Cardiomyocytes-the Cardio Research Web Project

sydänlihas koostuu lomittuvista kardiomyosyyttikimpuista (sydänlihassoluista). Kuten luurankolihaksissa, sydänlihaksessa on kapeita tummia ja vaaleita nauhoja, mikä johtuu aktiini-ja myosiinifilamenttien rinnakkaisesta järjestelystä, joka ulottuu kunkin kardiomyosyytin päästä päähän. Kuitenkin verrattuna luustolihassoluihin, kardiomyosyytit ovat kapeampia ja paljon lyhyempiä, ollen noin 25µm mm leveä ja 100µm pitkä. Kardiomyosyytit ovat usein haaroittuneita, ja niissä on yksi Tuma mutta monia mitokondrioita, joista saadaan supistumiseen tarvittava energia.

sydänlihaksen merkittävä ja ainutlaatuinen piirre on epäsäännöllisesti jakautuneiden tummien nauhojen esiintyminen kardiomyosyyttien välissä. Nämä bändit tunnetaan interkalatoiduiksi disceiksi, ja ne sijaitsevat alueilla, joilla vierekkäisten kardiomyosyyttien braanit tulevat hyvin lähelle toisiaan. Interkalatoituneet diskot ovat mekaanisesta näkökulmasta rakenteellisia kokonaisuuksia, jotka mahdollistavat läpäisevän voiman siirtymisen yhdestä kardiomyosyytistä toiseen. Näin sydän voi toimia yksitoimisena elimenä. Sitä vastoin luustolihas koostuu monitumaisista muskelisäikeistä, eikä siinä ole interkaloituja välilevyjä. Toinen ominaisuus ofcardiomyocytes on sarcomere, joka on myös läsnä luurankolihas. Thesarcomeres antaa sydänlihaksen niiden poikkijuovainen ulkonäkö ja ovat toistoja, jotka muodostavat myofibrils. Kuva1 on immunofluoresenssikuva kardiomyosyyteistä kulttuurissa ja edustaa kardiomyosyyttien rakennetta. Monet muut ominaisuudet ovat ainutlaatuisia lihassoluille ja erityisesti kardiomyosyyteille, sillä ne tarjoavat kardiomyosyyteille ainutlaatuiset ominaisuutensa ja muodostavat tärkeimmät rakenneosat, jotka ovat välttämättömiä näiden solujen toiminnalle.

1) välilevyt. Intercalated-levyn sisällä on erilaisia liitoskomplekseja. Nämä liitokset ovat välttämättömiä liiman eheyden,morfogeneesin, erilaistumisen ja sydänkudoksen ylläpidon kannalta. Intercalated disc, intercellular adheesiomolekyylit, aukko liitokset, ja thejännite-aidattu natrium channel complex muodostavat makromolekulaarisia komplekseja, jotka vuorovaikutuksessa erityisesti ylläpitää sydämen rakennetta ja kardiomyosyyttien synkronia. Intercalated levyt koostuvat 3 tärkeimmät liitoskompleksit: desmosomit, adherensjunktiot (fascia adherens sydänlihaksessa), ja aukko liitokset (kuva 2). Kuilun liitokset ovat välttämättömiä viereisten solujen kemiallisille ja sähköisille liitoksille, kun taas desmosomit ja adhereenit muodostavat solujen väliset mekaaniset liitokset inkardiomyosyytit. Thus, adherens junctions link the intercalated disc to the actincytoskeleton and desmosomes attach to intermediate filaments.

2) The sarcomere.Themain function of cardiomyocytes concerns cardiac contraction. Tätä varten kardiomyosyyteissä on myofibriilikimput, jotka sisältävät myofilamentteja ja edustavat 45-60 prosenttia kardiomyosyyttien tilavuudesta (kuva 6). Themyofibrilit muodostuvat erillisistä, toistuvista yksiköistä, joita kutsutaan sarkomeereiksi.Sarkomeerit edustavat myokyytin perusyksiköitä, ja ne määritellään myofilamenttirakenteiden alueeksi kahden Z-viivan välissä. Z-viivojen välinen etäisyys vaihtelee ihmisten sydämissä noin 1,6-2,2 µm. Thesarcomere koostuu paksuista ja ohuista filamenteista.

