Tkanka mięśniowa

Aparat kurczliwy:
• miofilamenty cienkie (aktyna i białka pomocnicze)
• miofilamenty grube (miozyna 2)
łańcuchy lekkie
Tkanka
mięśniowa
tropomiozyna
troponina
miozyna 2
aktyna
troponina
lub kaldesmon
i kalponina
miozyna 2
• pobudliwość
• kurczliwość
Miofilamenty nie kurczą się, lecz przesuwają względem
siebie („główki” miozyny kroczą po aktynie)
Klasyfikacja
tkanki mięśniowej:
Mięśnie gładkie:
• aparat kurczliwy o niższym poziomie uporządkowania
• reagują na różne bodźce (nerwowe, hormonalne, mechaniczne)
• nie podlegają naszej woli
• skurcz wolny, ale długotrwały
• komórki produkują własne blaszki podstawne i składniki
substancji międzykomórkowej (m.in. włókna sprężyste
i srebrochłonne)
(1) mięśnie gładkie
(2) mięśnie poprzecznie
prążkowane
•
mięśnie szkieletowe
•
mięsień sercowy
Komórki mięśniowe gładkie tworzą warstwy
(błony mięśniowe) lub pęczki i są połączone
połączeniami szczelinowymi (neksusami),
co umożliwia przewodzenie bodźców
Komórka mięśniowa gładka
• wydłużona, wrzecionowata
• pałeczkowate jadro
• organelle zgrupowane na
biegunach jądra
• pozostałą cytoplazmę zajmuje
aparat kurczliwy
• otoczona blaszką podstawną
Występowanie:
• warstwy: naczynia krwionośne, układ
pokarmowy, drogi oddechowe, układ
moczowo-płciowy (w tym macica,
pęcherz)
• pęczki: mięśnie wyprostne włosa,
tęczówka
1
Bardzo liczne cienkie i nieliczne grube miofilamenty tworzą
wydłużoną sieć
Miofilamenty cienkie są powiązane ze sobą i przyczepione do
błony komórkowej za pośrednictwem białek wiążących aktynę
ciałka gęste (α-aktynina)
podbłonowa
płytka gęsta
(α-aktynina,
winkulina)
ciałko
gęste
kaweola
podbłonowa
płytka gęsta
Aparat kurczliwy:
• miofilamenty cienkie:
- aktyna
- tropomiozyna
- kaldesmon
- kalponina
• miofilamenty grube: miozyna 2
Molekularny mechanizm skurczu
komórki mięśniowej gładkiej:
1. Bodziec
2. Otwarcie kanałów wapniowych
3. Wzrost poziomu Ca2+ w cytoplazmie
(sygnał wewnątrzkomórkowy)
4. Przyłączenie jonów Ca do kaldesmonu
i kalponiny (wzrost aktywności ATPazowej
miozyny) oraz do cytoplazmatycznego
białka - kalmoduliny
5. Kompleks kalmodulina-Ca aktywuje
kinazę lekkich łańcuchów miozyny…
Śródmiąższowe
komórki Cajala
(specyficzna populacja
komórek mięśniowych gładkich)
• liczne długie wypustki
• słabiej rozwinięty ap. kurczliwy
• liczne zakończenia nerwowe
• b. liczne połączenia szczelinowe
Funkcje:
• spontanicznie generują bodźce
skurczowe (kom. „rozrusznikowe”)
• pośredniczą w przekazywaniu
bodźców pomiędzy zakończeniami
nerwowymi a „roboczymi”
komórkami mięśniowymi
Występowanie:
• przewód pokarmowy
• naczynia krwionośne
• moczowód
6. Kinaza fosforyluje łańcuchy lekkie, co powoduje odsłonięcie
miejsc wiążących aktynę
miejsca wiążące
aktynę „zamknięte”
kinaza lekkich
łańcuchów
fosforylacja łańcuchów
lekkich miozyny
miejsca wiążące
aktynę „otwarte”
7. Miozyna łączy się z aktyną
8. Skurcz
Niemięśniowe komórki kurczliwe:
- różne pochodzenie
- aparat kurczliwy jak w komórkach mięśniowych gładkich
• Komórki mioepitelialne
- pochodzenie nabłonkowe
