szívizom sejtekben csatolása Excitáció - kontrakció

Excitáció-kontrakció csatolása

szívizomsejtekben

ARTÉRIÁS VÉRNYOMÁS

Teljes perifériás rezisztencia

PERCTÉRFOGAT

Szívfrekvencia

KONTRAKCIÓ

+

VERŐTÉRFOGAT

+

+ +

+

A Ca

²⁺

háztartás feladata

Funkcionális szempontból a Ca²⁺ háztartás alapvető feladata a stabil szívizom kontrakció biztosítása

Intracelluláris Ca²⁺ ciklus

Strukturális és funkcionális

alapok

Hősünk, a kamrai szívizomsejt

~ 100 x 25 mm

Átmérő: 100 X 25 µM

A sejtek funkcionális szincíciumot alkotnak. Egy sejt elektromos stimulálása tovaterjed az egész szívizomra. Egységes kontrakciót eredményez

A sejtek között gap junction-ok teremtenek elektromos kapcsolatot

Vázizomrost és szívizomsejt szerkezete

Vázizomban az SR sűrű hálózatot alkot, jelentősen kiszélesedik a terminális ciszternáknál, a T-tubulusok átmérője jóval kisebb, mint szívizomban.

Szívizomban az SR hálózat ritkább, junkcionális csatolásokat tartalmaz a külső szarkolemmával, illetve a T-tubulusokkal, melyek átmérője sokkal nagyobb, mint vázizomban. A mitochondrium-denzitás is jóval nagyobb.

Vázizom Szívizom

Szív- és a vázizom EC csatolásának összehasonlítása

 Az aktivált Ca csatornák triggerelik a szarkoplazmás retikulum Ca release csatornáit

 Az akciós potenciál biztosítja az excitációs stimulust, mely aktiválja a plazmamembrán Ca csatornáit

 Ennek eredményeként megemelkedik az intracelluláris szabad Ca és aktiválja a kontraktilis apparátust

 Mindkét izomtípus harántcsíkolt (fejlett intracelluláris SR, illetve T-tubulus, hálózat)

Hasonlóságok Különbségek

 A vázizom Dihidropiridin-receptort tartalmaz ami csak feszültség szenzorként szolgál. Vázizomnál nem fontos külső Ca²⁺, szívizomnál elengedhetetlen

 A szívben specializálódott ingerképző (SA) szövet és vezető (Purkinje) rostok találhatók

 A szívizom sejtek szincitiumot alkotnak – azaz gap junction-ok segítségével elektromosan csatoltak

 A kamrai szívizomsejtek akciós potenciálja kb. 100x hosszabb (250 ms) mint a vázizom akciós potenciálja

A Ca

²⁺

ciklus transzporterei

Ca²⁺

Na CaX

3Na⁺ Ca²⁺

RyR PLB

SERCA

ATP

T-Tubulus

Ca²⁺

Na⁺/Ca²⁺ pumpa (NCX)

Ca2+ csatorna

Ca²⁺

Ryanodin receptor

SERCA A stabil Ca-háztartás alapfeltételei (!):

1. Influx = Efflux

2. Ca-felszabadulás = Ca-visszavétel

A Ca

²⁺

ciklus részfolyamatai

Myofilament

[Ca

²⁺

]

_i

Ca²⁺

Na CaX

3Na⁺ Ca²⁺

RyR PLB

SERCA

ATP

T-Tubulus

Ca²⁺

Na⁺/Ca²⁺ pumpa (NCX)

Ca2+ csatorna

1.Beáramlás (influx)

Ca²⁺

2.Felszabadulás

3.Visszavétel

3.Eltávolítás (efflux)

Ryanodin rec.

SERCA

„Kompartmentek” a szívizomsejten belül

[Ca

²⁺

]

_i

T -T ubulus

RyR PLB

SERCA

SR

Intracelluláris tér

„Restricted space”

Na CaX

Az SR és a T-tubulus közötti tér az ún. „restricted

space”, ahol számos

ioncsatorna és transzporter található

A „restricted space”-ben mérhető Ca²⁺

koncentráció többszöröse az intracelluláris térben mérhetőnek. A Ca²⁺ koncentráció változások is sokkal gyorsabbak.

