MIŠIĆNO TKIVOpredavanje: doc.dr. Damir Sapunar
UVOD
Sposobnost mijenjanja oblika i položaja stanica rezultat je djelovanja citosleleta. Citoskelet je složena mreža proteinskih vlakana (filamenata) citoplazme od kojih su najzastupljeniji mikrofilamenti (aktinska vlakna), mikrotubuli i intermedijarna vlakna. Ostala vlakna citoskeleta vežu se za gore navedena vlakna kako bi ih povezali ili kako bi omogućili kretanje. U tu skupinu spadaju proteini koji se vežu za aktin (eng. actin-binding proteins) (najznačajniji predstavnik je miozin) i proteini povezani s mikrotubulima (eng. microtubule-associated proteins). Svojstva mijenjanja oblika i položaja najviše su izražena u mišićnom tkivu, a kontrakcija mišića najočitiji je primjer te aktivnosti. Takova aktivnost nije samo svojstvo mišićnog tkiva već se u rudimentarnom obliku nalazi u svim stanicama. U skupini mišićnih tkiva to je dominirajuća osobina. Razlikujemo tri podvrste mišićnih tkiva i skupinu mioepitelnih stanica:
* skeletno
* glatko
* srčano
* mioepitelne stanice
Shematski prikaz građe triju vrsta mišićnog tkiva.
RAZVITAK MIŠIĆNOG SUSTAVA
Cjelokupni mišićni sustav ima zajedničko embrionalno porijeklo; razvija se od mezoderma (osim mišića šarenice koji nastaju od ektoderma). Srčani i glatki mišići razvijaju se od visceralnog mezoderma. Skeletni mišići razvijaju se iz miotoma, jedne od tri skupine mezenhimskih stanica koje nastaju od prasegmenata ili somita. Stanice miotoma se mogu identificirati na temelju ekspresije mišićnih determinirajućih činitelja (eng. myogenic determination factors). Tu skupinu regulacijskih molekula čine Myf-5, myogenin, Myo-D i Myf-6 (herkulin). Zajednička osobina ovih proteina je bHLH domena koja igra ključnu ulogu u miogenezi. Mišići koji nastaju od miotoma u potpunosti izgube segmentalni karakter. Stanice od kojih nastaju mišići nazivaju se mioblasti, a njihovim spajanjem nastaje mišićno vlakno. Donedavno se smatralo da su mioblasti homogena populacija, te da razlike među mišićima nastaju djelovanjem vanmišićnih činitelja u relativno kasnim fazama miogeneze (pokusi unakrsne reinervacije i "grafting" pokusi). Danas se populacija mioblasta dijele na skupinu primarnih i sekundarnih mioblasta. Ta podjela proizlazi iz činjenice da mišići u viših kralješnjaka nastaju u dva razdoblja (primarno i sekundarno). Tijekom prvog razdoblja primarni mioblasti izgrađuju vlakana kojima se u drugom razdoblju pridružuju sekundarni mioblasti. Primarni mioblasti se razlikuju na temelju ekspresije gena za teški lanac miozina. Oni se razvijaju u različite mišiće neovisno o utjecaju okolinskih činitelja, dok populacija sekundarnih mioblasta ovisi o okolinskim utjecajima (primjerice utjecaj inervacije). Kako više od 90% mišićnih vlakana u odrasle osobe nastaje od sekundarnih mioblasta jasno je da osobine mišića ovise o inervaciji. Do kraja 5-og tjedna muskulatura trupa podijeljena je na manji dorzalni dio epimere (aks ijalni mišići) i veći ventralni dio hypomere (mioblasti koji migriraju iz somita u udove). Mioblasti kao i druge embrionalne stanice tijekom migracije eksprimiraju muskarinske receptore te tek po dolasku na njihovo konačno odredište mijenjaju muskarinske receptore nikotinskim. Epimere i hipomere imaju i različito porijeklo. Mišići trupa nastaju iz medijalne polovice somita, dok lateralni dio somita daje mioblaste koji će naseliti udove. Razlike u mišićima trupa i udova očituju se u ekspresiji pojedinih proteina iz skupine determinirajućih činitelja. Ove razlike proizilaze iz činjenice da lateralni i medijalni dijelovi somita imaju različito porijeklo (medijalni dijelovi somita potjeću od Hensenovog čvorića a medijalni dijelovi od kaudalnog dijela primitvne pruge). Kako je broj mišića mnogo veći od broja miotoma jasno je da od jednog miotoma nastaje više mišića. Svakom miotomu pristupa vlastiti živac.
