Kardiomyozyten – Das Cardio Research Web Project

Der Herzmuskel besteht aus ineinander verschlungenen Bündeln von Kardiomyozyten (Herzmuskelzellen). Wie der Skelettmuskel ist der Herzmuskel aufgrund der parallelen Anordnung von Aktin- und Myosinfilamenten, die sich von Ende zu Ende jedes Kardiomyozyten erstrecken, mit schmalen dunklen und hellen Bändern gestreift. Im Vergleich zu Skelettmuskelzellen sind Kardiomyozyten jedoch schmaler und viel kürzer und etwa 25 µm mm breit und 100 µm lang. Kardiomyozyten sind oft verzweigt und enthalten einen Kern, aber viele Mitochondrien, die die für die Kontraktion erforderliche Energie liefern.

Ein herausragendes und einzigartiges Merkmal des Herzmuskels ist das Vorhandensein von unregelmäßig beabstandeten dunklen Bändern zwischen Kardiomyozyten. Diese Bänder areknown als intercalateddiscs, und sie werden zu den Bereichen lokalisiert, in denen themembranes von angrenzenden cardiomyocytes sehr nahe zusammen kommen. Intercalateddiscs sind, von einem mechanischen Standpunkt aus, die strukturellen Einheiten, die enablecontractile Kraft von einem Kardiomyozyten zu einem anderen übertragen werden. Diesermöglicht es dem Herzen, als ein einziges funktionelles Organ zu arbeiten. Im Gegensatz dazu besteht der Skelettmuskel aus mehrkernigen Muskelfasern und weist keine interkalierten Scheiben auf. Ein zweites Merkmal vonkardiomyozyten ist das Sarkomer, das ebenfalls vorhanden ist Skelettmuskel. Thesarcomeres geben Herzmuskel ihr gestreiftes Aussehen und sind die repeatingsections, die myofibrillen bilden. Abbildung 1 zeigt ein Immunfluoreszenzbild von Kardiomyozyten in Kultur und eine Darstellung der Kardiomyozytenstruktur. Einige andere Eigenschaften sind einzigartig für Muskelzellenund insbesondere für Kardiomyozyten, da sie Kardiomyozyten mit ihren einzigartigen Eigenschaften versorgen und die Hauptstrukturkomponenten darstellen, die für die Funktion dieser Zellen von entscheidender Bedeutung sind.

1) Die eingelagerten Scheiben. Innerhalb derinterkalierte Scheibe. Diese Verbindungen sind essentiell für die adhäsive Integrität, Morphogenese, Differenzierung und Erhaltung des Herzgewebes. In derinterkalierten Scheibe bilden interzelluläre Adhäsionsmoleküle, Gap Junctions und der spannungsgesteuerte Natriumkanalkomplex makromolekulare Komplexe, die speziell zur Aufrechterhaltung der Herzstruktur und der Kardiomyozytensynchronität interagieren. Dasinterkalierte Scheiben bestehen aus 3 Hauptübergangskomplexen: Desmosomen, adherensjunctions (Faszien haften im Herzmuskel) und Gap Junctions (Abbildung 2). Gap Junctions sind essentiellfür die chemische und elektrische Kopplung benachbarter Zellen, wohingegen Desmosomen andadherens junctions die mechanischen interzellulären Übergänge Inkardiomyozyten bilden. 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. Zu diesem Zweck sind Kardiomyozyten mit Myofibrillenbündeln ausgestattet, die Myofilamente enthalten und 45 bis 60 Prozent des Volumens Vonkardiomyozyten ausmachen (Abbildung 6). Die Myofibrillen bestehen aus verschiedenen, sich wiederholenden Einheiten, die als Sarkomere bezeichnet werden.Die Sarkomere repräsentieren die grundlegenden kontraktilen Einheiten der Myozyten und sind definiert als die Region der Myofilamentstrukturen zwischen zwei Z-Linien. Der Abstand zwischen den Z-Linien reicht in menschlichen Herzen von etwa 1,6 bis 2,2 µm. Thesarcomere besteht aus dicken und dünnen Filamenten.