A „restricted space”-ben levő Ca²⁺

elsődlegesen szabályozó szerepet tölt be, az intracelluláris elsősorban a

kontrakcióhoz kell

Ca2+ csatornaNa+ /Ca2+ pumpa (NCX)

Diasztolés Ca²⁺ érték, ~ 100 nM Szisztolés Ca²⁺ érték, ~ 1000 nM

• A sejteket feltöltjük fluoreszcens festékkel (Fluo-4AM)

• A festék köti a szabad, intracelluláris Ca²⁺-ot

• Gerjesztőfény révén a kibocsájtott fluoreszcencia mérhető

• 1 Hz frekvenciával vannak ingerelve

A módszerrel csak(!) az intracelluláris Ca²⁺ mérhető, (és bizonyos körülmények között az SR Ca²⁺ tartalma). A restricted space Ca²⁺ tartalma számítással

(becsléssel) határozható meg.

A Ca

²⁺

FELSZABADULÁSOK MÉRÉSE

Ca²⁺ felszabadulás

Ca²⁺ visszavétel + efflux

Ha a sejtet mikroelektródával megszúrjuk az akciós potenciál is mérhetővé válik

A Ca

²⁺

FELSZABADULÁSOK MÉRÉSE

Egészséges sejtben az AP és a Ca felszabadulás jól szinkronizáltan történik.

Az AP elején megnyíló Ca-csatornák indítják meg a Ca-ciklust

Sziszt. Diasztole

Ca ²⁺ beáramlás a

szarkolemma Ca ²⁺ csatornáin keresztül

(Ca-influx)

Myofilament

[Ca

²⁺

]

_i

Ca²⁺

Na CaX

3Na⁺ Ca²⁺

RyR PLB

SERCA

ATP

T-Tubulus

Ca²⁺

Na⁺/Ca²⁺ pumpa (NCX)

Ca2+ csatorna

1.Beáramlás

Ca²⁺

2.Felszabadulás

3.Visszavétel

3.Eltávolítás

Ryanodin rec.

SERCA

_1C : Ca csatorna alaptulajdonságok, DHP, PAA, BTZ receptorok,

PKA, CaMKII, PKC foszforiláció, 4 homológ 6 TM alegység,

RyR-kölcsönható helyek,

EF + IQ: Ca dependens inaktiváció

₂+: 2x ↑ DHPR expresszió, csatorna &

kapu áramok jelentős növekedése, 4x ↑ DHP affinitás, gyorsabb csatorna nyitás és zárás

₂: _1C-interakció (AID & BID) 10x ↑ áramnövekedést okoz, gyorsítja az aktivációt/inaktivációt, eltolja a steady state inaktivációt, jelentősen ↑ a high affinity DHP kötőhelyek számát (chaperon funkció: új _1C-k stabilizá- ciója, megfelelő folding, pórus nyitás)

Típusai:

• T-típus: színuszcsomóban és AV-csomóban, ingerképző funkciója van; munkaizomrostban viszonylag kevés

• N-típus: Idegrendszerben

• L-típus: Váz és szív-munkaizomrostban elsősorban.

• A Ca²⁺ csatornán keresztüli töltésáramlást Ca²⁺ áramnak nevezzük

• A beáramló pozitív töltések depolarizálják a membránt

Kinetika

• 3 funkcionális állapot: aktivált, inaktivált, nyugalmi

0 pA

500 pA

Aktiváció Inaktiváció

Ca²⁺

Kinetika

• Aktiváció: -40 mV

• Áram maximuma: -10-0 mV

• Az inaktivációnak 2 típusa van

• Feszültség függő inaktiváció (VDI)

• Ca függő inaktiváció (CDI)

Control

1 nA

200 ms

55 mV 400 ms

-40 mV

-40 -20 0 20 40 60 -1200

-800 -400

0

ICa amplitude (pA)

Ca függő inaktiváció Feszültség függő inaktiváció

Fast inactivation kinetics Slow inactivation kinetics

• Mind a repolarizáció (feszültség) mind a Ca-felszabadulás (Ca) inaktiválja a Ca-csatornát

• DE a Ca-felszabadulásnak sokkal erőteljesebb inaktiváló hatása van

• Ezt a Ca-felszabadulás általi inaktivációt Ca-dependens inaktivációnak (CDI) nevezzük

Ca-csatorna

Ca²⁺

A Ca

²⁺

áram kettős szerepe 1.

-80 mV -40 mV

A Ca²⁺ áram kettős szereppel rendelkezik:

• kialakítja az AP platófázisát

• elindítja a Ca²⁺ ciklust

• A Ca²⁺ áram akkor kezd aktiválódni, amikor az AP eléri a ~ -40 mV-ot

• A platófázis alatt aktív

• Ahogy a repolarizáció megkezdődik az áram inaktiválódik (megszűnik a Ca²⁺

beáramlás)

Akciós potenciál

Ca²⁺ felszabadulás

Ca-csatorna

Ca²⁺

A Ca

²⁺

áram kettős szerepe 2.