- obecne w niektórych gruczołach
- „wyciskają” wydzielinę do przewodów
• Miofibroblasty
- pochodzenie mezenchymatyczne
- obecne w skórze i niektórych narządach
- uczestniczą w gojeniu ran
• Komórki mioidne
- pochodzenie mezenchymatyczne
- występują w jądrach
- „wypychają” plemniki z kanalików nasiennych
• Perycyty
- pochodzenie mezenchymatyczne
- występuja w ścianie naczyń włosowatych
- regulują światło naczynia
2
Mięśnie szkieletowe
• aparat kurczliwy o uporządkowanym układzie
• reagują wyłącznie na bodźce nerwowe
• zależą od naszej woli
• skurcz szybki, ale krótkotrwały
• włókna mięśniowe wytwarzają własną blaszkę podstawną
Mięsień szkieletowy jest narządem zbudowanym z włókien mięśniowych
i tkanki łącznej otaczającej: brzusiec (namięsna), pęczki włókien
(omięsna) i pojedyncze włókna mięśniowe (śródmięsna)
namięsna
śródmięsna
omięsna
mięsień
pęczek mięśniowy
blaszka podstawna
cytoplazma
jądro
włókno mięśniowe
W tkance łącznej przebiegają naczynia krwionośne i włókna nerwowe
Włókno mięśniowe szkieletowe jest wielojądrzastą zespólnią
powstałą przez zespolenie wielu komórek prekursorowych (mioblastów)
Budowa włókna mięśniowego szkieletowego:
• sarkolema (błona komórkowa +
blaszka podstawna)
• wąska obwodowa warstwa
cytoplazmy zawierająca jądra
i organelle
• obszar centralny zawierający
aparat kurczliwy - równolegle
ułożone, poprzecznie prążkowane
miofibryle
Pomiędzy miofibrylami:
• mitochondria, kanaliki T, siateczka
sarkoplazmatyczna
• glikogen, mioglobina
Budowa miofibryli:
regularny układ miofilamentów
tworzy segmenty - sarkomery
Filamenty i białka podporowe sarkomeru i miofibryli
titina
tropomodulina
nebulina
H
I
• linia Z: α-aktynina, mocuje końce
cienkich miofilamentów
• linia M: miomezyna, tworzy mostki
łączące bocznie grube
miofilamenty
Z
A
M
I
Z
• titina – zapobiega nadmiernemu
rozciągnięciu sarkomeru
• nebulina – usztywnia cienki
miofilament
• tropomodulina – blokuje wolny
koniec cienkiego miofilamentu,
zapobiega jego wydłużaniu
(polimeryzacji aktyny)
aktyna
dystrofina
Dystrofina łączy
obwodowe miofilamenty
cienkie z błoną komórkową
3
Mutacje w obrębie genu kodującego dystrofinę wywołują
ciężkie schorzenie miodegeneracyjne, dystrofię mięśniową
Duchenne’a
Miofibryle połączone są na wysokości linii Z sarkomerów
poprzecznie biegnącymi filamentami pośrednimi (desmina)
w ten sposób, że sarkomery znajdują się na tym samym poziomie daje to efekt poprzecznego prążkowania całego włókna mięśniowego
Molekularna struktura miofilamentów
cienkie
tropomiozyna
grube
„główki” (fragmenty S1)
troponina
Molekularny mechanizm skurczu
1. Wzrost poziomu jonów Ca2+ (sygnał wewnątrzkomórkowy)
2. Jony Ca wiążą się z troponiną C
3. Troponina I poprzez troponinę T odsuwa tropomiozynę od aktyny
4. „Główki” miozyny wiążą się z aktyną
5. Miozyna „kroczy” po powierzchni aktyny miofilamenty przesuwają się względem siebie, sarkomer się skraca
aktyna
cząsteczka miozyny 2
miofilament
tropomiozyna
aktyna
troponina (C, I, T)
miozyna
… ale w miofybryli to nie ma prawa działać!...