paksut filamentit koostuvat myosiinista, proteiinista, jonka molekyylipaino on noin 470 kilodaltonia.Myosiinia on noin 300 molekyyliä paksussa hehkulangassa. Kussakin myosiinissa on kaksi päätä, jotka ovat aktiinin ja myosiinin ristisiltojen muodostamiseen tarvittavan myosiinin ATPaasin tapahtumapaikkana. Nämä päät ovat vuorovaikutuksessa aktiinin sitoutumiskohdan kanssa (kuva 7).

ohuet filamentit koostuvat proteineista, jotka muodostavat säätelyproteiinikompleksin: aktiini, tropomyosiini ja troponiini (Kuva 7). Aktiini on pallomainen proteiini, joka on järjestetty ketjuksi ofreading yksiköt, jotka muodostavat kaksi säikeitä alfa helix. Aktiinisäikeiden välillä on sauvanmuotoisia proteiineja, joita kutsutaan tropomyosiiniksi. Aktiinimolekyylejä on 6-7 tropomyosiinia kohden. Tropomyosiiniin on säännöllisin väliajoin kiinnittynyt troponiinikompleksi, joka koostuu kolmesta alayksiköstä: troponiini-T (TN-T), joka kiinnittyy tropomyosiiniin; troponiini-C( TN-C), joka palvelee Ca++: n sitoutumispaikkana herätekontraktion yhteydessä (neljä Ca++: n kanttia TN-C: tä kohden); ja troponiini-I (TN-I),joka estää myosiinin sitoutumiskohtaa aktiinissa.

paksujen ja ohuiden rihmastojen järjestely tekee sydämen supistumisen mahdottomaksi, jolloin kardiomyosyyteille muodostuu tyypillinen nauhamainen kuvio, joka on aiemmin esitetty kuvassa 6:

Z-viivat.Sarkomeeri määritellään kahden vierekkäisen Z-viivan (tai Z-levyn tai Z-kappaleen) väliseksi janaksi. Poikkijuovaisen lihaksen elektronimikrografioissa Z-viiva (saksalaisesta ”Zwischenscheibe”, I-nauhojen välissä oleva disc) näkyy tummien viivojen sarjana.

i-yhtye. Z-viivan ympärillä on I-kaistan alue (isotrooppinen). I-band on ohuiden filamenttien vyöhyke, jota paksut filamentit eivät aseta päällekkäin.

a-yhtye. I-kaistan jälkeen on a-kaista (anisotrooppiselle). Ne on nimetty polarisoivalla mikroskoopilla. A-kaistalla on yhden paksun hehkulangan koko pituus.

H-alue. A-kaistan sisällä on vaaleampi alue, jota kutsutaan H-vyöhykkeeksi (saksan sanasta ”heller”, kirkkaampi). Ne ovat saaneet nimensä vaaleammasta ulkonäöstään polarisaatiomikroskoopilla. H-kaista on paksujen filamenttien vyöhyke, jota ohuet filamentit eivät aseta päällekkäin.

m-rivi. H-vyöhykkeen sisällä on ohut M-viiva (saksan sanasta ”Mittelscheibe”, Kiekko sarkoomeren keskellä), joka on muodostunut sytoskeletonin ristiinliittyvistä elementeistä.

3) T-tubulukset. Lihassoluissa kuten kardiomyosyyteissä sarkolemma (ts.plasmakalvo) muodostaa syviä t-tubuluksia (transversetubuluksia) (Kuva 8). Nämä vaginoinnit mahdollistavat kalvon depolarisaation tunkeutumaan nopeasti solun sisäosiin. Soluissa, joissa ei ole t-tubuluksia, kalsiumionien aalto etenee solun reuna-alueelta keskelle. Tällainen järjestelmä kuitenkin aktivoisi ensin perifeeriset sarkomeerit ja sitten syvemmät sarkomeerit, mikä johtaisi Ali-maksimaaliseen voimantuotantoon. T-tubulukset mahdollistavat, että currentis samanaikaisesti relayed solun ytimeen, ja tämä tarkoittaa, että suurempi instantaaninen voima tuotetaan käynnistämällä SR Ca2+vapautuminen lähellä kaikkia sarkomeerit samanaikaisesti. Itse asiassa t-tubulukset rajoittavat solunulkoisen nesteen diffuusiota, jolloin syntyy ioneja, joiden pitoisuus on suhteellisen vakaa verrattuna laajempaan solunulkoiseen tilaan. Tämä voi myös olla mekanismi, joka estää solunulkoisessa nesteessä tapahtuvia nopeavaikutteisia muutoksia vaikuttamasta haitallisesti kalsiumin vapautumiseen.

