → ADP + kreatin-foszfát.

Az aktív izom hőt termel. A lebomlott ATP energiájának jóval kevesebb mint fele fordítódik mechanikai munkára, az energia több mint fele hő formájában szabadul fel. A hőképződés a fizikus számára „hatásfokcsökkenés”, „energetikai veszteség”, a meleg vérű szervezetek számára azonban a testhőmérséklet fenntartásának nélkülözhetetlen összetevője (l. a 24. és 39. fejezeteket).

A vázizom (harántcsíkolt izom)

Vázizmoknak nevezzük a központi idegrendszer motoneuronjai által beidegzett, részben akaratlagosan, részben pedig reflexesen működtetett, harántcsíkolt szerkezetű izmokat. Vázizmok biztosítják a testtartást, a szervezet helyváltoztatásait (lokomóció), a beszédet, az arc mimikáját és a légzést. A vázizmok nagy része a csontvázhoz rögzül, egy vagy több ízületet hidal át, de az arc ún. mimikai izmai, továbbá a tápcsatorna felső szakaszán, valamint a tápcsatorna és a vizeletlevezető rendszer külső nyílásánál (záróizmok) helyet foglaló izmok nem rögzülnek csonthoz. A vázizmok működése teljes egészében a központi idegrendszertől függ, beidegzés hiányában az izmok bénultak, ernyedt állapotban vannak és sorvadnak.

A sarcomerszerkezet és a csúszófilamentum-mechanizmus

A vázizmok felépítési egysége a többmagvú harántcsíkolt izomrost (7-5. ábra), amely az egyedfejlődés során egymagvú izomsejtek fúziója következtében jön létre. A vázizomrostok mérete nagyon különböző: átmérőjük ugyan csak 10 és 80 μm között van, de hosszuk néhány mm-től 25 cm-ig terjed.

Az egyes rostokat plazmamembrán, a sarcolemma határolja. A sarcolemmán belül helyezkedik el a sarcoplasma, továbbá az izom hossztengelyével párhuzamosan húzódó kontraktilis elemek, a myofibrillumok. A myofibrillumok struktúráját a párhuzamosan rendezett vékony és vastag filamentumok (l. a fejezet bevezető részét), az ezekre merőlegesen és velük párhuzamosan húzódó tartóelemek, továbbá a hozzájuk csatlakozó fehérjék adják.

A myofibrillumokon belüli alapegységek, a sarcomerek az izomrost hosszában sorban helyezkednek el; a harántcsíkolat a vastag és a vékony filamentumoknak a sarcomereken belüli strukturális rendezettségét tükrözi (7-6. ábra). Az egyes sarcomereket egymástól az ún. Z-lemez (a német „Zwischenscheibe” alapján) választja el. A vázizom-kontrakció alatt a sarcomer megrövidül, a Z-lemezek kerülnek közelebb egymáshoz. A Z-lemezek két oldalán helyezkedik el az egyszeres fénytörésű, izotróp I-csík, a sarcomer középső részén pedig a kettős törésű, anizotróp A-csík (a további morfológiai részletektől eltekintünk).

A vastag filamentumokban a középtől kiindulva tükörszimmetrikusan rendezett miozinkötegek foglalják el a sarcomer közepét. Az egyes elongált miozinmolekulák farki részeikkel egymás felé rendeződnek kötegekbe (tail to tail connection), feji végeik pedig a Z-lemez felé néznek. Az egyes kötegeket nagyon elasztikus titin-óriásmolekulák kötik a Z-lemezhez.

Az egyik végükkel a Z-lemezhez rögülő vékony filamentumok polimerizált aktinmolekulákból (F-aktin) állnak, amelyekhez regulátor fehérjék, tropomiozin és a három alegységből álló troponin csatlakoznak (7-7. ábra). A vékony filamentumok másik vége szabad. Az a szakasz, amelyben a vékony filamentumok önmagukban húzódnak, az I-csík, ahol pedig a vastag és a vékony filamentumok fedésben vannak, az A-csík. A vékony és a vastag filamentumok csak részleges fedésben vannak, a sarcomer középső szakaszán csak vastag filamentumok (miozinrudak) találhatók (ez a szakasz a H-zóna). Kontrakció alkalmával a miozinfejek „erőcsapásai” középre húzzák a vékony filamentumot, amelyek így „becsúsznak” a vastag filamentumok közé, ezzel közelebb húzzák a Z-vonalakat (csúszófilamentum-mechanizmus; az összehúzódás alkalmával a sarcomer rövidül, sem a vékony, sem a vastag filamentumok hossza nem változik).

Az aktinszálhoz simuló tropomiozin – nyugalomban – lefedi a sorban egymást követő aktinmonomerek azon doménjeit, amelyekhez miozin kötődhet. A troponin egyik alegysége a tropomiozinhoz kötődik, másik alegysége Ca2+-t kötő fehérje (troponin C). Alacsony Ca2+-szint mellett a troponin C nem köt Ca2+-t (így nyugalomban nem alakul ki aktomiozin komplex). Az összehúzódás jeladója a myoplasma Ca2+-szintjének emelkedése (ennek mechanizmusát később ismertetjük). A Ca2+-szint emelkedésére a troponin C-Ca2+ komplex „elhúzza” a tropomiozint az aktinszálról, ezzel szabaddá válik az aktinmolekulák miozint kötő doménje, és megindul a fejezet elején ismertetett kereszthídciklus. Amikor a myoplasma Ca2+-szintje visszaáll a nyugalmi értékre, a troponin C elengedi a Ca2+-okat, és visszahúzódik a tropomiozinról, ezzel ez utóbbi ismét lefedi az aktin miozinkötő doménjét, megszűnik a kereszthídciklus.

7-5. ábra. Az izom szerkezete

7-6. ábra . A miozinkötegek elhelyezkedése a sarcomerben; a harántcsíkolat kialakulása

7-7. ábra . A vékony filamentum a harántcsíkolt izomban

Az excitációs-kontrakciós kapcsolás

A vázizmok termszetes körülmények között („fiziológiásan”) kizárólag idegi impulzusok hatására húzódnak össze. A neuromuscularis synapsist az 5. fejezetben ismertettük: röviden összefoglalva az idegrostban megjelenő akciós potenciál hatására az idegvégződésből acetil-kolin transzmitter (ACh) szabadul fel, ez nyitja a postsynapticus membránban lévő nikotinos ACh-receptor kationcsatornáját, a membrán depolarizálódik, és a helyi depolarizáció a vázizomroston nagyon gyorsan tovaterjedő akciós potenciált vált ki. Az alapvető kérdés: hogyan alakul ki az izomrost akciós potenciálja nyomán az izomkontrakció, azaz hogyan valósul meg az excitációs-kontrakciós kapcsolás, amelynek esszenciális lépése a kontrakciót közvetlenül kiváltó Ca2+-jel (angolul Ca2+-transient) kialakulása.

A kapcsolás megértéséhez elsőként meg kell ismernünk a benne szereplő elemeket, azok elhelyezkedését.

A sarcolemma kesztyűujjszerűen, transzverzális, T-tubulusok formájában türemkedik be az izomrost belsejébe (7-8. ábra). A sarcolemmával határolt izomroston belül intracelluláris membránnal körülvett hálózat, a sarcoplasma-reticulum (SR) található; a reticulumnak a rost hossztengelyével párhuzamos csövecskéi a longitudinális, L-tubulusok; közel a T-tubulushoz az L-tubulusok kiszélesednek, és egymással szemben terminális ciszternákat alkotnak. A két szemben elhelyezkedő terminális ciszterna és a T-tubulus elektronmikroszkópos képen hármas alakzatot, triádot képez. A sarcoplasma-reticulum a vázizom kalciumraktára: benne a kalcium részben szabadon, ionizált állapotban, részben pedig különböző fehérjékhez kötve tárolódik. A ciszternákon belül a Ca2+-ok koncentrációja lényegesen meghaladja a myoplasma Ca2+-koncentrációját.

Magában a kapcsolásban két membránfehérje, a transzverzális tubulusban elhelyezkedő dihidropiridinreceptor (DHPR) és a terminális ciszternában rögzült rianodinérzékeny Ca2+-csatorna (röviden rianodinreceptor) interakciója vesz részt. A DHPR nevét onnan kapta, hogy egyik alegysége köti a dihidropiridinszármazékokat. A DHPR ugyan szerkezeti rokonságban van az L típusú Ca2+-csatornákkal, de itt nem funkcionál Ca2+-csatornaként, hanem egyszerűen feszültségszenzor. A rianodinreceptorok igen nagy méretű molekulái nagyrészt kiállnak a terminális ciszterna felszínéből, elektronmikoroszkópos képeken „lábakat” képeznek a ciszterna felszínén, amelyek benyúlnak a myoplasmába (l. a 7-8. ábrát). (A név onnan ered, hogy ezek a csatornák megkötik a növényi eredetű rianodint.)