A Ca²⁺ áram a Ca-cikluson belül is kettős szereppel rendelkezik:

• megnyitja a ryanodin receptorokat, és kiváltja a Ca²⁺ felszabadulást

• befolyásolhatja az SR Ca²⁺-tartalmát

RyR

PLB

SERCA

Ca²⁺

[Ca

²⁺

]

_i

Megnyitja a RyR-receptorokat „trigger”

Befolyásolhatja az SR Ca²⁺ tartalmát

Ca-csatorna

Ca²⁺

Mi történik ha gátoljuk a Ca

²⁺

csatornát?

-80 mV

Az L-típusú Ca²⁺ áramot számos szer képes gátolni:

• Az AP rövidül

• A Ca²⁺ felszabadulás csökken

A jelenséget terápiásan is felhasználják, mint antiaritmiás hatást.

Az AP azért rövidül mert kevesebb

depolarizáló pozitív töltés jut be a sejtbe, a plató rövidül, így a repolarizáció hamarabb kezdődhet

A Ca²⁺ felszabadulás (és a kontrakció) azért csökken mert kevesebb RyR nyílik meg, és csökken az SR Ca²⁺ tartalma

Ca²⁺-felszabadulás

• A Ca²⁺-áram és a Ca²⁺-felszabadulás között kétirányú kapcsolat van

• A Ca²⁺-áram Ca²⁺-felszabadulást vált ki, pozitív összefüggés

• A Ca-felszabadulás gyorsítja a Ca- csatorna záródását, tehát itt negatív visszacsatolás működik

• Ez utóbbi negatív feed-back gátlást, Ca- dependens inaktivációnak nevezzük (CDI)

• A folyamat nem direkt, hanem CaM útján alakul ki

• Védi a sejtet a túlzott mértékű Ca²⁺- beáramlástól

A Ca

²⁺

felszabadulás negatívan szabályozza a Ca

²⁺

áramot

Negatív feed-back

-

Ca²⁺-csatorna

Ca²⁺

+

Minél több Ca²⁺ szabadul fel, annál jobban fékezi a további Ca²⁺ beáramlást!!

A szimpatikus tónusfokozódás egyik célpontja a Ca

²⁺

-áram

• A β-adrenerg szignál (szimpatikus tónus) során a kontrakciós erő növekszik

• A sejtben egy komplex folyamat játszódik le

• A folyamat egyik fő résztvevője a Ca²⁺

áram

• A Ca²⁺ beáramlás jelentősen fokozódik

• Az SR Ca²⁺ tartalma növekszik

• A felszabaduló Ca²⁺ mennyiség is növekszik, így a kontrakció is

• Fiziológiás körülmények között tachycardiában jelenik meg

I

_CaL

Ca

²⁺

β1-R

AC: Adenilát-cikláz PKA: Protein-kináz A

AC

Gs-protein

ATP cAMP

PKA

Ca ²⁺ felszabadulás és

kontrakció

Myofilament

[Ca

²⁺

]

_i

Ca²⁺

Na CaX

3Na⁺ Ca²⁺

RyR PLB

SERCA

ATP

T-Tubulus

Ca²⁺

Na⁺/Ca²⁺ pumpa (NCX)

Ca2+ csatorna

1.Beáramlás

Ca²⁺

2.Felszabadulás

3.Visszavétel

3.Eltávolítás

Ryanodin rec.

SERCA

Az SR Ca release csatornájának (ryanodin receptor, RyR) modellje

• Tetramer, minden alegység 560 kDa

• N-terminális régióban sok regulatív domén található, mely kontrollálja a nyitást-zárást

• PKA, CaMKII foszforilációs helyet tartalmaz

RyR1: a vázizomban expresszálódik RyR2: szívizomban

RyR3: szélesebb körű expresszió, de elsősorban agyban

Calstabin (FKBP12.6)

•Immunophylin protein családba tartozik

• Csak szívizomban expresszálódik

• Stabilizálja a RyR zárt állapotát

• Kontrollálja a nyitvatartást

• Pathológiás körülmények között leválik a Ryr-ről

A CICR lehetséges aktivátor mechanizmusai

Lehetséges Ca-influx módok

• L-típusú Ca-csatorna (I_CaL)

• T-típusú Ca-csatorna (I_CaT)

• Ca-beáramlás a Na-csatornán keresztül (megváltozott permeábilitás miatt)

• Ca belépés az NCX-en keresztül (magas feszültség, vagy magas Na_i szint miatt)