czyli dylemat skurczu mięśniowego (contraction dilemma)
Bodziec dochodzi do każdego włókna mięśniowego z zakończenia
włókna nerwowego, płytki motorycznej (synapsa nerwowo-mięśniowa)
tak skierowane są wektory sił generowanych przez sarkomery
?
zakończenie włókna nerwowego
„fala” skurczu
To jednak działa, gdyż sarkomery nie kurczą się równocześnie, tylko
„po kolei”, każdy z minimalnym opóźnieniem w stosunku do
poprzedniego – co pozwala na efektywne skrócenie miofibryli.
• fałdy sarkolemy
• kanały sodowe
• neuroprzekaźnik:
acetylocholina
4
Systemy błonowe otaczające miofibryle:
kanaliki T i siateczka sarkoplazmatyczna
1. Przekazanie bodźca na błonę
komórkową (płytka motoryczna)
błona komórkowa
miofibryla
2. Wprowadzenie bodźca
w głąb włókna (błona
kanalików T)
cysterna brzeżna
siateczki sarkopl.
3. Zmiana kształtu białka wrażliwego
na bodziec (zmianę potencjału błony)
w błonie kanalika T
kanalik T
siateczka sarkoplazmatyczna
4. Mechaniczne otwarcie kanałów wapniowych
w błonie cysterny brzeżnej
• kanaliki T – wpuklenia błony komórkowej
zlokalizowane wzdłuż granic między
prążkami I i A
• siateczka sarkoplazmatyczna – odpowiednik
siateczki gładkiej/kalciosomu,
o segmentowym układzie, gromadzi jony Ca
Reakcja włókna mięśniowego na bodziec nerwowy - etapy
triada mięśniowa:
kanalik T +
2 cysterny brzeżne
Połączenie
mięsień-ścięgno
5. Wzrost poziomu
jonów Ca
w cytoplazmie
(czyli także
w otoczeniu
miofilamentów)
błona kanalika T
bodziec
błona
cysterny
brzeżnej
kanał wapniowy
Typy włókien mięśniowych szkieletowych:
• czerwone (typ I)
• pośrednie (typ IIA)
• białe (typ IIX)
miofilamenty cienkie
białka pośredniczące
Włókna białe: większa średnica, mniej mioglobiny i mitochondriów, węższe
linie Z, b. szybki skurcz, szybkie zmęczenie
Włókna czerwone: mniejsza średnica, więcej mioglobiny i mitochondriów,
szersze linie Z, wolniejszy skurcz, bardziej odporne na zmęczenie
integryny
kolagen
Struktury receptoryczne mięśni szkieletowych:
wrzecionka nerwowo-mięśniowe i nerwowo-ścięgniste
Komórki satelitarne
włókna nerwowe
ruchowe (eferentne)
błona komórkowa
komórki satelitarnej
blaszka podstawna
torebka
normalne włókna
mięśniowe otaczające
wrzecionko (ekstrafuzalne)
włókna nerwowe
czuciowe (aferentne)
włókna nerwowe
czuciowe (aferentne)
błona komórkowa
włókna mięśniowego
• niezróżnicowane (komórki macierzyste mięśni szkieletowych)
• leżą pod blaszką podstawną
• mogą się namnażać i wbudowywać do istniejących włókien
• odpowiadają za rozrost, przebudowę i regenerację mięśni
małe włókna mięśniowe
wrzecionka, oplecione
licznymi zakończeniami
nerwowymi (intrafuzalne)
włókna kolagenowe ścięgna
5
Z uwagi na przestrzenny charakter skurczu, komórki mięśnia sercowego
(kardiomiocyty) oraz ich aparat kurczliwy tworzą przestrzenną sieć
Mięsień sercowy:
• zbudowany z oddzielnych komórek
• uporządkowany układ aparatu
kurczliwego (sarkomery)
• reaguje na bodźce generowane przez
własne komórki
• skurcz rytmiczny
• skurcz przestrzenny
Pomiedzy rozgałęzionymi kardiomiocytami
znajdują się bardzo liczne naczynia włosowate
Komórki mięśnia sercowego zawierają:
• centralne jądro, a wokół niego organelle
• rozgałęzione pęczki miofilamentów
zorganizowanych w sarkomery,
a między nimi bardzo liczne mitochondria
Cienkie miofilamenty kardiomiocytów zawierają specyficzne
izoformy troponiny (inne niż w m. szkieletowych). Przy uszkodzeniu
komórki wydostają się one do krwi i ich obecność w osoczu
jest jednym z najwcześniejszych wskaźników zawału serca.