Az akciós potenciál nagy sebességgel terjed a T-tubulusokba, és ott töltéselmozdulást hoz létre a dihidropiridinreceptorokon. Ezen töltéselmozdulás által elindított konformációváltozás tevődik át a rianodinreceptorokra. A rianodinreceptor sarcoplasmába érő része egészen közel kerül a dihidropiridinreceptorhoz, és „átveszi” a konformációváltozás jelzését, nyílik a rianodinreceptor Ca2+-csatornája. A rianodinreceptorokon keresztül passzívan, elektrokémiai gradiensük irányába áramlanak a myoplasmába a Ca2+-ok.

7-8. ábra . A sarcoplasma-reticulum longitudinális tubulusai és a transzverzális (T-) tubulusok a harántcsíkolt izomban

Az elektromechanikai kapcsolás folyamatait összefoglalva:

akciós potenciál az izomroston → depolarizáció a T-tubulusban → töltéselmozdulás és konformációváltozás a DHPR-ben → a rianodinérzékeny Ca2+-csatorna megnyílása → a myoplasma Ca2+-szintjének emelkedése → izomkontrakció.

Meg kell jegyeznünk, hogy – szemben a szívizommal és a simaizmokkal – a vázizom összehúzódásában nem játszik szerepet extracelluláris Ca2+-ok beáramlása.

A vázizom ellazulása során helyreáll a myoplasma Ca2+-koncentrációja. A sarcoplasma-reticulum membránjában – elsősorban a longitudinális tubulusokban – helyezkedik el a Ca2+-pumpa (Ca2+-ATP-áz), amely aktív transzporttal viszi vissza a kiáramlott Ca2+-okat a reticulum lumenébe. (A pumpát SERCA néven említik, ez a sarcoplasma-endoplasma reticulum Ca-ATP-áz-ból származik, és jelzi, hogy ez a pumpa közös mindkét reticulumban.) A reticulumon belül a Ca2+-ok különböző specifikus, kis affinitású fehérjékhez kötődnek; ezek közül legjelentősebb a kalszekvesztrin nevű Ca2+-kötő fehérje; az alacsony affinitás miatt a kötött Ca2+-ok a csatornák nyílásakor könnyen disszociálnak, és elhagyják a reticulum lumenét.

Malignus hyperthermia

A rianodinreceptorok genetikai eredetű hibájának nagy orvosi gyakorlati jelentősége van. Egyes mutációk következtében néhány, az általános anesztéziában alkalmazott szer (halotán, etil-éter) nyitja a RYR Ca2+-csatornáját, és ennek következtében – minden idegi impulzus nélkül – izomkontrakciók jelentkeznek, amelyek következtében a testhőmérséklet igen magasra emelkedik (malignus hyperthermia). Az állapot kezelés nélkül halálos kimenetelű. A RYR-csatornákat gátolja a dantrolén nevű vegyület, amelyet az állapot kezelésére alkalmaznak.

Akciós potenciál, Ca2+-jel és kontrakciós erő összefüggése a vázizomban; rángás és tetanusz

Az izomban kialakuló akciós potenciál gyors lefolyású, 4-6 ms-on belül lezajlik: a sarcolemma gyors Na+-csatornákat és késői K+-csatornákat tartalmaz, és rövid időn belül teljes a repolarizáció. A Ca2+-jel valamelyes késéssel indul, és a myoplasma Ca2+-koncentrációja csak többször 10 ms alatt tér vissza a kiindulási értékre. A mechanikai válasz (kontrakció) még lassabban cseng le, több mint 100 ms alatt következik be a teljes ellazulás (7-9. ábra A).

Ismételt (elektromos) ingerlés hatására az akciós potenciál minden ingerlésre azonos, a következmények azonban már változnak (7-9. ábra B). Minthogy a myoplasma Ca2+-szintje csak kb. 80 ms alatt tér vissza a kiindulási értékre, ezen az időn belül ingerelve a Ca2+-szint magasabbról indul, az előző kontrakció után az ellazulás nem teljes, és ezért a következő kontrakció erősebb (szuperpozíció). Nagyobb frekvenciájú ingerlésnél a kontrakciók teljesen összefolynak, köztük ellazulás nem jön létre, a myoplasma Ca2+-szintje folyamatosan magas: tetanuszos összehúzódás (komplett tetanusz) jön létre. Természetes körülmények között – amikor az ingerület a központi idegrendszeri motoneuron felől éri az izmot – nem rángás jön létre, hanem tetanuszos összehúzódás, amely vagy komplett tetanusz, vagy inkomplett; az összehúzódás során rövid, nem teljes ellazulási szakaszok figyelhetők meg.

7-9. ábra . Akciós potenciál, Ca2+-jel és kontrakciós erő a vázizomban

A „motoros egység” fogalma; a kontrakció erejének változtatása

Ahogyan az előzőekben említettük, a vázizmokat a központi idegrendszer működteti. Egy-egy nyúltvelői vagy gerincvelői motoros neuronból („motoneuron”) kiinduló motoros axon több izomrostot innervál (l. a 38. fejezetet). A motoneuront és az általa beidegzett izomrostokat motoros egységnek nevezzük. A motoros egységhez tartozó izomrostok minden körülmények között együttesen és szinkronizáltan működnek. A vázizmok működése során egy adott izomban általában nem működik egyszerre minden motoros egység – erre csak kivételesen, maximális erőkifejtés esetén kerülhet sor. A normális „izomtónus” (l. a 38. fejezetet) során a motoros egységek egymást váltják.

A vázizomműködés során a végrehajtandó feladat változhat – pl. nagyobb súlyt kell felemelni – a kifejtett kontrakciós erő ennek megfelelően módosul. Erre a szervezeten belül két lehetőség nyílik: 1. több motoros egység lép működésbe, és 2. a motoros idegekben nő az akciós potenciálok frekvenciája, ennek következtében a sarcoplasma-reticulum nem veszi fel a kibocsátott Ca2+ teljes mennyiségét, szuperpozíció és inkomplett vagy komplett tetanusz lép fel; ennek megfelelően nagyobb erejű a kontrakció. A kontrakció ereje függ továbbá az összehúzódás típusától (izometriás vagy izotóniás), a kiindulási rosthosszúságtól, valamint a kontrakció sebességétől is.

A vázizomrostok heterogenitása

Az emlősök – közöttük az ember – vázizomrostjai különböző típusúak. Az egyik főtípus a vörös rost, amely a benne lévő nagy mennyiségű mioglobin és sok mitochondrium alapján nyerte elnevezését. Ezek a rostok a működésükhöz szükséges energiát (az ahhoz közvetlenül szükséges ATP-t) elsősorban aerob (oxidatív) anyagcsere-folyamatokból nyerik. Bár a rostok aerob energiaszükségletét a folyamatos vérellátásnak kell fedeznie, a jelen lévő mioglobin O2-raktár, és rövid időre akkor is fedezheti az O2-szükségletet, ha a vérellátás nem tart lépést a funkciónövekedéssel. A vörös rostok egyik altípusában az összehúzódás és az ellazulás egyaránt lassan megy végbe: ezek a rostok általában azokban az izmokban találhatók, amelyek tartós összehúzódásokat végeznek, mint pl. a testtartásban szereplő, ún. antigravitációs izmokban. A vörös rostok másik altípusában az összehúzódás és az ellazulás sebessége egyaránt gyors lefolyású.

A fehér rostokban viszonylag kevés a mioglobin és a mitochondrium, de sok a glikogén. Ennek következtében intenzív igénybevételnél az izmok energiaszükségletét rövid időszakra a glikogenolízis és anaerob glikolízis szolgáltatja, a folyamat végterméke tejsav. Az izmok összehúzódása és ellazulása egyaránt gyorsan megy végbe. Ilyen rostok vannak a helyváltoztatásban szereplő egyes végtagizmokban. (A vázizomban a tejsav végtermék, helyben nem alakulhat tovább, a vérkeringés elszállítja, és a májban vagy a szívizomban használódhat fel.)

A szívizom-kontrakció molekuláris élettana

A szív működését, az ingerület keletkezését és vezetését, a kontrakció szabályozását részletesen a 10. fejezetben tárgyaljuk; itt a szívizom szerkezetét és a kontrakció molekuláris mechanizmusát ismertetjük.