4) Mitokondrialmorfologia ja energia-aineenvaihdunta kardiomyosyyteissä.Mitokondrioita on kuvattu ”solun voimanpesä”, koska ne generatemost solun adenosiinitrifosfaatin (ATP) tarjonnasta. Mitokondriot koostuvat osastoista, jotka suorittavat erikoistoimintoja, ja niihin kuuluvat ulkokalvo, intermembraanitila, sisäkalvo sekä thecristae ja matriisi (Kuva 9).

useimmissa solutyypeissä mitokondriot säätelevät morfologiaansa ja sijaintiaan riippuen solun energiantarpeesta ja metabolisista olosuhteista. Kardiomyosyyteissä mitokondrioiden morfologian ja sijainnin ja toiminnan välinen yhteys ei näytä olevan niin riippuvainen solun energiantarpeesta: näiden elinten uudelleenorganisointi riippuu soluympäristöstä ja arkkitehtuurista – suuresta määrästä myofilamentteja, jäykän sytoskeletonin ja denselypakatun mitokondrioverkon olemassaolosta. Lisäksi eriorganisellien järjestely niiden välillä on niin ratkaisevaa sydämen solujen toiminnalle, ettämitokondriomorfologiaa on valvottava tehokkaasti. Verrattuna mihin tahansa muuhun solutyyppiin, aikuisten kardiomyosyyttien mitokondrioissa esiintyy cristae-alttius. Kuitenkin erilaisia mitokondrioita voidaan erottaa kardiomyosyyteissä, ja niiden morfologiset ominaisuudet määritellään yleensä niiden sijainnin mukaan: intermyofibrillaariset mitokondriot, subkarkolemmalmitokondriot ja perinukleaariset mitokondriot.

v Intermyofibrillarmitokondriot ovat tiukasti järjestäytyneet kontractractile proteins-rivien väliin, jotka ilmeisesti eristetään toisistaan toistuvien tubulusryhmien avulla ja ovat läheisessä kosketuksessa myofibrillien ja sarkoplasmisen retikulumin kanssa. Ne on tarkoitettu pääasiassa myosiini-ja SR-Atpaasien energiahuoltoon. Intermyofibrillarare pitkänomainen muoto yleensä yksi mitokondrion olemassa per sarcomere. Niiden pituus on 1,5-2,0 µm, ja niiden cristae-rakenteissa näkyy myös kaarevat muodot.

v Subkarkolemmaalisissa mitokondrioissa esiintyy vähäisempää järjestäytymisastetta ja ne lienevät pääasiassa mukana muussa rolessissa, kuten ionihomeostaasissa. Ne sijaitsevat sarkolemman alapuolella ja ovat pituudeltaan vaihtelevampia (0,4-3,0 µm), ja niillä on tiiviisti pakattu cristae.

v Perinukleaariset mitokondriot järjestäytyvät klustereiksi ja osallistuvat mitä todennäköisimmin transkriptio-ja translaatioprosesseihin. Ne ovat enimmäkseen pallomaisia ja niiden pituudet vaihtelevat 0,8-1,4 µm. Näissä mitokondrioissa on hyvin kehittynyt kaareva cristaewith suhteellisen vähän matriisin pinta-ala.

kardiomyosyyttien toiminnasta johtuvien energiantarpeiden vuoksi aikuisten kardiomyosyyteissä on lukuisia mitokondrioita, jotka voivat viedä vähintään 30% solujen tilavuudesta. Aikuisten kardiomyosyytit täyttävät >90% mitokondrioiden oksidatiivisen fosforylaation (OKSFOS) energiantarpeesta. Rasvahappo hapettuu yli muiden ravintoaineiden hapettumisen normaaleissa fysiologisissa olosuhteissa. Stressikausina kardiomyosyytit ovat joustavia, ja voivat saada energiaa hapettamalla glukoosi -, laktaatti -, aminohappo-ja ketonirunkoja. Itse asiassa niiden metabolian sopeutumiskyky substraatin saatavuuteen vaikuttaa kriittisesti niiden supistumistasapainoon erilaisissa fysiologisissa ja patofysiologisissa olosuhteissa. Sikiön kardiomyosytopenian proliferaatiolle sydämen kehityksen aikana on ominaista suuri glykolyysin ja laktaatin tuotannon määrä. Vain <15% ATP: stä tuotetaan rasvahappoß-hapetusreitillä.