Shematski prikaz primarne i sekundarne miogeneze
SKELETNI MIŠIĆ
Skeletno mišićno tkivo sastoji se od mišićnih vlakana. Mišićno vlakno nastalo spajanjem velikog broja mioblasta građeno je uglavnom od mišićnih vlakanaca (miofibrile) cilindričnih struktura širokih 0.1-2 mikrometra. Mišićna vlakna su naslagana u pravilne snopove okružene epimizijem, vanjskom ovojnicom od gustog vezivnog tkiva. Od epimizija se prema unutrašnjosti protežu tanki tračci vezivnog tkiva, koji obavijaju snopove vlakana unutar mišića (perimizij). Svako mišićno vlakno okružuje nježni sloj vezivnog tkiva, endomizij građen uglavnom od bazalne lamine i retikulinskih vlakana. Pored prehrambene, spomenuto vezivo ima ulogu u prijenosu sile duž vlakana koja se ne protežu duž čitavog mišića.
Karakteristična ispruganost posljedica je rasporeda i građe mišićnih vlakanaca. Vlakance sadrži niz svijetlih (izotropne, I-pruge) i tamnih (anizotropne, A-pruge) pruga. Svako mišićno vlakance sastoji se od manjih podjedinica poredanih u pravilnim razmacima. Te najmanje funkcionalne podjedinice nazivaju se sarkomere. Duge su 2.5-3 mikrometara i smještene između dvije Z-crte.
Godine 1953. kao jedno od prvih otkrića postignutih elektronskim mikroskopom ustanovljeno je da se sarkomera sastoji od dvije skupine paralelnih i djelomično preklapajućih filamenata: debelih i tankih. Raspored tih vlakana razjasnio je porijeklo ispruganosti skeletnih mišića.
Građa tankih i debelih vlakna
Debeli filamenti zauzimaju središnji dio sarkomere, A-prugu. Tanki filamenti se djelomično protežu između debelih filamenata dok su drugim krajem pričvršćeni za Z-crtu. Zbog takovog se rasporeda I-pruga sastoji od dijelova tankih filamenata, koji nisu prekriveni debelim filamentima. A-pruge se sastoje od debelih filamenata i dijelova tankih filamenata koji se s njima djelomično prekrivaju. U središnjem dijelu A-pruge nalazi se H-pruga a u njenom središtu M-crta.
Mišićni filamenti sadržavaju najmanje četiri glavne bjelančevine: aktin, tropomiozin, troponin i miozin. Tanki filamenti sastavljeni su od prvih triju bjelančevina, a debeli filamenti sastoje se uglavnom od miozina. Miozin i aktin zajedno čine 55% ukupnih bjelančevina skeletnog mišića.
Aktin
Tanki filamenti izgrađeni su uglavnom od aktina. Osim aktina tanke filamente izgrađuje tropomiozin, troponin i a -aktin. Geni aktina su se vrlo malo mijenjali tijekom evolucije pa spadaju u skupinu tzv. strogo čuvanih gena. Aktin postoji u dva oblika: globularnom (G aktin) i vlaknatom filamentoznom (F aktin). Promatrani elektronskim mikroskopom aktinska vlakna (F-aktin) su jednolično orijentirani aktinski monomeri jednolike strukture široke 8 nm. Aktinsko vlakno je polarna struktura što je osobito važno za kontraktilnost.
Ostali proteini tankog filamenta
Tropomiozion je molekula građena od dva polipeptidna lance koji stabiliziraju i učvršćuju vlakno. Troponin čini kompleks od tri proteina raspoređenih u pravilnim razmacima (T, I i C). Troponin T veže se za tropomiozin i odgovoran je za smještaj troponina. Troponin I veže se za aktin, a sprječava međudjelovanje aktina i miozina čak i u prisustvu kalcija. Troponin C veže četiri molekule kalcija i potiče vezivanje miozina za aktin. Sličan je kalmodulinu koji regulira odgovor svih stanica na kalcij. Troponin C se može smatrati specijaliziranim oblikom kalmodulina u kojem su razvijana vezna mjesta za troponin T i I što omogućuje izuzetno brzo povećanje koncentracije kalcija.