A szívizom mikroanatómiája és elektromos tulajdonságai

A szívizom harántcsíkolattal rendelkező izom, azaz a kontrakciót létrehozó vékony és vastag filamentumok ugyanúgy sarcomerekbe rendezettek, mint a vázizomban. Ezzel azonban a váz- és a szívizom közös tulajdonságai ki is merültek (l. a 7-1. táblázatot). Ami alapvetően megkülönbözteti a szívizom szerkezetét a vázizométól, az az egyes rostok kapcsolata. A sarcolemmával körülvett rostok ugyanis intercalaris korongok közvetítésével hálózatot képeznek (7-10. ábra). Az intercalaris korongok egyrészt stabil mechanikus kapcsolódást jelentenek, másrészt az alacsony elektromos ellenállású réskapcsolatok útján az odaérkező elektromos változás akadálytalanul továbbterjed a következő rostra: a szívizom elektromos értelemben syncytium. A 10. fejezetben leírjuk az ingerület keletkezését és útját a szíven belül: a syncytium következtében a szív kontrakciója (szisztolé) szinkronizált, normálisan a kontrakció teljes, minden egyes ingerületet követően minden egyes szívizomrost összehúzódik. Hasonlóan szinkronizált az ellazulás, a diasztolé is. (Emlékeztetőül: a vázizomban csak a rostok egy hányada – frakciója – húzódik össze, az összehúzódó rostok számának növelésével fokozható a kontrakció ereje. Ez a szívben nem lehetséges.)

A szíven belül két fő izomtípust különböztethetünk meg: az ún. nodalis szövetet, amelyben az ingerület képződik, és a munkaizomzatot, amelyik a pumpafunkciót végzi; az alábbiakban a munkaizomzat jellemzőit ismertetjük, a nodalis szövet elektromos tulajdonságait a 10. fejezetben tárgyaljuk.

7-10. ábra . Egymáshoz kapcsolódó szívizomrostok

Az akciós potenciál a munkaizomzatban

A munkaizomzat akciós potenciálja mind időbeli lefolyásában, mind ionális mechanizmusában eltér a vázizomzatétól (7-11. ábra). Az utóbbiban a depolarizációt, a csúcspotenciál felszálló szakaszát a feszültségfüggő Na+-csatornák megnyílása hozza létre, ezt követően a Na+-csatornák inaktiválódnak, és az akciós potenciál kevesebb mint 5 ms-on belül lecseng. A szív munkaizomzatában az akciós potenciál felszálló szára szintén a feszültségfüggő Na+-csatornák megnyílása következtében jön létre, de amikor ezek inaktiválódnak, már nyílnak a feszültségfüggő Ca2+-csatornák, és a beáramló Ca2+-ionok depolarizált állaptban tartják a sejtet; az akciós potenciál akár 300 ms-ig is eltarthat. Minthogy a depolarizált állapotban a szívizom nem ingerelhető – ez vonatkozik mind a külső, mind a szíven belül terjedő ingerekre –, a szívizom az akciós potenciál és a kontrakció teljes időtartama alatt ingerelhetetlen, refrakter stádiumban van. Ennek következtében – ismét ellentétben a vázizommal – sem kontrakció-szuperpozíció, sem tetanusz nem hozható létre, nem jön létre a szívben.

7-11. ábra . Vázizomrost és szívizomrost akciós potenciál és kontrakció-relaxáció ciklus . A: Gyors vázizomrost. A feltüntetett refrakter periódus rövidebb, mint a kontrakció kifejlődéséhez szükséges idő. B: Szívizomrost. A refrakter periódus csaknem kitölti az izom összehúzódásának tartamát

Az excitációs-kontrakciós kapcsolat

A szívizom kontrakciója – szemben a vázizoméval – teljes egészében függ a környezet Ca2+-koncentrációjától; kísérletes körülmények között – izolált szívben – Ca2+-mentes közegben a szívizom nem húzódik össze. A sarcoplasma-reticulum ugyanis ilyen körülmények között nem képes leadni belső Ca2+-tartalmát.

A sarcolemma T-tubulusaiban dihidropiridinszármazékokkal szemben érzékeny L típusú feszültségfüggő Ca2+-csatornák vannak (7-12. ábra). A csatorna egyik alegysége a dihidropiridinreceptor (DHPR). A szívizom L típusú Ca2+-csatornái különböznek a vázizom már említett DHPR-étől: depolarizációra nyílnak, és rajtuk keresztül Ca2+-ok áramlanak az extracelluláris folyadékból a myoplasmába. Extracelluláris Ca2+-ok hiányában a szívizom nem húzódik össze! A DHPR-csatornák nemcsak az akciós potenciál fenntartott fázisának kialakulásában szerepelnek (l. a 10. fejezetet), hanem a rajtuk keresztül beáramló Ca2+-ok a sarcoplasma-reticulum membrán rianodinérzékeny Ca2+-csatornáit, a rianodinreceptorokat (RYR) is nyitják (Ca2+-stimulált Ca2+-kiáramlás). A DHP-receptorokon keresztüli Ca2+-beáramlás ugyan nem elégséges a kontrakció kiváltásához, de nélkülözhetetlen a rianodinreceptorok nyitásához. (Emlékezzünk: a vázizomban a dihidropiridinreceptorok nem mint Ca2+-csatornák funkcionálnak, hanem mint feszültségérzékelők, amelyek a depolarizációt közvetítik a rianodinreceptorokhoz.) A myoplasma Ca2+-szint-emelkedését követően a kontrakció már azonos mechanizmussal folyik, mint amit a vázizomzatnál megismertünk.

A kontrakciót kiváltó teljes Ca2+-jel mintegy 70%-a származik az SR-ből és kb. 30%-a az extracelluláris folyadékból. A kontrakció lecsengésekor a sarcoplasma emelkedett Ca2+-tartalmának 70%-a jut vissza a sarcoplasma-reticulumba: ez a sarcoplasma-reticulum Ca2+-pumpájának (SERCA) feladata. A 30% eltávolítását az extracelluláris folyadékba két párhuzamos mechanizmus végzi. Az egyik a plasmolemma 3 Na+/Ca2+ kicserélő transzportere; a másik a plasmolemma Ca2+-pumpája, ami ugyan kisebb részben felelős az eltávolításért, de minthogy Ca2+-affinitása nagyobb, alacsonyabbra állítja be a myoplasma Ca2+-koncentrációját.

7-12. ábra . A dihidropiridinreceptor/Ca2+-csatorna és a rianodinreceptor/Ca2+-csatorna a szívizomban

A szívizom-kontrakció erősségének változtatása

A szívizom-kontrakció erőssége – adott határok között – függ a Ca2+-jel nagyságától, a myoplasma Ca2+-szintjének emelkedésétől. Magasabbra emelkedő myoplasma-Ca2+-szint a kontrakció erejének fokozódásával jár. (Emlékeztetünk rá, hogy a szívizom syncytium, ezért – szemben a vázizommal – nincs lehetőség a működő izomrostok számának növelésére.)

A szívizom kontrakciós erejének fokozására két lehetőség nyílik: 1. a Ca2+-jel növelése; 2. a kontrakciós apparátus Ca2+-érzékenységének fokozása.

A Ca2+-jelben két tényező játszik szerepet: 1. mennyi Ca2+-t enged be a dihidropiridinreceptor Ca2+-csatorna, és 2. milyen sebességgel pumpálja vissza a sarcoplasma-reticulum belsejébe a SERCA a Ca2+-okat. Ezeket a tényezőket az ún. (pozitív) inotrop hatás változtatja. Pozitív inotrop hatást váltanak ki mindazok az idegi és hormonális tényezők, amelyek a sejten belüli cAMP-szintet növelik – ilyen hatása van β1-receptorokon keresztül a neurotranszmitter noradrenalinnak és a mellékvesevelő adrenalin hormonjának (közös elnevezéssel katecholaminok). A cAMP a proteinkináz A-t aktiválja. A kináz több fehérjét foszforilál. Ilyen az L típusú Ca2+-csatornához csatlakozó szabályozó fehérje, ezzel az extracelluláris térből több Ca2+ lép a sejtbe, és a rianodinreceptorok több Ca2+-ot engednek ki a myoplasmába (nagyobb lesz a Ca2+-jel). Ugyancsak foszforilálódik a sarcoplasma-reticulum egy szabályozó fehérjéje, a foszfolambán; ezzel nő a SERCA aktivitása; ugyan gyorsabban kerül a reticulum belsejébe a Ca2+, de a gyorsabb visszavétel megakadályozza, hogy a relaxáció alatt nagyobb mennyiségű Ca2+ kerüljön az extracelluláris folyadékba, és a reticulum elszegényedjék Ca2+-okban.