SR

I

_CaT

I

_Na

I

_NCX

I

_CaL

Ryanodin-receptor

Amikor Ca²⁺ influx hatására a ryanodin receptorok megnyílnak, és Ca²⁺ áramlik az SR-ből a citoplazmába, Ca²⁺-indukált Ca²⁺-release-nek nevezzük (CICR)

Ca²⁺ influx = Ca²⁺ beáramlás az extracelluláris térből a sejtbe

Ca²⁺ influx többféle módon létrejöhet, a legfontosabb az L-típusú Ca²⁺ áram

• A Ca²⁺-áram és a Ca²⁺-felszabadulás között kétirányú kapcsolat van

• A Ca²⁺-áram Ca²⁺-felszabadulást vált ki, pozitív összefüggés

• A Ca-felszabadulás gyorsítja a Ca- csatorna záródását, tehát itt negatív visszacsatolás működik

• Ez utóbbi negatív feed-back gátlást, Ca-dependens inaktivációnak nevezzük (CDI)

• A folyamat nem direkt, hanem CaM útján alakul ki

• Védi a sejtet a túlzott mértékű Ca²⁺- beáramlástól

A Ca

²⁺

felszabadulás negatívan szabályozza a Ca

²⁺

áramot

Ca²⁺-felszabadulás

Negatív feed-back

Ca²⁺-csatorna

Ca²⁺

+

[Ca

²⁺

]

_i

RyR

PLB

SERCA

Ca²⁺

RyR

PLB

SERCA

Ca²⁺

Kontrakció

• A szívizom funkcionális szinciciumként működik, a sejtek közötti kapcsolatot gap junction-ok biztosítják

• A kontraktilis apparátus elemi egysége a szarkomer, Z-lemezek határolják

• Vékony (aktin) és vastag (miozin) filamentekből áll, és egyéb járulékos proteinkeből

• Troponin C-T-I-tropomiozin komplex

• Alacsony Ca-esetében a troponin-tropomiozin komplex elfedi az aktinon a miozin kötőhelyet

Ca felvétel a szarkoplazmás

retikulumba

Myofilament

[Ca

²⁺

]

_i

Ca²⁺

Na CaX

3Na⁺ Ca²⁺

RyR PLB

SERCA

ATP

T-Tubulus

Ca²⁺

Na⁺/Ca²⁺ pumpa (NCX)

Ca2+ csatorna

1.Beáramlás

Ca²⁺

2.Felszabadulás

3.Visszavétel

3.Eltávolítás

Ryanodin rec.

SERCA

Az SR Ca-pumpa (SERCA2) szerkezete és a transzport lépései

Struktúra:

10 transzmembrán hélix. A protein 70%- a a membrán citoszol felőli oldalán van (-lánc, foszforilációs és nukleotid kötő hely, membránon kívüli domainek, billenő tag)

M₄-M₆ & M₆: Ca²⁺ kötésben és transzportban fontos hélixek.

A transzport lépései:

E₁: 2 Ca²⁺ magas affinitású kötése, ATP kötés, foszforiláció + konf. vált.

E₂-be

E₂: 2 Ca²⁺ release az SR-be, két proton transzportjával, konf. vált. E₁-

be

A foszfolambán (PLN) szerepe

• Homopentamer fehérje

• A SERCA endogén inhibitora

•A SERCA működést regulálja, nemcsak szívizomban, hanem vázizomban is

• Defoszforilált állapotban gátló hatást fejt ki a SERCA-ra, vagyis a Ca-visszavétel sebessége és mértéke csökken

• Foszforilációját elsősorban a PKA végzi, de a CaMKII is foszforilálhatja

• Foszforilált állapotban csökken a SERCA-PLN interakció, és a transzport fokozódik (pl.:

szimpatikus tónusban) → pozitív luzitróp hatású (gyorsítja a relaxációt)

PLB

A SR Ca-ATPáz (SERCA

₂

) farmakológiai inhibitorai

Thapsigargin (TG) (K_d < 2 pM) Ciklopiazonsav (CPA)

2,5-di(tert-butyl)-1,4-benzo-hidrokinon (TBQ)

A SERCA fontosabb (pato)fiziológiás szabályozó faktorai

Ca:

az elérhető Ca mennyisége ([Ca]_i) alapvetően meghatározza a pumpa mindenkori aktivitását

pH:

a pumpa működése szempontjából optimális pH  8, a pH jelentős

csökkenése (különösen pH < 7,4, azaz acidózis) esetén csökken a pumpa aktivitása (is), ezáltal a szívizom relaxációja (is)

