Биохимия мышечной системы

Содержание Введение Гипокинетический синдром Обзор структуры скелетных мышц Обзор структуры гладких мышц Метаболизм мышц : Топливо Гликоген Лактат, Аланин, цикл Кори, Фелига ЖК Белки Энергетический резерв: Креатин фосфат Белки мышц

Введение Главная функция – движение (на всех уровнях) Мышечное сокращение происходит при участии специфических белков и ионов (Ca 2+ ) Клиническое значение: Некоторые заболевания мышц (Дистрофия Дюшена, злокачественная гипертермия, сердечная недостаточность, кардиомиопатии)

Гипокинезия Гипокинезия – существенное ограничение двигательной активности. Объем двигательной активности за последние 100 лет уменьшился в 20 раз. Последствия гипокинезии сказываются практически на всех органах – гипокинетический синдром (ГКС).

Патогенез ГКС (1-й этап) Дефицит проприоцептивной информации Стресс (как реакция организма на недостаток проприоцептивной информации) Эффекты континсулярных гормонов: катехоламинов, T 3, T 4, глюкокортикоидов и др. Активация протеолиза, липолиза, ГНГ Увеличение концентрации ЖК в крови Разобщение окисления и фосфорилирования Усиление катаболических процессов в организме Увеличение теплопродукции

Патогенез ГКС (2-й этап) Увеличение потребления кислорода (гипокинетический парадокс) Снижение массы мышечной ткани протеолиз Резорбция костной ткани, остеопороз, ухудшение минерального обмена. снижение физ. нагрузки, пьезоэлектроэффект. Потеря с мочой электролитов Na +, K +, Ca 2+ Как следствие уменьшения количества клеток Увеличение частоты спонтанных мутаций Следствие высокой концентрации NADH генерация АФК.

Механизм развития ГКС ЦНС Мышцы Эндокринные железы ТТГ, T3, T4, СТГ, АКТГ, кортизол Адреналин Стресс Глюкоза Жиры Глицерин ЖК O/Ф O2O2 Инсулин ГНГ Белки АМК

Красные и белые мышцы Поперечнополосатые мышцы делятся на 2 категории : Красные мышцы, медленные окислительные Белые мышцы, быстрые, гликолитические. Красные мышцы имеют темный цвет из-за большого содержания гемопротеидов, хорошего кровоснабжения и высокого содержания в сосудах Hb. Много МХ содержащих цитохромы, в миоцитах много Мb. Сильно зависят от аэробного метаболизма в МХ главный субстрат окисления - ЖК. Белые мышцы, имеют главный субстрат окисления - глюкозу депонированную в виде гликогена.

Различия красных и белых мышц ХарактеристикиКрасныеБелые Относ. волокон МалыйБольшой Тип сокращенияМедленноеБыстрое (в 5 раз быстрее) ВаскуляризацияВысокаяСлабее МитохондрииМногоМало МиоглобинМногоМало Главный энергорезервЖировые запасыГликоген в мышцах Главный источник АТФ Окисление жирных кислот (аэробный процесс) Гликолиз (анаэробный процесс)

Метаболизм мышц: Топливо Мышцы могут утилизировать разное топливо - глюкозу, ЖК и кетоновые тела Скелетные мышцы отличаются по потребности в энергии, потребление которой линейно зависит от уровня активности В покоящихся мышцах – основной энергетический субстрат ЖК При нагрузке основной субстрат – глюкоза Ранний период нагрузки глюкоза поступает из мобилизуемого гликогена мышц

Энергетическое топливо: Гликоген Скелетные мышцы депонируют около ¾ всего гликогена тела человека В печени гликоген депонируется в состоянии покоя Глюкоза не может освобождаться в кровь из гликогена мышц мышцы не имеют фермента Г6ф-азы,

Лактат, Аланин, циклы Кори и Фелига Во время нагрузки скорость гликолиза превышает возможности ЦТК поэтому: ПВК лактат и аланин (ЛДГ и АЛТ), которые аккумулируются и поступают в кровь лактат и аланин транспортируются с кровотоком в печень, где превращаются в ПВК и в ГНГ превращаются в глюкозу поступающую в кровь (циклы Кори и Фелига)