Srčani troponin-I je protein specifičan za srce i može poslužiti kao marker infarkta miokarda zbog osobitosti da se nalazi u serumu već 6-8 sati nakon infarkta.
Alfa-aktinin je glavni sastoja Z-crte koji pričvršćuje aktinske filamente za to područje.
Miozin
Miozin nalazim u skoro svakoj stanici. On nije tako strogo čuvan tijekom evolucije kao aktin. Svaka molekula sastoji se od šest polipeptidnih lanaca: dva jednaka teška lanca i dva para lakih lanaca. Teški lanci miozina su tanke, štapićaste molekule građene od dva lance, omotana jedan oko drugoga. Mali kuglasti izdanic na krajevima svakog teškog lanca čine glavicu, koja ima sposobnost enzimske hidrolize ATP-a (aktivnost ATP-aze) i sposobnost vezanja aktina. S glavicom su udružena četiri laka lanca. Molekule miozina međusobno se spontano povezuju u debele filamente. Jedan debeli filament sastoji se od 250 molekula miozina sa središnjom slobodnim područjem u kojem nema miozinskih glavica.
Dodatni proteini sarkomere
Miomesin spaja susjedna miozinska vlakna u M crti. Titin je izuzetno elastičan protein paralelno postavljen s debelim i tankim vlaknima i povezuje debelo vlakno s Z pločom. Vrlo su elastični i djeluju kao opruge. Intermedijarna vlakna idu od Z crte do susjedne miofibrile.
Shematski prikaz građe i položaja debelih i tankih filamenata u sarkomeri
Sustav poprečnih cjevčica
Za osiguranje jednakomjerne kontrakcije skeletno mišićno vlakno ima poprečne cjevčice (transverzalne ili T-tubule). Ta cjevasta uvrnuća sarkoleme čine složenu mrežu cjevčica koje anastomoziraju na razini između A i I pruge svake sarkoleme u svakoj miofibrili. Uz svaki T-tubul s obje strane prijanjaju završne cisterne takozvanim spojnim nožicama koje sadrže rianodin receptore koji nakon akcijskog potencijala uzrokuje otpuštanje kalcija iz sarkoplazmatskog retikuluma. Taj specijalizirani kompleks, u sastavu: SR-T-tubul-SR naziva se trijada.
Inervacija
Mijelinizirani motorički živci granaju se u vezivnom tkivu perimizija, gdje svaki živac daje nekoliko ogranaka. Na mjestu inervacije akson gubi mijelinsku ovojnicu i završava proširenjem koje je utisnuto u uleknuće na površini mišićnog vlakna. Ta se tvorba naziva motorička ploča ili mišićno-živčani spoj. Jedno živčano vlakno može inervirati samo jedno mišićno vlakno ili se grana i inervira i do 160 ili više mišićnih vlakana. Kod višestruke inervacije jedno živčano vlakno i sva mišićna vlakna koje ono inervira čine motoričku jedinicu.
Podjela vlakana skeletnog mišića
S morfološkog, histokemijskog i funkcionalnog gledišta skeletna mišićna vlakna sisavaca mogu se podijeliti u dvije skupine: tip I i tip II, a tip II se dalje dijeli na podskupine IIA, IIB i IIX.
Tip I (spora, crvena mišićna vlakna) sadržavaju mnogo crvenih pigmenata (mioglobi i mitohondrijski citokromi), koji mišićima daje tamnocrvenu boju. Ona se kontrahiraju sporije od bijelih vlakana, ali su sposobna za dugotrajnu i snažnu kontrakciju. Energija u njima nastaje uglavnom oksidativnom fosforilacijom pa crvena vlakna sadržavaju mnogo mitohondrija. Ovu skupinu mišićnih vlakana karakterizira i bogata kapilarna mreža.