Kanaliki T i siateczka sarkoplazmatyczna w komórkach mięśnia sercowego
pełnią te same funkcje co w włóknach mięśniowych szkieletowych, choć
nieco różnią się morfologią i mechanizmem działania
Komórki mięśnia sercowego są połączone wstawkami
- zespołami połączeń międzykomórkowych
desmosom
wstawka
neksus
• szersze kanaliki T zlokalizowane na poziomie linii Z
• mniejsze cysterny brzeżne
• diady zamiast triad (kanalik T + 1 cysterna brzeżna)
• w błonie kanalików T kanały wapniowe otwierane zmianą potencjału, wstępny
wzrost poziomu Ca aktywuje kanały wapniowe w siateczce sarkoplazmatycznej
(wzmocnienie sygnału)
powięź przylegania
6
Komórki robocze przedsionków
Komórki układu bodźcotwórczo-przewodzącego są „prymitywnymi”
komórkami mięśnia sercowego
1
4
2
3
4
• ubogi aparat kurczliwy
• brak kanalików T
• liczne neksusy
Węzeł zatokowo-przedsionkowy (1),
węzeł przedsionkowo-komorowy (2):
spontaniczna, rytmiczna depolaryzacja
• mniejsze
• brak kanalików T
• niektóre komórki pełnią również funkcję dokrewną:
produkują przedsionkowy peptyd natriuretyczny
Pęczek Hisa (3), włókna Purkiniego (4): pęczki komórek połączone neksusami
między sobą i z kardiomiocytami roboczymi („rozprowadzanie” bodźców)
A jednak są!
Komórki macierzyste
mięśnia sercowego
zawał
blizna łącznotkankowa
Komórki mięśnia sercowego nie mają zdolności do regeneracji
– uszkodzony rejon (np. rejon zawału) zastępuje łącznotkankowa
blizna, co prowadzi do upośledzenia wydolności serca.
Aby pobudzić regenerację, próbowano (bez większego powodzenia)
wstrzykiwać do rejonu blizny komórki macierzyste pobrane
z innych narządów pacjenta (szpiku, mięśni szkieletowych).
Ostatnio jednak okazało się, że…
• małe komórki zlokalizowane
pomiędzy kardiomiocytami
• w hodowli przekształcają się
w sprawne czynnościowo
kardiomiocyty
• nie wiadomo, dlaczego nie są
aktywne w sercu
• po przeszczepieniu do serca
szczura wbudowują się w
mięsień sercowy
• w hodowli mogą tworzyć
kuliste skupiska (kardiosfery)
2012: Sukces?
Dobre wyniki leczenia pacjentów
po zawale komórkami macierzystymi
mięśnia sercowego (badania kliniczne I fazy)
• 31 pacjentów, blizna pozawałowa lewej komory,
obszar blizny (średni) 24%
• wyhodowano ich własne komórki macierzyste z biopsji m. sercowego
• komórki wstrzyknięto do gałęzi t. wieńcowej
• po 6 miesiącach:
- żaden pacjent nie zmarł
- obszar blizny zmniejszył się o 12 % (u pacjentów nieleczonych o 1,5 %)
- masa żywego mięśnia sercowego zwiększyła się o 20 g
(u pacjentów nieleczonych o 2 g)
(Makkar et al., Lancet 2012, March 10)
7