Энергетическое топливо: Белки Мышцы содержат другое мобилизуемое энергетическое топливо – собственные белки Распад белков мышц поставляет необходимую энергию Это расточительно и вредно для организма, который должен двигаться чтобы выжить Распад белков регулируется так, чтобы при голодании минимизировать катаболизм АК

Механизмы стабилизации [АТФ] В процессе мышечного сокращения АТФ 4– АДФ 3– + Ф н 2- + Н + АДФ 3– имеет ~ которую можно использовать в аденилаткиназной реакции 2 АДФ 3– АТФ 4– + АМФ 2-, Для смещения реакции вправо АМФ 2- гидролизуется АМФ-дезаминазой АМФ 2- ИМФ + NH 3

Энергетический резерв: Креатин фосфат Мышцы имеют дополнительный резерв энергии Кр~Ф, который образует АТФ без участия метаболического топлива покой АТФ + Кр Кр~Ф работа Этот резерв истощается в ранний период нагрузки и восполняется во время отдыха при синтезе гликогена после длительной нагрузки

КФК буферная система

Белки мышц Основные белки актин и миозин Они связаны в высокоорганизованный комплекс – актомиозин Актин и миозин найдены в немышечных клетках, где обеспечивают клеточныу и внутриклеточную подвижность (адгезия, фагоцитоз, изменение поверхности и др.)

Actin Длинный спиральный полимер (F-актин) глобулярного белка- мономера (G-актин). Структура G-актина-мономера 2-х доменная молекула с массой 42 кД

Актин (продолжение) Связывание АТФ G-актином мономером ведет к полимеризации (т.e. образованию F-актина). АТФ гидролизуется, но АДФ остается в F-актине G-образует двунитевую спираль G- актина Актин имеет сайт связывания миозина

Тонкие филаменты Тонкие филаменты состоят из F-актина образующего спираль, Тропомиозина (фибриллярный белок, состоит из длинных димеров лежит вдоль или закрывает канавку спирали F-актина), трех маленьких белков - Тропонины I, C и T. Тропомиозин и тропонины ингибируют связывание головок миозина с актином до тех пор пока [Са 2+ ] не до M. В покое ~ [Са 2+ ] M поэтому нет взаимодействия актина и миозина

Миозин Активная молекула миозина состоит из 6 полипептидов: 2 равные тяжелые цепи (M = 230,000) 2 по 2 легкие цепи (M = 20,000) Вместе образуют комплекс Мв= 540,000

Миозин (прод) Тяжелые цепи имеют длинный - спиральный хвост и глобулярные домены головок -спиральный хвост образует 2 спиральное кольцо окружающее легкие цепи, что образует глобулярные домены головки. Домены головки и хвоста подвижны

Легкий и тяжелый меромиозины Молекула миозина м.б. расщеплена протеазами Домен хвоста расщепляется трипсином на легкий и тяжелый меромиозины тяжелый меромиозин расщепляется папином на головку и шейку

Домены миозина Миозин представлен фибриллярным и глобулярным белками и их домены играют разную роль. Домены хвоста образуют толстые биполярные филаменты. Домены головные вместе а легкими цепями образуют головки и связываются с актином

Структура скелетной мышцы Ткань скелетной мышцы состоит из многоядерных мышечных клеток или мышечных волокон. Каждая мышечная клетка состоит из связанных актина и миозина образующих миофибриллу. Миофибриллы упакованные «конец в конец» образуют цепь саркомеров – функциональную единицу сокращения. Внутренняя организация филаментов придает мышце поперечную исчерченность

Структура мышечного волокна В мышечном волокне миофибриллы связаны в пучки. Индивидуальные миофибриллы содержат структурно различные участки: миофибриллы имеющие тонкие филаменты состоят из актина и толстые филаменты из миозина. Объединение тонких и толстых филаментов в миофибрилле образует ее различные зоны

Three-dimensional Drawing of a Muscle Cell (Myofiber) The transverse (T) tubules, which are invaginations of the plasma membrane, enter myofibers at the Z disks, where they come in close contact with the terminal cisternae of the SR, forming triads. The terminal cisternae store Ca 2+ ions and connect with the lacelike network of SR tubules that overlie the A band.