Egy további lehetőség a szívizom teljesítményének fokozására a szívizomrostok nyújtása (Frank−Starling-mechanizmus, l. a 10. fejezetet). Ha megnövekszik a szívbe kerülő vér mennyisége, akkor – bizonyos körülmények között – a szívüregek térfogata megnő, az izomrostok megnyúlnak. Ennek következménye, hogy az izomrostok belső struktúrája, a vékony és vastag filamentumok térbeli helyzete megváltozik, a vékony filamentumok Ca2+-érzékenysége fokozódik, adott emelkedett Ca2+-koncentráció több kereszthidat nagyobb frekvenciával működtet.

A simaizmok működése

A törzsfejlődés során legelőbb a simaizomsejtek jelentek meg. Ezekben a kontraktilis elemek nem a vázizomra és a szívizomra jellemző sarcomerekbe rendeződtek el. A simaizmokban ezért hiányzik a harántcsíkolat, ennek alapján kapta a „simaizom” a nevét.

A simaizmok különböző vegetatív működések végrehajó (effektor-) sejtjei. Működésük alapvető szerepet játszik a vérkeringési rendszerben, a légutakban, a tápcsatornában, a lépben, az urogenitalis rendszerben és a bőrben (pilomotor izmok), de a belső szemizmokat is simaizom alkotja.

Az orvosi gyakorlat során gyakran szembesülünk a simaizom-működés kóros változásaival. Az arteriolák simaizmainak általánosult tónusfokozódása (artériás hypertensio), az arteria coronariák görcse (coronaria vasospasmus), az agyi erek lokális vasospasmusa, a bronchiolusok görcse által okozott asthma bronchiale, a férfiakban kialakuló erectilis diszfunkció, a koraszüléssel fenyegető korai méhtevékenység végső fokon egyaránt a kórosan fokozott simaizom-működés megnyilvánulása. A szülés alatti elégtelen méhizomműködés viszont a hiányos kontrakció következménye.

Simaizomtípusok

A simaizomsejtek a szervezet legheterogénebb sejttípusai közé tartoznak. Osztályozásuk több szempontból lehetséges, de ezek közül valójában egyetlen sem teljesen kielégítő.

A simaizomsejtek osztályozása szervi lokalizációjuk alapján

A simaizmokat legegyértelműbben osztályozni anatómiai elhelyezkedésük szerint lehet. Ennek alapján hat főtípust különböztethetünk meg: érrendszeri (vascularis), légúti, húgyúti, genitalis, gyomor-bél rendszeri és a szemben elhelyezkedő simaizmokat. Még ugyanabban a szervben vagy szervrendszerben is különbözők lehetnek azonban a sejtek elektromos tulajdonságai, ioncsatornái, a Ca2+-jel kialakulásának mechanizmusa stb. Valójában az egyes szervek simaizomzatában csak a kontraktilis apparátus organizációja, a kontrakció mechanizmusa mutat közös vonásokat.

Többegységes és egyegységes simaizomtípusok

Több mint fél évszázaddal ezelőtt sorolták a simaizmokat két nagyobb csoportba, a többegységes és az egyegységes simaizomtípusokba. Bár az egyegységes simaizmoknak számos variánsuk van, ez a felosztás máig használatos.

A többegységes simaizomban (angol kifejezéssel „multi-unit”) az egyes izomsejtek elektromosan szigeteltek egymástól. Az egyes sejtek között nincsenek réskapcsolatok, ezért a sejtek egymástól függetlenül kerülnek ingerületbe. Többegységes simaizmok azokban az autonóm funkciókban szerepelnek, amelyek pontos koordinációt és viszonylag gyors reakciót kívánnak. Erre az izomtípusra jellemző, hogy az izom összehúzódását az izmot ellátó autonóm idegrendszeri impulzusok váltják ki; gátló beidegzésük ezeknek az izomsejteknek nincs. Többegységes simaizom alkotja a belső szemizmokat, a vas (ductus) deferens izomrétegét és a bőr szőrtüszői körül elhelyezkedő pilomotor izmokat. Többegységes simaizomsejtek a legnagyobb artériák és vénák falában is előfordulnak (az erek simaizomzatának legnagyobb része azonban egyegységes típusú simaizom).

Az egyegységes simaizomsejteket (angol kifejezéssel „single-unit”) alacsony elektromos ellenállású réskapcsolatok kötik össze. Az elektromosan kapcsolt izomzat így egyetlen egységként működik, összehúzódása és ellazulása szinkronizált. Egyegységes simaizomsejtek alkotják az érrendszer simaizomrétegének túlnyomó részét, a légutak, a gyomor-bél rendszer, a húgyutak, a méhkürt és a méh izomzatát. Az egyegységes típusú simaizomsejtek jelentősen különbözhetnek egymástól a réskapcsolatok sűrűsége, a sejtek belső ionösszetétele, membránjuk ionpermeabilitása, a nyugalmi membránpotenciál értéke és stabilitása, beidegzésük és a membránon jelen lévő receptorok szempontjából.

Tónusosan és fázisosan összehúzódó simaizmok

Az egyes szervekben és szervrendszerekben előforduló simaizmok szerepe rendkívül eltérő. Az érrendszer simaizmaiban, továbbá a tápcsatorna gyűrű alakú záróizmaiban (sphincterekben) hosszan tartó, tónusos kontrakciók uralkodnak. Ezeken a helyeken az összehúzódott simaizmok csökkentik a cső átmérőjét, és nyomást hoznak létre. A belső szemizmokban is tónusos a kontrakció, de ez a fényviszonyoknak és a közelre/távolra való alkalmazkodásnak megfelelően állandóan és finoman szabályozottan változik. A corpora cavernosa simaizomzatában tónusos kontrakció uralkodik, amely idegi hatásra csak az erekció időtartamára oldódik.

A tápcsatorna izomzatának nagyobb részén, valamint az urogenitalis rendszerben (pl. ureter, vas deferens) rövidebb ideig tartó és ritmikusan ismétlődő, fázisos kontrakciós hullámok fordulnak elő. Ezek az összehúzódások továbbítják az üreges szerv tartalmát (perisztaltika). A fázisosan összehúzódó simaizmok csak kevéssé képesek tónusosan összehúzódni.

A simaizomsejtek mikroanatómiája

A simaizomsejtek keskeny, orsó alakú, legnagyobb átmérőjüknél 2–10 μm átmérőjű, 20–500 μm hosszúságú egymagvú sejtek. Szemben a vázizommal, a simaizomsejteknek egyetlen magvuk van.

A simaizomsejtek belsejében 3 filamentumtípus van: a kontraktilis rendszer részeit képezővékony és vastag filamentumok, továbbá a viszonylag merev intermedier filamentumok, amelyek a sejtek mechanikai stabilitásához járulnak hozzá. A vékony filamentumok nagyrészt polimerizált aktinmolekulákból állanak, amelyek kötegekbe rendeződve részben a sarcoplasmában lévő sötét testekhez (dense bodies), részben a sarcolemmához (dense plaques) rögzülnek. (A sötét testek a vázizomzat Z-korongjainak felelnek meg.) A filamentumok a sejtek átellenes pólusait kötik össze (7-13. ábra). Az aktinhoz a vékony filamentumokban szabályozó funkciót ellátó fehérjék csatlakoznak. A vékony filamentumok tengelyében, részben velük átfedően (interdigitálva) illeszkednek a vastag filamentumok. Ezeknek fő alkotórésze a kötegekbe rendezett simaizom-miozin.

7-13. ábra . A simaizomsejtek összehúzódás alatti alakváltozása . A vékony és vastag filamentumaival ábrázolt simaizomsejt ellazult (bal oldal) és összehúzódott (jobb oldal) állapotban

A simaizom-összehúzódás

A vastag filamentumokat a kötegekbe rendezett simaizom-miozin molekulák képezik. A fej képes a vékony filamentumok aktinmolekuláiban jelen lévő miozinkötő helyekhez kapcsolódni: ezzel képződhetnek kereszthidak az egyes kötegek miozin- és aktinmolekulái között. A simaizom-miozin molekula feji részéhez kapcsolódó 20 kDa-os könnyű lánc (angolból átvett rövidítéssel MLC20, myosin light chain20) a miozin szabályozó alegysége. Nyugalmi, ellazult állapotban az MLC20 szabályozó fehérje nem engedi, hogy a miozin reagálhasson az aktinnal, ezért nem alakulhatnak ki kereszthidak.

A simaizom összehúzódott/ellazult állapotát az MLC20 foszforilált/defoszforilált állapota határozza meg. Az MLC20 defoszforilált formája megakadályozza a miozin aktinkötését, a foszforilált MLC20 (MLC20-P) kapcsolódása a miozinhoz viszont lehetővé teszi a kereszthídciklus megindulását.