Summary. Kardiomyosyytit ovat päävastuussa sydämen syövytyksestä. Tässä käsitellyt ainutlaatuiset rakenteelliset ominaisuudet mahdollistavat niiden erikoistoiminnot. Sydämen toiminta on kuitenkin ymmärrettävä sydänkudoksen yhteydessä, jossa muut solutyypit ja rakenteet ovat tärkeitä, jotta saadaan koordinoitu sydämen supistuminen, joka mukautuu elimen fysiologisiin tarpeisiin.

lähteille ja jatkoluennoille.

tämä on ollut mahdollista aiempien teosten ansiosta. Merkittävimmät niistä mainitaan tässä:

1. Rampazzo A, Calore M, vanHengel J, van Roy F. välilevyt ja rytmihäiriöperäinen kardiomyopatia. Circ Cardiovasc Genet. 2014Dec; 7(6): 930-40.

2. Delmar M, McKenna WJ. Sydämen desmosomi ja rytmihäiriöperäiset kardiomyopatiat: geenistä sairauteen. Circ Res. 2010 Sep 17; 107 (6): 700-14.

3. Perry JK, Lins RJ, LobiePE, Mitchell MD. Invasiivisen kasvun säätely: samanlaiset epigeneettiset mekanismit estävät kasvaimen etenemisen ja implantaation ihmisen raskaudessa. Clin Sci (Lond). 2009 Joulukuu 23;118(7): 451-7.

4. Noorman M, van der HeydenMA, van Veen TA, Cox MG, Hauer RN, de Bakker JM, van Rijen HV. Cardiaccell-cell junctions in health and disease: Electrical versus mechanicalcoupling. J Mol Cell Cardiol. 2009Jul;47(1): 23-31.

5. Bennett PM, Maggs AM, Baines AJ, Pinder JC. Transitional junction: Uusi toiminnallinen alisellulardomaani interkalatoidussa kiekossa. Mol BiolCell. 2006;17:2091–2100.

6. Gutstein DE, Liu FY, Meyers MB, Choo a, Fishman GI (2003) the organization of adherens junctions anddesmosomes at the Heart interkalated disc is independent of gap junctions. J Cell Sci. 2003; 116:875–885.

7. Colleen B. Estigoy, Fredrik Pontén, Jacob Odeberg, Benjamin Herbert, Michael Guilhaus & MichaelCharleston, Joshua W. K. Ho, Darryl Cameron & Cristobal G. dos Remedios. Interkalated discs: useita proteiineja suorittaa useita toimintoja ei-epäonnistuvat ja epäonnistuvatihmissydämissä. Biophys Rev. 2009;1: 43-49.

8. Ibrahim M, Gorelik J, Yacoub MH, Terracciano CM. Sydämen t-tubulusten rakenne ja toiminta terveys-ja sairaustapauksissa. Proc Biol Sci.2011 Sep 22; 278 (1719): 2714-23.

9. Piquereau J,Caffin F, Novotova M, Lemaire C, Veksler V, Garnier a, Ventura-Clapier R, Joubert F. mitokondrialdynamics in the adult cardiomyocytes: which roles for a highly specializedcell? Etufysioli. 2013 toukokuuta 10;4:102.

10. Hollander JM, Thapa D, Shepherd DL. Fysiologiset ja rakenteelliset erot spatiaalisesti eroavissasydämisten mitokondrioiden populaatiot: sydänpatologioiden vaikutus. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2014Jul 1;307(1):H1-14.

11. Gaspar JA, Doss MX,Hengstler JG, Cadenas C, Hescheler J, Sachinidis A. Unique metabolic featuresof stem cells, cardiomyocytes, and their progenitors. Circ Res. 2014 Apr 11;114(8):1346-60.

12. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022282809001394

13. http://www.cvphysiology.com/Cardiac%20Function/CF020.htm

14. http://www.e-heart.org/Pages/01_Cardiac_Structure/01_Cardiac_Structure_Molecular_Anatomy_005.htm

15. https://www.youtube.com/watch?v=SPD5A816utU