Транспорт Ca 2+ в СР

Освобождение и возврат Ca 2+ в СР Деполяризация миоцита (этап 1) открывает Ca 2+ каналы СР через Ca 2+ освобождающий белок СР мембран (этап 2). Затем, Ca 2+ ATФ азы СР мембран закачивает Ca 2+ из цитозоля в СР, восстанавливая цитозольную конц [Ca 2+ ] ~ за 30 мсек (этап 3).

Потенциал-чувствительные Ca 2+ каналы (Dihydropyridine Receptors, DHPR) Главный тип потенциал-чувствительных Ca 2+ каналов скелетных мышц медленно инактивируемые каналы L- типа. Чувствительны к блокаторам типа 1,4-dihydropyridines (DHP), phenylalkylamines, and benzothiazepines. Играют ключевую роль в ЭМС. В скелетных мышцах эти каналы олигомеры состоящие из 2-х высокомолекулярных полипептидных субъединиц ( -1 и -2) и 3 малой субъединицы (, и ). -1 субъединица содержит сайты связывания блокаторов каналов

Ca 2+ освобождающие – рианодиновые рецепторы Ca 2+ освобождающие каналы СР известны как рианодиновые рецепторы (RYR). Это главный источник Ca 2+, необходимого для ЭМС (электромеханического сопряжения) Рианодин алкалойд растений, специфически модулирующий активность RYR Выделено 3 изоформы рецепторов RYR1, RYR2 и RYR3. RYR1 – в скелетных мышцах RYR2 – в миокарде RYR3 – в мозге

Регуляция мышечного сокращения Са 2+

Электромеханическое сопряжение Процесс преобразования нервного импульса в мышечное сокращение носит название электромеханическое сопряжение.

Ca 2+ - Фактор электромеханического сопряжения Ca 2+ in – М. Ca 2+ out – М Кальций является активатором ряда ферментов: Дегидрогеназ ЦТК : пируват-ДГ, изоцитрат-ДГ и - кетоглутарат-ДГ, (малат-ДГ – в нек. тканях); Триглицеридлипазы. Кальций-кальмодулинзависимых киназ (характерно для гладкой мускулатуры) Кальмодулин (КМ) – белок консервативный. Связывает 4 иона кальция.

ЭМС Na + Ca 2+ (out) Ca 2+ (in) TCA ATP ADP + P i Ca 2+ /CM TnC TnI TnT TM Actin Myosin Actomyosin cAMP IP 3 TG FA Glycogen Gl-6-P Ac-CoA Pyruvate SR Ca 2+ K+ Δψ Epinephrine Mito O2O2 OA ETC H2OH2OCO 2 ATPADP + P i Na + -K + - ATPase PKC PKA

Особенности биохимии миокарда Аэробная ткань (7-20% всего кислорода) аэробные изоферменты. ЛДГ1 и ЛДГ2 КФК2 (MB-изоформа). Высокая скорость ЦТК, -окисления ЖК, очень низкая – анаэробного гликолиза. Энергосубстраты – ЖК, глюкоза, лактат. Кетоновые тела. Особенно активно из крови миокард извлекает ненасыщ. ЖК – олеиновую кислоту. Интенсивный метаболизм АМК АлАТ, АсАТ. СР развит хорошо, однако Ca 2+ поступает из внеклеточной среды. На сарколемме высокая активность АТФ-аз.

Биохимические основы развития сердечной недостаточности (СН) Нарушение энергетического метаболизма. Дефицит O 2 (ишемия, гипоксия, аноксия) Несоответствие нагрузки функциональной воможности миокарда Дефицит субстратов (Гл, ЖК, КТ, лактат, ПВК и др.) В саркоплазме накапливается Ca 2+ Митохондрии аккумулируют значительную часть Ca 2+ Разобщение дыхания и фосфорилирования.

Последовательность развития СН При сердечной недостаточности (СН): Слабая мышечная стенка растягивается (дилатация). Повышается синтез коллагена рубцевание миокарда препятствует дилатации снижается эластичность. Ca 2+ анаэробный гликолиз образование волокон белого типа гипертрофия миокарда усиление биосинтеза мышечных белков. Ca 2+ активирует процессы перекисного окисления ( NADH).