Az MLC20-P szintjét a szintéziséért és a lebomlásáért felelős két enzim, a miozin könnyű lánc kináz (MLCK) és a miozin könnyű lánc foszfatáz (MLCP) aktivitásának aránya állítja be (7-14. ábra). Az MLCK aktivitása a myoplasma Ca2+-koncentrációjának függvénye. A Ca2+ aktiváló hatását kalmodulinhoz kapcsolódva, mint (Ca2+)4-kalmodulin komplex fejti ki. (A kalmodulin csaknem valamennyi sejtben jelen lévő, kalciumot kötő szabályozó fehérje, l. 5. fejezet.) Az összehúzódást megindító jelzést a myoplasma Ca2+-koncentrációjának emelkedése jelenti (a Ca2+-koncentráció szabályozását a továbbiakban ismertetjük).

A foszforilált MLC20-at az MLCP defoszforilálja. Az enzimnek a katalitikus régió mellett egy foszforilálható szabályozó régiója is van, amelynek a foszforilálása felfüggeszti az enzim aktivitását; a foszfatázaktivitás szabályozása főként ezen a mechanizmuson keresztül történik. A szabályozás kulcsfontosságú tagja egy monomer GTP-áz (ún. „kis molekulájú” G-fehérje), a Rho, amely aktivált állapotban megindítja a Rho-kináz (ROK) működését (l. az 5. fejezetet); a ROK foszforilálja, ezzel – reverzíbilisen – inaktiválja az MLC20-foszfatázt. (A Rho-ROK mechanizmus mellett más intracelluláris jelátviteli reakciók is képesek az MLC20-foszfatáz működését gátolni.)

A Rho/ROK aktiválását különböző 7-TM receptorok ligandkötése képes megindítani (7-15. ábra). A jelátvitel kezdetén heterotrimer G-fehérjék (Gq, G12 és G13) szerepelnek, az aktiváláshoz vezető soklépcsős mechanizmus részleteit nem ismertetjük. Lényeges azonban, hogy együttesen indul meg a Ca2+-jel kialakulása és a foszfatáz inaktiválása: a két mechanizmus összehangoltan, szinergista módon képes működni.

Az MLC20 : MLC20-P aránya a kináz- és a foszfatázaktivitás arányától függ (l. a 7-15. ábrát). Az összehúzódás mértékét ezért egyrészt a kináz aktivitását meghatározó Ca2+-koncentráció, másrészt a foszfatáz aktiválása/inaktiválása határozza meg. Ha a foszfatáz inaktivált, akkor már kisebb Ca2+-jel is képes összehúzódást létrehozni, azaz az MLCP gátlása esetén az MLC20-P adott mennyiségét az MLCK a myoplasma alacsonyabb Ca2+-szintje mellett biztosítja. (Ca2+-szenzitizálódás, a kontraktilis rendszer érzékenyebbé válik Ca2+ iránt). Minthogy az MLCK már alapszintű Ca2+-koncentráció (~ 100 nM) mellett is mutat valamelyes aktivitást, és a szabályozó alegységek kis hányada mint MLC20-P van jelen, a foszfatáz gátlása alapszintű Ca2+-koncentráció mellett is összehúzódást eredményezhet. Az MLCP aktiválása ezzel ellentétesen a simaizom ellazulásához vezet (Ca2+-deszenzitizálás).

Az 5. fejezetben részleteztük, hogy cAMP hatására aktiválódik a proteinkináz A. Ez az enzim foszforilálja az MLCK-t is; a foszforilált MLCK Ca2+-érzékenysége csökken, és ez simaizom-ellazulással jár. Ez a mechanizmus is szerepel az adrenerg β2-receptorok simaizom-ellazító hatásában.

A simaizmok nagy részében az agonista hatására bekövetkező kontrakció fázisos szakasza főként a Ca2+-jel következménye. Ezzel szemben a fázisos szakaszt követő fenntartott (tónusos) kontrakciót részben a Ca2+-szint egy kisebb mértékű emelkedésének, részben pedig a foszfatázaktivitás gátlásának (azaz Ca2+-szenzitizálódásnak) tulajdonítjuk. Egyes simaizmok, mint pl. a corpora cavernosa simaizmainak tónusos összehúzódásáért főként a foszfatáz gátlása felelős; a gátlás feloldása a corpora cavernosa izmainak relaxálásával, erekcióval jár.

7-14. ábra . A simaizom-összehúzódás szabályozása

7-15. ábra . A simaizom-összehúzódáshoz és ellazuláshoz vezető folyamatok

A tónusosan működő simaizmokban a kezdeti nagy Ca2+-jel rövid időn belül csökken, a kontrakciós erő pedig csökken ugyan, de ezen a csökkent szinten marad. Ebben a fázisban a simaizomsejt ATP-felhasználása – a tartós kontrakció ellenére – lényegesen alacsonyabb, mint a kezdeti stádiumban. Ebben a fázisban az MLC20 egy része defoszforilálódott, de a defoszforiláció nem teljes. A myoplasma Ca2+-koncentrációja magasabb a nyugalmi értéknél, és elégséges ahhoz, hogy a már kialakult kereszthidak fennmaradjanak, továbbá a kereszthídciklusok csak lassan ismétlődjenek, és az energiafelhasználás alacsony legyen. Ezt nevezik „reteszelt fázis”-nak (angolul latch state).

Az összehúzódás sebessége – egyebek között – az aktomiozin ATP-hasításának sebességétől függ. A simaizom-miozin izoforma lassan bontja az ATP-t (azaz ATP-áz-aktivitása alacsony), ezért az összehúzódás is lassan, másodpercekben mérhető időskálán fejlődik ki. (Ezzel szemben a vázizomrostokban az ATP-áz aktívabb, és az összehúzódás is milliszekundumok alatt következik be, l. a fejezet előző részét.)

A simaizmok azonos keresztmetszetre számítva nagyobb erőt képesek kifejteni, mint a vázizmok. A feszülés azonban lassabban fejlődik ki a simaizomban, mint a vázizomban. Az adott feszülésre eső ATP-felhasználást kiszámítva kiderül, hogy a simaizmok kevesebb ATP-t használnak fel, mint a vázizmok; a simaizmok „gazdaságosabban” működnek. A simaizom-miozin ATP-áz-aktivitása alacsony; ez összhangban áll a kereszthídciklus lassúságával és a kisebb energiafelhasználással.

Az ellazulásnak kettős mechanizmusa van. A myoplasma Ca2+-koncentrációja a kiindulási szintre csökken (l. alább), ezzel megszűnik a MLCK aktiválása és a kereszthídciklus. Az MLCP hatásának következtében az MLC20-P mennyisége csökken. Az izomsejten belüli, passzív rugalmas elemek visszahúzzák a filamentumokat eredeti helyzetükbe, az izom ellazul.

Excitációs-kontrakciós kapcsolat a simaizomsejtekben

A simaizom ingerületi folyamatának kapcsolata az összehúzódással az excitációs-kontrakciós kapcsolat, amelynek két fő típusát különböztetjük meg. Az elektromechanikai kapcsolatban a simaizmot ért inger megváltoztatja a sejt membránpotenciálját; a depolarizálódás Ca2+-ok beáramlásához, Ca2+-jel kialakulásához vezet. A farmakomechanikai kapcsolatként ismert mechanizmusban az inger nem depolarizálja a simaizomsejtet, a Ca2+-jel depolarizáció nélkül alakul ki. Elektromechanikai és farmakomechanikai kapcsolat ugyanabban a simaizomsejtben is előfordulhat. Egyes simaizomtípusokban az elektromechanikai és a farmakomechanikai kapcsolat egymást erősítő folyamatok (szinergizmus).

Membránpotenciál, akciós potenciál és ioncsatornák a simaizomsejtekben

A különböző excitábilis sejtek nyugalmi membránpotenciálját (Em) a 3-1. táblázatban hasonlítottuk össze. A simaizomsejtek membránpotenciálja –35 és –70 mV között van, általában kevésbé negatív, mint az egyéb excitábilis sejtek membránpotenciálja. Az Em-érték alacsony voltáért legalább három tényező felelős: a viszonylag magas Na+-permeabilitás, a viszonylag alacsony K+-permeabilitás, végül a simaizomsejtek belső ionösszetétele (l. a Goldmann–Hodgkin–Katz-egyenletet a 3. fejezetben). Az egyes simaizomsejtek között mindhárom tényezőben nagy egyedi különbségek vannak.

Egyes simaizomtípusokban a fokozatos depolarizálódás felelős az elektromechanikai kapcsolatért: sem a Ca2+-jel kialakulásához, sem az összehúzódáshoz nincs szükség akciós potenciálra. A gyomor-bél rendszer simaizomzatában (de máshol is) a membránpotenciál lassú, néhány mV nagyságú, periodikus ingadozásokat mutat. A potenciálingadozásokat lassú hullámoknak nevezzük (az angol terminológia slow wave); frekvenciájuk 3/min és 20/min között változhat (l. a gyomor-bél rendszer működéséről szóló 20. fejezetet). Ezekben a sejtekben a folyamatos változások miatt nincs is valódi „nyugalmi potenciál”, legfeljebb egy legnegatívabb érték, amely a sejtekben aktivitásszünetben mérhető. A lassú hullámok keletkezését, frekvenciáját és intenzitását neurotranszmitterek, hormonok és parakrin mediátorok befolyásolják.