ATP:

a pumpa 2 ATP-kötő hellyel rendelkezik (szubsztrát + reguláció) általában az ATP mennyisége nem limitáló tényező, de súlyos iszkémia alatt, az ATP szintézis

lassulása miatt csökkenhet a SERCA aktivitása (is), s ezáltal a szívizom relaxációja (is)

Mg:

a SERCA aktuális szubsztrátja valószínűleg Mg-ATP, így a Mg koncentráció jelentős csökkenése gátolhatja működését (is)

A SERCA2 inhibitorai, illetve fontosabb szabályozó faktorai

A Na/Ca kicserélő (NCX) és a

szarkolemma Ca pumpája

A Ca

²⁺

ciklus részfolyamatai

Myofilament

[Ca

²⁺

]

_i

Ca²⁺

Na CaX

3Na⁺ Ca²⁺

RyR PLB

SERCA

ATP

T-Tubulus

Ca²⁺

Na⁺/Ca²⁺ pumpa (NCX)

Ca2+ csatorna

1.Beáramlás

Ca²⁺

2.Felszabadulás

3.Visszavétel

3.Eltávolítás

Ryanodin rec.

SERCA

A Na/Ca kicserélő (NCX) szerkezeti modellje

XIP: exchange inhibitory protein

Az NCX kétféle működési módja

Transzport irányát meghatározza:

• aktuális membránpotenciál (akciós potenciál)

• Külső és belső Na-ion koncentrációk (E

_Na

)

(elsősorban kóros körülmények között)

• Külső és belső Ca-ion koncentrációk (E

_Ca

)

(legfontosabb szabályozó faktor)

Reverz mód (Ca-belépés)

1 nettó pozitív töltés ki (outward áram)

Forward mód (Ca-eltávolítás)

1 nettó pozitív töltés be (inward áram)

E_Na/Ca ~ -40 mV; ettől pozitívra reverz, negatívra forward működés van!

I

_K

[K⁺]_i ~ 135 mM [K⁺]_o ~ 4,5 mM

Az NCX egyensúlyi potenciálja

Egyensúlyi potenciál ~ -90 mV

I

_NCX

[Ca²⁺]_o ~ 1,8mM [Na⁺]_o ~ 140 mM

[Ca²⁺]_i ~ 100 nM → 1000 nM [Na⁺]_i ~ 10 mM

Egyensúlyi potenciál: az egész AP alatt folyamatosan változik a Ca_i változása miatt Diasztoléban (Ca_i ~ 100 nM) ~ -40 mV

Szisztoléban (Ca_i ~ 1000 nM) ~ + 10-20 mV

Reverz mód (Ca beáramlás)

Forward mód (Ca eltávolítás)

A valóságban, a Ca-felszabadulás dinamikusan változtatja a reverzál potenciált egy akciós potenciál alatt. Ezért a reverz mód az akciós potenciál legelejére szorul vissza, ahol a Ca-

szint még alacsony.

E_K=- 90 mV

E_ncx=- 40 → +10 mV

-80 mV

+10 mV

A Ca

²⁺

felszabadulás pozitívan szabályozza az NCX-et

Ca²⁺-

felszabadulás

Negatív feed-back

Ca²⁺-csatorna

Ca²⁺

+

[Ca

²⁺

]

_i

RyR

PLB

SERCA

Ca²⁺

RyR

PLB

SERCA

Ca²⁺

+

NCX

Na⁺

Azaz, ha nő a Ca²⁺ beáramlás, növekszik a felszabadult Ca²⁺ mennyisége is (+). A több felszabadult Ca²⁺

intenzívebb Ca²⁺ eltávolítást okoz az NCX-en (+), ugyanakkor fékezi a további Ca²⁺ beáramlást (-).

Így biztosít egyensúlyt, és védi a sejtet a Ca²⁺ túltöltődéstől

Az egyensúly alapfeltétele, hogy a beáramló Ca²⁺ mennyisége megegyezzen az eltávolított Ca²⁺-mal

A szarkolemma Ca ²⁺ pumpája

A) A PMCA lineáris reprezentációja:

10 TM régió, foszfolipid (PL)

szenzitív régió, calmodulin-kötő régió (CaM-BD), stb.

B) A PMCA kétdimenziós modellje:

autoinhibíciós állapotban (bal), Ca²⁺- CaM stimulációt követően (jobb)

• Lassú kinetikájú Ca-eltávolító mechanizmus

• Feltehetőleg 1 ATP kötésre 1 Ca²⁺ -t távolít el

• Normál Ca-tranziens során a transzport sebessége < 1 μM/l (Ca-influx 300;

Ca-release 1000; SERCA: 200; NCX: 30 μM/l)

Ca efflux ≠ Forward NCX

A PMCA (plazmamembrán Ca- ATPáz szintén végez effluxot Jelentősége gyakorlatilag elhanyagolható

Egyes transzporterek szerepe a relaxációban

• A felszabadult Ca 70%-át a SERCA távolítja el

• Az eltávolítás 28 %-áért az NCX felelős

• Egyéb mechanizmusok (PMCA, mitokondrium) szerepe nem jelentős

Ezek az adatok megközelítően helyesek nyúl, kutya, és

ember esetében.