Разобщение дыхания и фосфорилирования Поступление Ca 2+ в МХ снижает мембранный потенциал (Δψ) энергодефицит. Гидроксиаппатит плохо растворим уменьшается резерв фосфата. Ca 2+ Фн гидроксиаппатит

Формирование кислородного долга в миокарде Ca 2+ (in) МХ ДГ-реакции ЦТК ΔμH + ДЦ О 2 Кислородный голод

Роль Ca 2+ в снижении функциональной активности миокарда Ca 2+ (in) Кальпаины (Ca 2+ -зависимые протеиназы и пептидазы) Ca 2+ -зависимые протеинкиназы Гликолиз, Липолиз Уменьшение мышечной массы Эндогенный запас субстратов

Биохимические основы коррекции СН (1) 1. Аэрация миокарда 1. Нормализация кровообращения 2. Нормализация ионного и энергетического баланса 1. Препараты K + (печеный картофель, изюм, урюк и т.п.) 2. Инъекции препаратов глюкозы, инсулина и K + 3. Сердечные гликозиды (СГ) (из наперстянки, ландыша, строфанта Комбе) – дигитоксин, дигоксин, дигонин, конваллятоксин, строфантин K, коргликон (смесь разных СГ). 1. Высокоспецифичные ингибиторы Na + /K + -АТФазы. 4. Применение ингибиторов кальциевых каналов и антагонистов Ca 2+.

Биохимические основы коррекции СН (2) Препараты, увеличивающие уровень АТФ в миокарде Рибоксин (инозин) Аспаркам, панангин (глу, асп, K +, Mg 2+ ) Инозин ИМФ (+асп) Аденилосукцинат АМФ АДФ АТФ L-Карнитин (Элькар®) Осуществляет транспорт ЖК в МХ. Антиоксиданты (компл. вит. C, A, E) Бетаин – аналог SAM Синтез холина в печени – нормализация липопротеидного обмена. Синтез креатина – оптимизация энергообеспечения.

Особенности сокращения гладкой мускулатуры Гладкомышечные клетки расположены менее упорядоченно. Рыхлые пучки актиновых и миозиновых филаментов заполняют цитоплазму клетки. Эти пучки связаны с плотными тельцами в цитозоле и прикрепительными бляшками на мембране.

Сокращение гладких мышц Пусковой механизм в сокращении гладких мышц – повышение [Ca 2+ ] в клетке. Ca 2+ связывается с кальмодулином, активирует киназу легких цепей миозина. Фосфорилирование легких цепей миозина вызывает сокращение. Процесс сокращения в гладких мышцах происходит значительно медленнее.

Воздействие 137 Cs на энергетический метаболизм мышечной ткани Транспортируется по К каналам и тропен к возбудимым тканям, аккумулируется в Мх (основная патология на «постчернобыльском» пространстве - ССС, НС, эндокринная, иммунная) Инкорпорация 137 Cs ( -излучатель) АФК. Продукция АФК не уменьшается. Клетки с инкорпорированным радионуклидом воспринимаются как несостоятельные и погибают путем апоптоза. Создаются предпосылки для развития МХ патологий.

Проблемы Чернобыля Основной дозообразующий элемент 137 Cs элемент IA группы (аналог/антагонист К + ) В Беларуси на загрязненных территориях проживают более миллиона человек, которые получают ежегодно дозы облучения в диапазоне от десятых долей до нескольких мЗв. Хотя, по мнению некоторых авторов [45], такие дозы не создают угрозы стохастических эффектов облучения, выявляемых методами эпидемиологического анализа, тем не менее …изучение их эффектов на организм человека и животных представляет исключительный научно-практический интерес и относится к приоритетным направлениям решения долговременных проблем радиобиологических и радиоэкологических последствий чернобыльской катастрофы. Это положение, а также «изучение последствий биологического действия низкоинтенсивного излучения…» является одним из элементов научного обеспечения государственной политики Беларуси, которая сформулирована в Государственной программе по преодолению последствий катастрофы на Чернобыльской АЭС на годы [36].