Die dicken Filamente bestehen aus Myosin, einem Protein mit einem Molekulargewicht von etwa 470 Kilodalton.Es gibt ungefähr 300 Moleküle Myosin pro dickem Filament. Jedes myosincontains zwei Köpfe, die die Stelle der myosin ATPase sind, die ATPrequired für Aktin- und Myosin-Querbrückenbildung hydrolysiert. Diese Köpfe interagieren miteine Bindungsstelle auf Aktin (Abbildung 7).

Die dünnen Filamente bestehen aus den Proteinen, die den regulatorischen Proteinkomplex bilden: aktin, Tropomyosin und Troponin (Abbildung 7). Aktin ist ein globuläres Protein, das als Kette von angeordnet istwiederholende Einheiten, die zwei Stränge einer Alpha-Helix bilden. Die Aktinstränge sind stäbchenförmige Proteine, die als Tropomyosin bezeichnet werden. Es gibt 6-7 Aktinmoleküle pro Tropomyosin. An das Tropomyosin ist in regelmäßigen Abständen der Troponinkomplex gebunden, der aus drei Untereinheiten besteht: Troponin-T (TN-T), das an das Tropomyosin bindet; Troponin-C (TN-C), das als Bindungsstelle für Ca ++ während der Anregungs-Kontraktions-Kopplung dient (vier Ca ++ können pro TN-C binden); und Troponin-I (TN-I),das die Myosin-Bindungsstelle am Aktin hemmt.

Die Anordnung von dicken und dünnen Filamenten machtmögliche Herzkontraktion, die überall diskutiert wird und Kardiomyozyten ein charakteristisches Bandmuster verleiht, das zuvor in Abbildung 6 gezeigt wurde:

Z-Linien.Ein Sarkomer ist definiert als das Segment zwischen zweinachbarliche Z-Linien (oder Z-Scheiben oder Z-Körper). In elektronenmikroskopischen Aufnahmen des quergestreiften Muskels erscheint die Z-Linie (aus der deutschen „Zwischenscheibe“, der Scheibe zwischen den I-Bändern) als eine Reihe dunkler Linien.

Ich-Band. Um die Z-Linie herum befindet sich der Bereich des I-Bandes (für isotrop). I-Band ist die Zone dünner Filamente, die nicht von dicken Filamenten überlagert wird.

A-Band. Nach dem I-Band folgt das A-Band (für anisotrop). Benannt nach ihren Eigenschaften unter einem Polarisationsmikroskop. Ein A-Band enthält die gesamte Länge eines einzelnen dicken Filaments.

H-Zone. Innerhalb des A-Bandes befindet sich eine blassere Region namens H-Zone (vom deutschen „heller“, heller). Benannt nach ihrem helleren Aussehen unter einem Polarisationsmikroskop. H-Band ist die Zone der dicken Filamente, die nicht von den dünnen Filamenten überlagert wird.

M-Linie. Innerhalb der H-Zone befindet sich eine dünne M-Linie (von der deutschen „Mittelscheibe“, der Scheibe in der Mitte des Sarkomers), die aus Querverbindungselementen des Zytoskeletts besteht.