A gyomor-bél rendszer, továbbá a húgyhólyag simaizomsejtjei között találhatók a Cajal-féle interstitialis sejtek. Ezek a sejtek a simaizomsejtek között hálózatot képeznek, és a simaizomsejtekhez kapcsolódnak. Valószínű, hogy a gyomor-bél rendszerben (és talán a hólyag detrusor izomzatában is) a ritmikus potenciálingadozások az interstitialis sejtekből erednek, ezek a valódi ritmusgeneráló (pacemaker) sejtek.

A depolarizálódási hullámok önmagukban is simaizom-összehúzódáshoz vezethetnek. A depolarizálódás hatására a feszültségfüggő Ca2+-csatornák megnyílási valószínűsége megnövekszik; a nyitott Ca2+-csatornákon keresztüli Ca2+-beáramlás megindítja a Ca2+-jel kialakulását, ill. a Ca2+-indukált Ca2+-felszabadulást, és ezen keresztül az izom-összehúzódást. A feszültségfüggő Ca2+-csatornák közül az L típusú csatornák játszanak fontos szerepet; ezek feszültségérzékenysége a nyugalmi potenciálérték körül a legnagyobb, és néhány mV-nyi de- vagy hiperpolarizálódás jelentékenyen megváltoztatja nyitott/zárt állapotukat. Ez azt is jelenti, hogy ezekben az izmokban az összehúzódást/ellazulást a membránpotenciál kicsiny, néhány mV-ot kitevő változása is befolyásolja.

Az egyegységes simaizmok sarcolemmamembránjában mechanoszenzitív (nyújtásra érzékeny) kationcsatornák vannak. Az izom nyújtása depolarizálja a sejtet, megnyílnak a feszültségfüggő Ca2+-csatornák, és ha nem is keletkezik akciós potenciál, fázisos vagy tónusos izom-összehúzódás, miogén válasz következik be Az összehúzódásnak ezt a fajtáját az érfal simaizmaiban is megfigyelhetjük: a simaizom-összehúzódás mértéke a nyújtás mértékétől függ. A miogén válasz fontos szerepet játszik a véráramlás szabályozásában. A miogén válasz másik elnevezése a jelenséget elsőként leíró W. M. BAYLISS-re emlékeztetve Bayliss-effektus.

A simaizomsejtek egy részében akár a spontán depolarizálódás, akár külső ingerek akciós potenciálokat váltanak ki. Az akciós potenciálért Ca2+-áramok felelősek. (Egyes simaizmokban van ugyan Na+-áram is, de az akciós potenciál ezekben az esetekben is rezisztens a Na+-csatornákat bénító tetrodotoxinnal szemben.) A simaizmokban kiváltódó akciós potenciálok egészen különböző lefutást mutatnak, és különböző ideig tarthatnak. Az átmenet a lassú potenciálváltozások és a különböző amplitúdójú akciós potenciálok lefolyása között többé-kevésbé folyamatos. Az elektromechanikai kapcsolat az akciós potenciálok, a Ca2+-beáramlás következménye.

A sarcoplasma-reticulum (SR)

A simaizomsejtek kalciumraktára a sarcoplasma-reticulum (SR). A simaizom-SR membránjában foglalnak helyet a kalciumleadásban szereplő Ca2+-csatornák (IP3-receptorok) és a Ca2+-ok (újra)felvételét végző Ca2+-pumpa. A reticulum belsejében a Ca2+-ok kalciumkötő fehérjékhez kötődnek. A simaizom-SR ligandfüggő Ca2+-csatorna nyitását az IP3 szabályozza: a simaizom-SR ennek alapján a nem izom típusú sejtek endoplasma-reticulumához áll közel, amely utóbbiban a Ca2+-csatornák aktiváló ligandja szintén az IP3. Az IP3 megkötésére a Ca2+-ok a reticulum belsejéből a myoplasmába áramlanak.

A legtöbb simaizomsejttípusban a SR bimodális elhelyezkedésű: a sarcolemma szomszédságában helyezkedik el a felületes, a sejt belső részében található a mély SR. A két szisztéma nincs fizikai érintkezésben. Úgy tűnik, hogy az ingerületet követő első Ca2+-leadási hullám a felületes SR-ből származik, és a SR-nek ez a része a főszereplője a Ca2+-indukált Ca2+-leadásnak (l. alább).

A simaizom ellazulásához az összehúzódáshoz vezető Ca2+-jelnek meg kell szűnnie. A myoplasma megnövekedett Ca2+-szintjét három mechanizmus képes helyreállítani (7-16. ábra). A simaizom SERCA visszaveszi a Ca2+-okat a reticulum lumenébe. Az extracelluláris folyadékból beáramlott Ca2+-okat egyrészt a sarcolemma Ca2+-pumpája (primer aktív transzport), másrészt a sarcolemma 3 Na+/Ca2+ kicserélő karrierje (másodlagosan aktív transzport) távolítja el.

7-16. ábra . A Ca2+-jel megszűnése a simaizomban

Interakciók az elektromechanikai és farmakomechanikai kapcsolatban

A simaizmok legtöbb típusában egyszerre találkozunk elektromechanikai és farmakomechanikai kapcsolással. A myoplasmának jelentős Ca2+-pufferoló képessége van, és a feszültségfüggő, ill. mechanoszenzitív csatornákon keresztül belépő Ca2+-ok mennyisége gyakran nem elégséges a kellő intenzitású izom-összehúzódás kiváltásához. Ezért a hatékony excitációs-kontrakciós kapcsolat létrehozásához járulékos mechanizmusok lépnek működésbe. Az egyik ilyen lehetséges mechanizmus a Ca2+-okkal indukált Ca2+-felszabadulás az SR-ből, amit a sarcolemma Ca2+-csatornáin keresztül beáramlott vagy magából az SR-ből felszabadult Ca2+-ok váltanak ki. Úgy tűnik, hogy ez a Ca2+-okkal indukált Ca2+-felszabadulás elsősorban a felületes SR-ből történik. Egy további mechanizmus a kapacitatív Ca2+-beáramlás: az SR-ből való kalciumkiürülés kiváltja a plazmamembrán különleges Ca2+-csatornáinak megnyílását (raktáraktól függő Ca2+-csatornák, store-operated Ca2+-channels), amelyeken keresztül az extracelluláris térből áramlanak Ca2+-ok a myoplasmába.

Idegi, parakrin és hormonális mechanizmusok a simaizom aktiválásában és gátlásában

A simaizmokban az idegi impulzusok nem “bekapcsoló/kikapcsoló” (on/off) jellegűek. A simaizmok tekintélyes része soha nincs teljesen nyugalmi, azaz teljesen ellazult állapotban. Az érfal és a légutak simaizmainak állandó miogén tónusa van. Az idegi hatások a lassú potenciálváltozások frekvenciáját és mértékét módosítják. Ugyanez érvényes a gyomor-bél rendszer simaizmaira is, ahol az idegi impulzusok hatásukat a Cajal-féle interstitialis sejteken keresztül fejtik ki.

A többegységes simaizmok beidegzése

A többegységes simaizmok fiziológiás körülmények között idegi impulzusok hatására húzódnak össze (7-3. táblázat). A többegységes simaizmokat vagy paraszimpatikus, vagy szimpatikus postganglionaris axonok idegzik be. Az axonok varicositasai (kiöblösödései) a bennük lévő, transzmitter(eke)t tartalmazó vesiculákkal minden egyes izomsejthez közel húzódnak (7-17. ábra). Ha az axonvégződést akciós potenciál éri el, a transzmitter felszabadul, és kifejti hatását.