Tip II vlakna (brza, bijela vlakna) imaju malo mioglobina i manje mitohondrija pa zato i manje citoplazme. Deblja su od crvenih vlakana. Brzo se kontrahiraju, ali se tijekom snažnih kontrakcija brzo umaraju. Energija za njihov rad nastaje anaerobnom glikolizom. Vlakna tipa IIA se kontrahiraju brzo ali se sporo umaraju zbog metabolizma u kojem dominira oksidativna fosforilacija. Vlakna tipa IIB su brza vlakna koja se brzo umaraju zbog anaerobne glikolize. Tip IIX se prema svom metabolizmu nalaze negdje između tipa IIA i IIB. Mišići kranijalnog dijela tijela pokazuju posebne osobine primjerice mišići čeljusti imaju tzv. superbrzi miozin.
Podjela vlakana se temelji na funkcionalnim razlikama između izoformi miozina. Razlike se očituju u enzimskoj funkciji glavice miozina. Glavice brzog miozina cijepaju ATP otprilike 600 puta u jednoj sekundi, dok spore glavice to rade otprilike dvostruko sporije. Razlike u reaktivnosti ATP-a odgovaraju kontraktilnim osobinama mišića; vrijeme kontrakcije za brza vlakna je 40-90 ms, a za spora vlakna 90-140 ms. Također se smatra da je u zadanom vremenu više miozinskih glava pričvršćeno za aktin u sporim vlaknima jer se njihove glave odvajaju sporije. Spora vlakna troše manje ATP-a po jedinici snage, imaju veću efikasnost ali se sporije kontrahiraju od brzih vlakana. Do danas je poznato 5 izoformi miozina. Zbog činjenice da više od 90% mišićnih vlakana nastaje od populacije sekundarnih mioblasta moguće su transformacije pojedinih vlakana u druge tipove
Tablica fiziološke, strukturne i biokemijske značajke glavnih tipova mišićnih vlakana
KONTRAKCIJA SKELETNOG MIŠIĆA
Skeletni mišić pretvara kemijsku energiju u mehanički rad vrlo efikasno, samo 30-50% energije se gubi u obliku topline. Mehanički rad ostvaruje se kontrakcijom. Kontrakcijom se smanjuje dužina svijetle pruge dok tamna pruga ostaje iste dužine. Ova pojava je objašnjena klizanjem filamenata (Huxley).
Mišić crpi energiju za kontrakciju iz hidrolize ATP-a. Interesantno je da ne postoji nikakva razlika između razine ATP-a mišića koji miruje i koji radi. Za to je odgovoran izuzetno efikasan sustav obnavljanja ATP. U tom procesu sudjeluju fosfokreatin kinaza koja katalizira reakciju između fosfokreatina i ADP u kojoj nastaje ATP i kreatin. Može se reći da je fosfokreatin kinaza jedna vrsta baterije koja čuva energiju potrebnu za mišićni rad.
Hidroliza ATP-a tijekom kontrakcije mišića izravna je posljedica međudjelovanja aktina i miozina. Miozin je po svojoj funkciji ATP-aza. Bez prisustva aktina miozinska enzimska aktivnost vrlo je spora ali dodatkom aktina ona se izuzetno ubrzava.
Dio miozina koji hidrolizira ATP i veže se za aktin globularna je glava miozina. Mišićna kontrakcija je posredovana interakcijom između miozina i pripadajućih aktinskih filamenata. Tijekom interakcije miozinska glava hidrolizira ATP. Hidroliza ATP-a i posljedično odvajanje čvrsto vezanog ADP i fosfata izaziva seriju alosteričkih promjena miozina. Time se dio energije pretvara u gibanje. Proces kontrakcije je voljni proces. Signal se širi niz nabore membrane (T-tubuli) prelazi u sarkoplazmatski retukulum koji čini sustav kanala koji okružuju svako mišićno vlakance. Razmak između T-tubula i sarkoplazmatskog retikuluma samo je 10-20 nm i između njih se nalaze dva proteina (rianodin) koji omogućuju ulaz Ca+ u citosol. Zbog takve organizacije sve sarkomere kontrahiraju se u istom trenutku. Porast koncentracije kalcija u citosolu je prolazan jer ga kalcij ATP-aza u membrani brzo ispumpa nazad u sarkoplazmatski retikulum.