Проблемы Чернобыля изучение их эффектов на организм человека и животных представляет исключительный научно-практический интерес и относится к приоритетным направлениям решения долговременных проблем радиобиологических и радиоэкологических последствий чернобыльской катастрофы. Это положение, а также «изучение последствий биологического действия низкоинтенсивного излучения…» является одним из элементов научного обеспечения государственной политики Беларуси, которая сформулирована в Государственной программе по преодолению последствий катастрофы на Чернобыльской АЭС на годы [36].

Образование АФК Активация ПОЛ Образование лизоформ СЖК и др. Разобщение ОФ Деэнергизация Набухание МХ Повреждение клетки Апоптоз Стимуляция дыхания Усиление Влияние 137 Cs на митохондрии Ослабление 137 Cs + H+H+ [H + ] Снижение H и образования АТФ + - O2O2 137 Cs АТФ 1 – Электрофорез K + / 137 Cs + в МХ; 2 – K ATP -канал; 3 – K + /H + -антипортер; 4 – электронтранспортная цепь

Ригорный комплекс (трупное окоченение) Ригорный комплекс образуется в результате нарастающего дефицита кислорода АТФ Ca 2+ актомиозиновый комплекс не диссоциирует. Через 2-3 часа ригорный комплекс разрушается (действие лизосомальных протеаз) ткани мышц снова становятся мягкими.

Структура RYR

Ryanodine Receptor 1 (RYR1) 5,032-amino acid protein; molecular mass of kD, which is made without an N- terminal sequence potential transmembrane sequences. Hydrophilic part of the protein constitutes the cytoplasmic domain. Potential calmodulin-binding sites. Abnormalities: Central core disease; Susceptibility to malignant hyperthermia; Minicore myopathy with external ophthalmoplegia.

Central Core Disease Central core disease is characterized pathologically by the presence of central core lesions extending the length of type I muscle fibers. The cores are regions of sarcomeric disorganization, absent mitochondria, and lack of oxidative activity. Ultrastructural studies show changes in the sarcoplasmic reticulum and t-tubules. Central core disease is one of the conditions that produces the floppy infant. Central core disease was the first described (Shy and Magee, 1956) example of a stationary muscle disorder. Central core disease can be caused by mutation in the ryanodine receptor-1 gene (RYR1).

Ryanodine Receptor 2 (RYR2) The channel is a tetramer comprised of 4 RYR2 polypeptides and 4 FK506-binding proteins. Protein kinase A phosphorylation of RYR2 dissociates FKBP12.6 and regulates the channel open probability (Marx et al., 2000). Abnormalities: Ventricular tachycardia, stress-induced polymorphic (autosomal dominant); Familial arrhythmogenic right ventricular dysplasia; In failing human hearts RYR2 is PKA hyperphosphorylated, resulting in defective channel function due to increased sensitivity to calcium-induced activation.

Ryanodine Receptor 3 (RYR3) Last time it was found new ryanodine receptor 3. The novel ryanodine receptor is expressed mainly in brain. 4,872 amino acids; shared characteristic structural features with the skeletal muscle (RYR1) and cardiac (RYR2) ryanodine receptors. The brain ryanodine receptor gene is transcribed in smooth muscle, also in skeletal muscle during the postnatal phase of muscle development. At the moment being RYR3 is studied actively.

The Structure of Dihydropyridine Receptor ( -1)

Abnormalities of DHPR Hypokalemic periodic paralysis; Susceptibility to thyrotoxic periodic paralysis; Susceptibility to malignant hyperthermia.

Nifedipine Nifedipine binds with high affinity to DHPR of T-tubules.

Calsequestrin Calsequestrin, an acid glycoprotein located in the luminal space of the terminal cisternae of the sarcoplasmic reticulum, binds calcium ion and is believed to function as a storage protein for calcium. Skeletal muscle sarcoplasmic reticulum (SR) contains fast-twitch skeletal muscle isoform of calsequestrin (CASQ1). Cardiac muscle SR contains a cardiac isoform of calsequestrin (CASQ2).