7-17. ábra . A többegységes és az egyegységes simaizmok beidegzésének vázlata. A: többegységes simaizom. B: egyegységes simaizom

4.24. táblázat - 7-3. táblázat . A többegységes simaizmok beidegzése, a transzmitterek és a receptorok

Izom

Beidegzés

Neurotranszmitter(ek)

Receptor(ok)

M. sphincter pupillae

M. ciliaris

Paraszimpatikus

ACh

m-ACh-receptor

M. dilatator pupillae

Szimpatikus

Noradrenalin

α1-receptor

Vas deferens simaizomzata*

Szimpatikus

a) Noradrenalin

b) ATP

α1-receptor

P2x-receptor

Piloerector izmok

Szimpatikus

Noradrenalin

α1-receptor

Legnagyobb artériák és vénák

Szimpatikus

Noradrenalin

α1-receptor


* A vas deferens simaizomzatát beidegző szimpatikus idegekben a noradrenalin és az ATP kotranszmitterként, kolokalizáltan szerepel

A szemben a musculus sphincter pupillae és a musculus ciliaris paraszimpatikus, kolinerg beidegzésűek (m-ACh-receptor), míg a musculus dilatator pupillae-t a szimpatikus idegrendszer noradrenerg rostokkal (α1-receptor) idegzi be. A vas (ductus) deferens és a pilomotor izmok szimpatikus beidegzést kapnak: a szimpatikus rostok noradrenergek, a simaizmokon α1-receptorok vannak. A vas deferenst beidegző szimpatikus norarenerg axonok azonban mint kotranszmittert, ATP-t is tartalmaznak, ami P2x-purinoceptorokra hat.

Nagyon lényeges, hogy – szemben az egyegységes simaizmokkal – a többegységes simaizmok esetében nem ismerünk semmilyen gátló (ellazító) beidegzést.

Az egyegységes simaizmok szabályozása

Az idegi impulzusok jelentős szerepet játszhatnak az egyegységes simaizmok szabályozásában, de ezek az izmok a membránpotenciál változásaira, mechanikai behatásra, meghatározott hormonális vagy parakrin tényezőkre is összehúzódással válaszolnak.

Idegi szabályozás

Az egyegységes simaizmokat aktiváló idegi impulzusok vagy a központi idegrendszerből származnak, és a szimpatikus vagy paraszimpatikus idegeken keresztül jutnak el az izmokhoz, vagy a helyi enteralis idegrendszerből. Szemben a többegységes simaizomsejtekkel, az egyegységes simaizomsejtek nem mindegyike érintkezik közvetlenül az idegvégződésekkel (l. alább).

A légutak és a húgyutak a paraszimpatikus idegrendszerből kolinerg, aktiváló beidegzést kapnak; kotranszmitter ezeken a területeken nem ismert. A gyomor-bél rendszer simaizomzatának egy része az enteralis idegrendszerből kap kolinerg aktiváló beidegzést. A kolinerg neuronok ingerlését követő választ azonban atropin (az m-ACh-receptorok gátló farmakonja) csak részben gátolja. Az atropinrezisztens összehúzódás a kolinerg rostokban jelen lévő kotranszmitter tachikininek [P-anyag (SP) és más neuropeptidek] felszabadulásának következménye. A gyomor-bél rendszer sphincterei szimpatikus noradrenerg postganglionaris beidegzést kapnak.

Az érrendszer azon egyegységes simaizmai, amelyek aktiváló beidegzést kapnak (nem minden érrendszeri simaizom részesül beidegzésben, l. a 12. fejezetet), az érszűkítő (vasoconstrictor) impulzusokat a szimpatikus idegrendszer postganglionaris rostjaival kapják. Az idegrostok varicositasai az adventitiában húzódnak, és csak a közeli izomsejtek részesülnek közvetlen beidegzésben. Az érszűkítő hatás a távolabbi izomsejteket két úton érheti el: 1. a felszabadult transzmitter diffúzióval juthat el az idegrosttal közvetlenül nem érintkező simaizomsejtekhez; 2. más simaizomsejteket a már aktivált sejtek felől a réskapcsolatok útján terjedő depolarizálódás aktiválhatja (elektromos kapcsolat). Szimpatikus eredetű érszűkítő neurotranszmitter elsősorban a noradrenalin. A varicositasokból egyes érterületeken noradrenalin mellett ATP is felszabadul; az ATP érszűkítő kotranszmitter. Hasonlóan a vas deferens izomzatához, az érfalsimaizmokon is P2x-purinoceptorok közvetítik a hatást.

Egyes simaizmoknak gátló, ellazulást létrehozó beidegzése van, és a gátló beidegzés a simaizom szabályozásának egyenrangú tényezője. Gátló beidegzést találunk egyes érterületeken, a gyomor-bél rendszerben, a bronchusokban és bronchiolusokban, a húgyhólyagban.

Az egyes szervek simaizomzatának beidegzését a 7-4. táblázat foglalja össze.

4.25. táblázat - 7-4. táblázat. Az egyes szervek egyegységes simaizomzatának beidegzése, a transzmitterek és a receptorok

Szerv, ill. szervrendszer

Beidegzés

Hatás

Neurotranszmitter

Receptor

Érrendszer

Általában

Szimpatikus

Összehúzódás

Noradrenalin

α1-receptor

Egyes helyeken

Szimpatikus

Összehúzódás

ATP

P2x-receptor

P2y-receptor

Vázizomerek

Szimpatikus

(szimpatikus?)

Összehúzódás

ellazulás

Noradrenalin

(Noradrenalin?)

Keringő adrenalin

α1-receptor

β2-receptor

Légutak

Bronchusizomzat

Paraszimpatikus

Szimpatikus

?

Összehúzódás

Ellazulás

Ellazulás

ACh

Noradrenalin

NO

m-ACh-receptor

β2-receptor

Húgyutak

Húgyhólyag

Paraszimpatikus

Összehúzódás

ACh

m-ACh-receptor

Urethra belső sphincter

Szimpatikus

Összehúzódás

Noradrenalin

α1-receptor

Gyomor-bél rendszer

Proximalis gyomor

Paraszimpatikus

Ellazulás

VIP (?) / NO (?)

?

Distalis gyomor

Paraszimpatikus

Összehúzódás

ACh

m-ACh-receptor

Vékonybél, körkörös izomzat

Enteralis idegrendszer

a) Ellazulás

b) Összehúzódás

VIP / NO

ACh, tachikininek

m-ACh-receptor

TK-receptor

Vékonybél, hosszanti izomzat

Enteralis idegrendszer

Összehúzódás

ACh

m-ACh-receptor

Sphincterek

Szimpatikus

Összehúzódás

Noradrenalin

α1-receptor


Parakrin és hormonális szabályozás

Mind a fiziológiásan rendszeresen felszabaduló, mind a kóros folyamatok során időlegesen megjelenő parakrin mediátorok jelentős hatásúak a különböző simaizmok működésében.

A szöveti hízósejtekből felszabaduló hisztamin közvetlen hatására (H1-receptor) a simaizomsejtek összehúzódással reagálnak. Ez fordul elő a gyomor-bél rendszer fertőzéses folyamatainál és – nagyon lényeges momentumként – a légzőrendszer túlérzékenységi folyamataiban (asthma bronchiale, l. a 26. fejezetet). A hisztaminnak az érfal simaizomzatára endothelialis NO-szintézisen keresztül kifejtett közvetett értágító hatása van (l. alább és a 12. fejezetet).

Azok a sejtek, amelyekben a jelátviteli folyamatok során a 7-TM receptorhoz kapcsolt G-fehérje aktiválja a foszfolipáz A2-t, az enzim a membránlipidekből arachidonsavat tesz szabaddá. A 20 szénatomos arachidonsavból lipid mediátorok [prosztaglandinok, tromboxán A2, prosztaciklin (PGI2) leukotriének] keletkeznek, és a sejtet elhagyva a környezetben – 7-TM plazmamembrán receptorokon keresztül – parakrin hatást fejtenek ki. A prosztaglandinok, a tromboxán A2 és a leukotriének simaizom-összehúzó hatásúak, az endothelsejtekből felszabaduló prosztaciklin ellazítja az érfal simaizmait.

A polipeptid hormonok közül az érfal-simaizmokon összehúzódást vált ki az angiotenzin II (A II) és a vazopresszin, a méhizomzatot összehúzza az oxitocin. A gyomor-bél rendszeri hormonok közül többnek van simaizmokat összehúzó hatása [gasztrin, kolecisztokinin (CCK), vazoaktív intestinalis peptid (VIP) stb.].

Az aktiválás és a gátlás celluláris mechanizmusai

A kolinerg idegekből felszabaduló ACh m1, m3 vagy m5 típusú receptorokra hat, ezekhez az izomsejtekben Gq-fehérje csatlakozik, az innen induló jelátvitelt az 5. fejezetben ismertettük. Az idegvégződésekből felszabaduló tachikininek receptora (NK1-3) ugyancsak Gq-fehérjéhez csatlakozik, a jelátvitel ettől kezdve azonos a kolinerg transzmisszióval.