Patkánynál azonban a

SERCA:NCX arány 90-10 %

II.

A Ca ²⁺ háztartás

szabályzásának alapelvei

ARTÉRIÁS VÉRNYOMÁS

Teljes perifériás rezisztencia

PERCTÉRFOGAT

Szívfrekvencia

KONTRAKCIÓ

+

VERŐTÉRFOGAT

+

+ +

+

A Ca

²⁺

háztartás feladata

Funkcionális szempontból a Ca²⁺ háztartás alapvető feladata a stabil szívizom kontrakció biztosítása

Intracelluláris Ca²⁺ ciklus

A Ca ciklus transzportlépései

Ca²⁺

Na CaX

3Na⁺ Ca²⁺

RyR PLB

SERCA

ATP

T-Tubule

Ca²⁺

Na⁺/Ca²⁺ pumpa (NCX)

Ca2+ csatorna

Ca²⁺

Ryanodin receptor

SERCA

Ca mozgások a ciklus alatt

Myofilament

[Ca

²⁺

]

_i

Ca²⁺

Na CaX

3Na⁺ Ca²⁺

RyR PLB

SERCA

ATP

T-Tubule

Ca²⁺

Na⁺/Ca²⁺ pumpa (NCX)

Ca2+ csatorna

1.Influx

Ca²⁺

2.Release

3.Visszavétel

3.Eltávolítás

Ryanodin rec.

SERCA

A stabil Ca ciklus követelményei:

1. Influx = Efflux

2. Ca felszabadulás = Visszavétel

A Ca ciklus során fellépő kölcsönhatások

Ca²⁺-felszabadulás

Negative feed-back

Ca²⁺-csatorna

Ca²⁺

+

[Ca

²⁺

]

_i

RyR

PLB

SERCA

Ca²⁺

RyR

PLB

SERCA

Ca²⁺

+

NCX

Na⁺

- Ha a felszabaduló Ca ↑  A Ca influx ↓ és a Ca eltávlítás ↑ (Ca vesztés) - Ha a felszabaduló Ca ↓  A Ca influx ↑ és a Ca eltávolítás ↓ (Ca felvétel)

- Stabil állapotban az influx és efflux megegyezik és a felszabadult Ca mennyisége nem változik

Positive feed- forward

Positive feed- forward

A Ca háztartás szabályzása

• A Ca háztartás saját szabályozó mechanizmussa

• A Ca fluxusok interakcióján alapul

• A Ca háztartás stabilitásának alapja

• Nem igényel külső beavatkozás (pl.

foszforiláció)

• Egy cikluson belül már érvényesül

Autoreguláció Vegetatív idegrendszer

• Szimpatikus és

paraszimpatikus hatások

• Az alapja a foszforilációs állapot változása

• Néhány egymást követő ciklus alatt érvényesül

• Az autoregulációval együtt működik

Autoreguláció mechanizmusa

Ca²⁺ influx Ca²⁺ efflux

Ca²⁺ felszabadulás

Stabil állapot Influx = efflux

+ - +

Ca²⁺ influx Ca²⁺ efflux

Ca²⁺ felszabadulás

+

- +

Instabil állapot Influx >>> efflux

Ca²⁺ influx Ca²⁺ efflux

Ca²⁺ felszabadulás

+

- +

Instabil állapot Influx > efflux

Stabil állapot alatt

• Az influx és az efflux egyenlő

• A fluxusokon érvényesülő kölcsönhatások megegyeznek

• Nincs se Ca töltődés, se Ca vesztés Ha a Ca release hirtelen csökken

• A feed back kontrol a Ca influxon csökken  ↑ influx

• A feed forward hatás a Ca effluxra csökken  ↓ efflux

• Az influx sokkal nagyobb mint az efflux

• A sejt gyorsan töltődik Ca-mal Ca „töltődés”

• A Ca influx negatív feed-back-je erősödik  ↓ influx

• A feed forward hatás a Ca effluxra erősödik  ↑ efflux

• Az influx kissé nagyobb mint az efflux

• A Ca töltődés lassul

Egy példa a tiszta autoregulációra: extrasystole

Normal ütés

Extra ütés Extra stimulus

Ineffektív stim.