Calsequestrin (contd) The CASQ2 protein serves as the major calcium ion reservoir within the sarcoplasmic reticulum of cardiac myocytes and is part of a protein complex that contains the ryanodine receptor. Human gene has 11 exons, 5 amino acids near the COOH terminus of the sequence are lacking in the human protein. Abnormalities: missense mutation in the CASQ2 gene as the cause of autosomal recessive catecholamine-induced polymorphic ventricular tachycardia in Bedouin families from Israel.

Calsequestrin: calmitine Calmitine is a mitochondrial calcium-binding protein specific for fast-twitch muscle fibers. It is absent in patients with Duchenne and Becker types of muscular dystrophy. The sequence of calmitine is identical to calsequestrin. Calmitine represents the Ca 2+ reservoir of mitochondria.

Other Muscular Proteins Major proteins of striated muscle (myosin, actin, tropomyosin, and the troponins). Myosin and actin – 65% of the total muscle protein, Tropomyosin and the troponins – 5%. Numerous other proteins play important roles in the maintenance of muscle structure and the regulation of muscle contraction. 25% of the total myofibrillar protein. The regulatory proteins can be classified as either myosin-associated proteins or actin-associated proteins.

Myosin-associated Proteins The myosin-associated proteins include three proteins found in the M disks. The M disks consist primarily of M protein (165 kD), myomesin (185 kD), and creatine kinase (a dimer of 42-kD subunits). Creatine kinase facilitates rapid regeneration of the ATP consumed during muscle contraction. The association of M protein, myomesin, and creatine kinase in the M disk maintains the structural integrity of the myosin filaments.

Other Myosin-associated Proteins Several other myosin-associated proteins have also been identified, including C protein (135 kD), F protein (121 kD), H protein (74 kD), and I protein (50 kD). The C protein is localized to several regularly spaced stripes in the A band. C protein inhibits myosin ATPase activity at low ionic strength but activates it at physiological ionic strength. The roles of F, H, and I proteins are not yet understood.

Actin-associated Proteins Actin-associated proteins (other than tropomyosin and the troponins) include -actinin (a homodimer of 95-kD subunits), -actinin (a heterodimer of 37-kD and 34-kD subunits), -actinin (a 35-kD monomer), and paratropomyosin (a homodimer of 34-kD subunits).

Actinins -Actinin is found in the Z lines and activates contraction of actomyosin. It is thought to play a role in attachment of actin to the Z lines. -Actinin consists of three domains: an N-terminal, actin-binding domain; a central domain consisting of four repeats of a 122-residue sequence; and C-terminal domain that contains two EF- hand, calcium-binding domains.

Actinins (contd) -Actinin exists as a homodimer of antiparallel subunits, here is its primary structure. The N-terminal, actin- binding domain and the C-terminal, EF-hand domains are separated by a central domain consisting of four repeats of 122-residue sequence.

Actinins (contd) The four central repeats in –actinin are highly homologous with the 106-residue repeat sequences of spectrin, the major structural protein of the red blood cell cytoskeleton. The repeating segments of both -actinin and spectrin are thought to consist of bundles of four -helices. -Actinin acts as an actin-capping protein, specifically binding to the end of an actin filament. -Actinin also inhibits actin polymerization, but its location in thin filaments is not known with certainty. Paratropomyosin is similar to tropomyosin, but appears to be located only at the A band–I band junction.

The titin-nebulin filament system A titin filament attaches at one end to the Z disk and spans the distance to the middle of the thick filament. Thick filaments are thus connected at both ends to Z disks through titin. Nebulin is associated with a thin filament from its (+) end at the Z disk to its (-) end.

The titin-nebulin filament system (contd) Titin dynamics The large titin and nebulin filaments remain connected to thick and thin filaments during muscle contraction and generate a passive tension when muscle is stretched.

Gelsolin-treated Sarcomere To visualize the titin filaments in a sarcomere, muscle is treated with the actin-severing protein gelsolin, which removes the thin filaments. Without a supporting thin filament, nebulin condenses at the Z disk, leaving titin still attached to the Z disk and thick filament.

General Structure of Smooth Muscle Smooth muscle is composed of loosely organized spindle- shaped cells that contain a single nucleus. Loose bundles of actin and myosin filaments pack the cytoplasm of smooth muscle cells. These bundles are connected to dense bodies in the cytosol and to the membrane at attachment plaques.