Mehanizam kontrakcije skeletnog mišića
Objašnjenje slike: Slobodna miozinska glava veže ATP (faza 1) i hidrolizira ga; taj proces je reverzibilan jer je energija hidrolize ATP-a pohranjena u vezi ADP-a i fosfata (faza 2). Varirajući između ta dva stanja miozinska glava se u jednom trenutku približi aktinskom vlaknu i lagano se veže za njega. To vezivanje uvjetuje otpuštanje fosfata što za posljedicu ima čvrsto vezivanje za aktinskoi vlakno (faza 3). Ovim vezivanjem glava mijenja konformaciju što daje zamah za kretnju naprijed. Kraj zamaha je faza 4. Nakon toga otpušta se ADP i veže nova molekula ATP što odvaja glavu od aktina i vrača glavu u prvobitno stanje.
HIPERTROFIJA I HIPERPLAZIJA SKELETNOG MIŠIĆA
Skeletni mišić je izuzetno dinamično tkivo s velikom sposobnošću prilagodbe. Procesi prilagodbe najočitiji su tijekom rasta. U odraslih se procesi prilagodbe događaju tijekom vježbe čiji je intenzitet 60-70% maksimalnog kapaciteta. Rezultat prilagodbe je povećanje površine presjeka mišića i povećanje snage kontrakcije. Porast snage kontrakcije teorijski se može temeljiti na povećanju broja aktinsko-miozinskih spojeva tijekom procesa kontrakcije i na promjeni snage vezivanja između aktina i miozina. Kako je broj vlakana nakon rođenja nepromjenjiv povećanje površine presjeka mišića nastaje kao rezultat porasta sadržaja miofibrila. Broj vlakana jednak je u muškarca i u žene ipak površina presjeka vlakana mnogo je veća u muškaraca i to nedvojbeno zbog djelovanja testosterona. Prilikom porasta količine miofibrila često može doći i do pucanja Z-ploče. Porast broja miofibrila događa se i na krajevima mišićnih vlakana. Prilikom imobilizacije ili dugotrajnog nošenja visokih peta broj miofibrila duž vlakna se smanjuje. Sposobnost mišićne hipertrofije nije jednaka u svim tipovima mišića. Tip II mišićna vlakna vrlo brzo hipertrofiraju ako se izlože pravilnom opterećenju. Vlakna tipa I također mogu povećati površinu svog presjeka ali mnogo sporije nego brza vlakna tipa II. Tijekom dugotrajnih vježbi slabog intenziteta spora vlakna hipertrofiraju dok je aktivnost brzih vlakana svedena na minimum. Iz navedenog proizlazi da postoji selektivni odgovor ovisan o vrsti treninga.
Osim hipertrofije vlakna tipa I na trening reagiraju povećanjem broja mitohondrija i oksidativnih enzima, te porastom broja kapilara između mišićnih vlakana. Trening ne mijenja odnose između tipova vlakana (Goldspink & Ward, 1979). Do danas nije dokazano stvaranje mišićnih vlakana u čovjeka te je prilagodba povećanjem broja mišićnih vlakana malo je vjerojatna. Kao teorijski mogući mehanizam povećanja broja vlakana navodi se uzdužno cijepanje hipertrofičkih mišićnih vlakana.
Histološki preparati:
SKELETNO MIŠIĆNO TKIVO
Perparat je poprečni presjek kroz skeletni mišić. Temeljna jedinica ovog tkiva je skeletno mišićno vlakno koje izgleda poput crveno obojenih, paralelno položenih vrpci: Duguljaste jezgre leže uz rub vlakna neposredno ispod ovojnice vlakna - sarkoleme. Na većem povećanju mogu se uočiti naizmjenične svijetle i tamne pruge, koje leže okomito na smjer vlakna. Između pojedinih vlakana vide se nježni izdanci vezivnog tkiva, endomysium, dok pojedine snopove mišićnih vlakana odvaja obilnije vezivno tkivo s masnim stanicama i krvnim žilama, perimysium internum.
Na poprečnom presjeku mišićno vlakno se vidi kao nepravilan mnogokut s okruglastim jezgrama smještenim uz rub. Endomizij obavija pojedina vlakna a perimizij skupine mišićnih vlakana. Površinu mišića obavija perimysium externum. U endomiziju se vide brojni presjeci kroz krvne kapilare.
Mišićno vreteno se nalazi u području perimysiuma internuma, i postavljeno je paralelno s mišićnim vlaknima. Unutar vretena se nalaze intrafuzalna vlakna okružena vezivnom ovojnicom. Između njih je prostor ispunjen limfom, a sadrži živčana vlakna i krvne žile.