Kompenzációs pauza

Normál de nagyobb kontrakció

+ - + + - + + - +

A Ca ²⁺ háztartás inotrop

szabályozása

Adrenerg és muszkarin receptorok a kardiovaszkuláris rendszerben

Főbb szignáltranszdukciós folyamatok

β1-R α1-R

M

₂

-R

β1 szignál: Gs-protein → Adenilát-cikláz → cAMP → PKA → target protein α1 szingnál: Gq-protein → PLC → IP3 + DAG → PKC → target protein

IP3R

M₂ szignál: Gi-protein → Adenilát cikláz gátlás → cAMP gátlás → PKA gátlás

1. Ca-áram (ICa)

↑

2. SR Ca visszavétel

↑

(PLB inhibition) 3. Ca release (RyR)

↑

4. Miofilamentumok Ca szenzitivitása

↓

A Ca

²⁺

ciklus inotrópiájának szabályozási pontjai

1. 2.

3. 4.

1. Ca tranziens amplitúdója ↑ 2. Kontrakciós erő ↑

3. Ca tranziens relaxációs ideje gyorsul (+ luzitróp hatás)

A miofilamentek Ca szenzitivitás csökkenésének az oka a TnI foszforilációja, így gyorsul a Ca leválás. Ez csökkenti a Ca- tranziens amplitúdót, de a gyorsítja a relaxációt. Az amplitúdó csökkentő hatást a másik 3 bőven ellensúlyozza

A Ca

²⁺

ciklus inotrópiájának szabályozási pontjai

A sejt Ca szintje fokozódik a megnövekedett Ca influx révén

A nagyobb kontrakció a nagyobb mennyiségű felszabadult Ca-nak (ryanodin receptor) és a troponin-I foszforiláció következménye

A pozitív inotrópia során létrejövő tachycardia miatt rövidebb az idő Ca visszavételre. Ez fokozott SERCA működés

révén válik lehetővé

A Ca efflux transzportere (NCX) nem foszforilálódik! A

nagyobb transzport a nagyobb felszabaduló Ca nagyobb

hajtóere révén jön létre

Az autoreguláció és a foszforilációs mechanizmus együttműködése

• A foszforiláció csak a csatornák konduktanciáját (vezetőképességét) növeli meg, de nem képes egyensúlyt létrehozni a fluxusok között

• A fluxusok közötti balansz foszforiláció esetén is az autoreguláció feladata

• Autoreguláció nélkül a foszforiláció koordinálatlan Ca be- és kiáramláshoz és ritmuszavarokhoz vezetne

III. PRELOAD

A szív végdiasztolés rosthosszúságát meghatározó tényezők összessége:

azaz a kamrába beáramló vér mennyire feszíti meg a kamrafalat?

Ha nő a végdiasztolés hossz, nő a kontrakció = Frank-Starling elv

PRELOAD

PITVARI

KONTRAKCIÓ

KAMRAI COMPLIANCE INFLOW

RESISTANCE

AFTERLOAD (OUTFLOW RESISTANCE)

FREKVENCIA

VÉNÁS NYOMÁS !!!!

VÉNÁS

COMPLIANCE VÉNÁS VÉRTÉRFOGAT

VÉNÁS VISSZAÁRAMLÁS TELJES VÉRTÉRFOGAT LÉGZÉS

IZOMPUMPA GRAVITÁCIÓ

+

+

+ +

-

+ -

(Legfontosabb)

-

IV. AFTERLOAD

Azon hatások összessége, amelyek a kamrai kontrakció ellen hatnak!

Meghatározói:

 Aortaimpedancia

 Kamrai falfeszülés

Aortaimpedancia: összkeringési ellenállás. Függ: 1. Teljes perifériás

ellenállás, 2. aortafal tulajdonságai, 3. vér viszkozitása. Ha növekszik, nő az afterload is.

Kamrai falfeszülés: Az a feszülés, amely szisztole alatt biztosítja a kamrából a vér kiürülését. Ha növekszik, nő az afterload

Mikor lépnek működésbe a külső szabályozó faktorok?

 Fizikai igénybevétel (testmozgás) inotrópia, preload révén

 Terhesség

 Hipotenzió (hipovolémia, arrhytmia, kardiogén sokk, ortosztatikus hipotenzió, szívelégtelenség…stb.)

 Hipertenzió

 Szívelégtelenség

A kardiovaszkuláris adaptáció és integráció egyik alapja a kalcium háztartás modulációja!!!!!!!!

(kontrakció, frekvencia, érsímaizom tónus)

III.