A simaizmot aktiváló szimpatikus idegek egyik lehetséges transzmittere a noradrenalin: ez α1-receptorokon keresztül aktiválja az izomsejteket, a jelátvitelben Gq-fehérje szerepel. Egyes szimpatikus idegekben mint kotranszmitter, ill. mint főtranszmitter ATP szerepel (purinerg transzmisszió), a hatást P2x-receptorok közvetítik. Egyes simaizmokban az ATP P2y-purinoceptorokon keresztül fejt ki hatást: az ezekhez kapcsolódó G-fehérjék részben a PLCβ → IP3 → Ca2+-úton keresztül, részben a Rho-ROK mechanizmuson keresztül hoznak létre izom-összehúzódást. (A hatások részletes ismeretének farmakológiai jelentősége van.)

Az érfalsimaizmokban a mellékvesevelőből származó adrenalin (α1-receptor), angiotenzin II (AT1-receptor), vazopresszin (V1-receptor), a parakrin eredetű tromboxán A2 (TP-receptor) összehúzódást hoznak létre. A felszabaduló hisztamin (H1-receptor) kontrakciót hoz létre a simaizomzatban. A felsorolt esetekben a receptorok Gq-fehérjéhez kapcsolódva váltják ki a szignáltraszdukciót.

A neurotranszmitterekkel és parakrin mediátorokkal kiváltott gátló mechanizmusokban a keletkező ciklikus nukleotidok, a cAMP és a cGMP játszanak szerepet. Azokon a simaizomsejteken, amelyeken β2-, ill. β3-receptorok vannak, a katecholaminok gátolják az összehúzódást. A hatást Gs-fehérje közvetíti, ami aktiválja az adenilát-ciklázt, és az intracelluláris cAMP-szint nő. Hasonlóan Gs-fehérje közvetíti a paraszimpatikus neuronokból felszabaduló VIP hatását is. Az egyes paraszimpatikus idegvégződésekből, továbbá az endothelsejtekből felszabaduló NO hatására közvetlenül fokozódik a guanilát-cikláz-aktivitás, cGMP keletkezik. A cAMP és a cGMP egyaránt gyorsítja a Ca2+-ok eltűnését a myoplasmából, továbbá az általuk aktivált proteinkinázok (PKA és PKG) visszafogják a kinázt aktiváló, valamint a foszfatázt gátló, előzőleg ismeretett mechanizmusokat, ezzel adott Ca2+-jel kisebb izom-összehúzódást vált ki (Ca2+-deszenzitizálás, l. előbb). Az egymást kiegészítő, a Ca2+-jelet csökkentő és a Ca2+-deszenzitizáló hatások párhuzamosan lépnek fel.

Simaizmok a szövetekben

A simaizomsejtek a szövetekben vagy körkörösen (circumferentialisan) mint csövek vagy gyűrűk (véredények, gyomor-bél rendszer körkörös simaizomrétege, sphincterek), vagy hosszanti kötegekben (gyomor-bél rendszer hosszanti izomrétege) helyezkednek el, vagy lapszerű rétegeket képeznek (a hólyagizomzat egy része). A szövet mechanikai rendszerét az izomsejtek, a kötőszöveti sejtek és sejtközötti struktúrált állomány együttesen alakítják ki.

A szervezetből izolált simaizomkötegek (pl. a taenia coli, egy hosszanti izomcsík) fázisos összehúzódásuk során meglepő mértékben, kezdeti (nyugalmi) hosszuknak mintegy negyedére képesek megrövidülni. Körkörös izmok izolált szegmentumaiban (pl. bélfal, artériák) a rövidülés mértékét geometriai tényezők korlátozzák, a rövidülés legfeljebb a nyugalmi méret 50%-a lehet. A szervezeten belül az üreges szervek (húgyhólyag, ureter, gyomor-bél rendszer, epehólyag, epeutak) simaizmai akkor képesek megrövidülni, ha nincs akadály a szerv tartalmának elmozdulása előtt. Az összehúzódás a szerv tartalmát distalis irányban mozdítja el.

Ha a megrövidülés akadályozott, az izomban feszülés keletkezik, ami a legkedvezőbb körülmények között elérheti az izom keresztmetszetére számított 200–400 mN/mm2 értéket (≈ 40 g/mm2). Ez összehasonlítható mértékű a vázizomzat által létesített feszüléssel, de a simaizomban az összehúzódás sebessége sokkal lassabb. Az üreges szervek simaizomzatában akkor jön létre ilyen összehúzódás, ha a továbbítás útjában valamilyen akadály van. Így húzódik össze pl. a terhes méhizomzat, amikor a szülés első szakaszában a szülőcsatorna még nem nyílt meg, és a méhizomzat összehúzódása még nem képes lefelé továbbítani a méhtartalmat.

Mérföldkövek

A kontrakció legelső hipotézise

1907: W. M. Fletcher és F. G. Hopkins kimutatják, hogy a vázizmok oxigén hiányában is összehúzódnak, és ilyenkor tejsavat termelnek. E megállapítás alapján felvetik, hogy a tejsav lenne felelős az izomkontrakció létrejöttéért („tejsavhipotézis”). 1930-ban E. Lundsgaard felismeri, hogy az izmok akkor is képesek összehúzódni, ha a tejsavtermelés gátolt, ezzel megcáfolja az izomkontrakció tejsavelméletét.

Izomenergetika

1920-tól kezdődően: A. V. Hill és munkatársai az általuk kidolgozott nagyon érzékeny termoelektromos módszerrel egzakt módon megmérik az izom hőtermelését a kontrakció és relaxáció folyamán, és elvégzik az izomenergetika legfontosabb számításait.

1927: P. Eggleton és G. P. Eggleton, valamint C. H. Fiske és Y. Subbarow egymástól függetlenül kimutatják a kreatin-foszfát jelenlétét az izomban, valamint annak lebomlását a kontrakció során. 1929: K. Lohmann Németországban, valamint C. H. Fiske és Y. Subbarow az USA-ban felfedezik az ATP jelenlétét az izomban. A következő években Lohmann leírja a reverzíbilis ATP + kreatin ↔ ADP + foszfokreatin reakciót (a róla elnevezett Lohmann-reakciót).

Út a kontrakció molekuláris mechanizmusához

1864: W. Kühne a vázizomból sóoldattal kivon egy fehérjét, amelyet miozinnak nevez el.

1939: W. A. Engelhardt és M. N. Ljubimowa felfedezik, hogy a miozinnak ATP-áz aktivitása van.

1940: L. V. Heilbrunn felveti a kalciumnak az izomkontrakcióban játszott szerepét.

1940-es évek: Szent-Györgyi Albert szegedi laboratóriumában megkezdik az izomfehérjék tanulmányozását. 1942-ben Straub F. Brunó izolálja az aktint. A kutatócsoport akkor még csak három izomfehérje, az aktin, a miozin és az aktomiozin komplex biokémiai sajátságát írja le. Szent-Györgyi és legtöbb munkatársa 1947-et követően az Egyesült Államokba emigrált, és a kutatók még évekig vezető szerepet játszottak az izomfehérjék vizsgálatában.

1950-es évek első fele: több munkacsoport (J. R. Bendall, S. Ebashi, W. Hasselbach, B. B. Marsh, H. H. Weber és munkatársaik) nagyjából egy időben azonosítja a sarcoplasma-reticulumot, mint az intracelluláris Ca2+-koncentrációt szabályozó sejtalkotórészt.

1952: A. Sandow bevezeti az elektromechanikai csatolás fogalmát.

1954: Hugh E. Huxley és Andrew F. Huxley morfológiai vizsgálatokkal (fáziskontraszt-mikroszkópia és interferencia-mikroszkópia) külön-külön megállapítják, hogy izomkontrakció vagy passzív nyújtás során az A-csík változatlan, és arra következtetnek, hogy a kontrakció a vékony filamentumok elmozdulása a vastagok között. Az évek során ezt fejlesztik az izomkontrakció jelenleg elfogadott modelljévé (csúszófilamentum-mechanizmus).

Simaizom

1941: E. Bozler két nagyobb csoportba sorolja a simaizmokat. A többegységes (multiunit) simaizomsejteket idegi impulzusok aktiválják, és a sejtek egymástól függetlenül működnek. Az egyegységes (single-unit,unitary) simaizmok spontán aktívak, és egységes egészként működnek.

1968: A. P. Somlyo és A. V. Somlyo a simaizomban elkülönítik az elektromechanikai kapcsolást a farmakomechanikai kapcsolástól. Az előbbiben az összehúzódás a sejt depolarizálódásának következménye, az utóbbiban az összehúzódás depolarizálódás nélkül jön létre. (Ebben az időben az IP3-mechanizmust még nem ismerték, két évtizeddel később Somlyó a farmakomechanikai kapcsolást az IP3-mechanizmussal azonosította.)

1983: R. Craig, R. Mith és J. Kendrick-Jones leírják a miozin könnyű lánc foszforilációjának szerepét a simaizom kontrakciójának szabályozásban és a miozin könnyű lánc kinázt.