A Ca ²⁺ háztartás zavarai

szívelégtelenségben

Szívelégtelenség definíciója

A szívelégtelenség komplex klinikai tünetegyüttes, melynek következtében csökken a kamrai verőtérfogat, és romlik a vénás visszaáramlás.

Ezek csökkent miokardiális kontrakcióval, és a

relaxáció zavarával párosulhatnak. A folyamat

mögött komplex biokémiai, és elektrofiziológiai

folyamatok állnak, melyek elősegítik a súlyos

ritmuszavarok kialakulását.

ETIOLÓGIA

Számos szívbetegség közös végpontja a szívelégtelenség!

3 fő oka van:

1. A kamra túlterhelése

 Nyomásterhelés (pl.: aortaszűkület) Hipertrófiához vezet.

 Térfogatterhelés (pl.: mitrális billentyű elégtelenség) A kamra tágul

2. Szívizom „vesztés”: ischaemia, infarktus, fertőzések, mérgezések

3. Csökkent kamrai töltődés: Egyes arrhytmiák (tachykardia), egyes kardiomiopátiák, pericarditis

KOMPENZÁCIÓS MECHANIZMUSOK SZÍVELÉGTELENSÉGBEN

A perctérfogat-csökkenés kompenzálása miatt jönnek létre:

1.Frank-Starling mechanizmus:

A kevesebb kipumpált vér miatt a végdiasztolés térfogat megnő, és az ehhez hozzáadódó vér nagyobb kamrai falfeszülést hoz létre

2. Szimpatikus aktiváció:

Nő a keringő katekolaminok szintje, a hatás a β1-receptorokon keresztül jön létre.

(később deszenzitizálódnak)

3. Renin-angiotenzin-aldoszteron rendszer

A vese perfúziójának csökkenése váltja ki. Az angiotenzin II. erős érszűkítő hatású 4. Hipertrófia

A falvastagság növekedése csökkenti a falfeszülést 5. Megnövekedett arteriovenosus oxigén felvétel

CELLULÁRIS VÁLTOZÁSOK SZÍVELÉGTELENSÉGBEN

 K+ csatorna downreguláció → AP megnyúlás

 Na+ csatorna downreguláció → vezetési sebesség lassul

 Connexin fehérjéket érintő változások → vezetési sebesség lassul

 Pacemaker áram remodelling → Bradycardia

 Ioncsatornákat érintő változások

 Kalcium háztartást érintő változások

Szívelégtelenség során, számos sejtszintű változás következik be. Ezen

változások a sejtfelszíni, és az intracelluláris csatornaproteineket érintik (főleg).

Ezeket a vizsgálatokat különböző (modell állat, módszer) szívelégtelenség modelleken végezték

Az adatok között gyakran ellentmondás van!!!

Ca²⁺

SR

RyR

Myofilament

[Ca

²⁺

]

_i

Ca²⁺

NCX

3Na⁺

PLB

SERCA

ATP

T-Tubulus

Ca²⁺

NCX

Ca²⁺ tranziens

Na

⁺

NCX

Ca²⁺ Reverz mód

Forward mód RyR szivárgás

SR Ca²⁺ tartalom csökken

Ca²⁺ felszabadulás amplitúdója

csökken Kontrakció

csökken

Csökkent SERCA funkció

Nagyobb NCX aktivitás

Ca

²⁺

háztartást érintő legfontosabb változások szívelégtelenségben

Ca²⁺-csatorna

Csatorna/transzporter Változás Sz.e-ben Mit okoz?

Nem változik

RyR-receptor A RyR változatlan, de a calstabin leválik

Szivárgó Ca²⁺ az SR-ből diasztole

alatt

SERCA Expressziója

csökken

SR Ca²⁺ tartalma csökken

NCX Expressziója

növekszik

SR Ca²⁺ tartalma csökken + DAD

---

SR Ca²⁺ tartalma csökken, mert…

Szivárgó Ca²⁺ az SR-ből a RyR-receptoron keresztül

Csökkent visszavétel a SERCA-n keresztül

Nagyobb NCX aktivitás

Csökkent kontrakció

Ca²⁺

SR

RyR

Ca²⁺

NCX

3Na⁺

PLB

SERCA

ATP

T-Tubulus

NCX

Diasztolés Ca²⁺

szivárgás

Na

⁺

NCX

Ca²⁺ Reverz mód

Forward mód

Aritmogenezis szívelégtelenségben

Késői

utódepolarizáció (DAD)

Na⁺

K

⁺

Jelentős akciós potenciál megnyúlás β-AR

Korai

utódepolarizáció (EAD)

K-csatorna downreguláció