3) T-Tubuli. In Muskelzellen einschließlich Kardiomyozyten ist das Sarkolemma (d.h.die Plasmamembran) bildet tiefe Invaginationen, die als T-Tubuli (Transversetubuli) bekannt sind (Abbildung 8). Theseinvaginations erlauben depolarisation der Membran, schnell in theinterior der Zelle einzudringen. In Zellen ohne t-Tubuli breitet sich die Welle der Calciumionen ausvon der Peripherie der Zelle in die Mitte. Ein solches System würde jedoch zuerst die peripheren Sarkomere und dann die tieferen Sarkomere aktivieren, was zu einer submaximalen Kraftproduktion führt. Die t-Tubuli machen es möglich, dass Strom gleichzeitig an den Kern der Zelle weitergeleitet wird, und dies bedeutet, dass eine größere sofortige Kraft erzeugt wird, indem die Ca2 + -Freisetzung in der Nähe aller Sarkomere gleichzeitig ausgelöst wird. Tatsächlich beschränken die t-Tubuli die Diffusion der extrazellulären Flüssigkeit und erzeugen eine Mikrodomäne von Ionen einer Konzentration, die im Vergleich zum breiteren extrazellulären Raum relativ stabil ist. Dies kann auch ein Mechanismus sein, um zu verhindern, dass schnelle Veränderungen in der extrazellulären Flüssigkeit die Calcium-induzierte Calciumfreisetzung nachteilig beeinflussen.

4) Mitochondrienmorphologie und Energiestoffwechsel in Kardiomyozyten.Mitochondrien wurden als „Kraftwerk der Zelle“ bezeichnet, da sie den größten Teil der Zellversorgung mit Adenosintriphosphat (ATP) erzeugen. Mitochondrien bestehen aus Kompartimenten, die spezialisierte Funktionen erfüllen, und dazu gehören die äußere Membran, der Intermembranraum, die innere Membran sowie die Christen und die Matrix (Abbildung 9).

In den meisten Zelltypen passen Mitochondrien ihre Morphologie und Lage je nach Energiebedarf und Stoffwechselbedingungen der Zelle an. In Kardiomyozyten scheint die Beziehung zwischen mitochondrialer Morphologie und Lokalisation und Funktion nicht so sehr vom Energiebedarf der Zellen abhängig zu sein: Die Reorganisation dieser Organellen hängt von der zellulären Umgebung und den Architekturbeschränkungen ab – einer großen Anzahl von Myofilamenten, dem Vorhandensein eines starren Zytoskeletts und einem dicht gepackten mitochondrialen Netzwerk. Darüber hinaus ist die Anordnung der verschiedenen Organellen zwischen ihnen so entscheidend für die Funktion der Herzzellen, dassmitochondriale Morphologie muss effizient gesteuert werden. Im Vergleich zu anderen Zelltypen weisen Mitochondrien aus adulten Kardiomyozyten die höchste Dichte an Kristallen auf. Es können jedoch verschiedene Arten von Mitochondrien unterschieden werdeninnerhalb von Kardiomyozyten, und ihre morphologischen Merkmale sind in der Regel definiertnach ihrem Standort: intermyofibrilläre Mitochondrien, Subsarkolemmalmitochondrien und perinukleäre Mitochondrien.

v Intermyofibrillarmitochondrien sind streng geordnet zwischen Reihen vonkontraktilen Proteinen, die anscheinend durch wiederholte Anordnungen von Tubuli voneinander isoliert sind und in engem Kontakt mit Myofibrillen und sarkoplasmatischem Retikulum stehen. Sie sind hauptsächlich der Energieversorgung von Myosin und SR-ATPasen gewidmet. Intermyofibrillarsind länglich in der Form mit normalerweise einem Mitochondrium pro Sarkomer vorhanden. Sie sind 1,5–2,0 µm lang, und ihre Kristallstrukturen zeigten auch gekrümmte Konfigurationen.

v Subsarkolemmale Mitochondrien weisen einen geringeren Organisationsgrad auf und sind wahrscheinlich hauptsächlich an anderen Prozessen wie der Ionenhomöostase beteiligt. Sie befinden sich unterhalb des Sarkolemms und sind mehrvariabel in der Länge (0,4–3,0 µm), besitzen dicht gepackte Cristae.

v Perinukleäre Mitochondrien sindorganisiert in Clustern und sind höchstwahrscheinlich an Transkriptions- und Translationsprozessen beteiligt. Sie sind meist kugelförmig mit Längen von 0,8 bis 1,4 µm. Diese Mitochondrien enthalten gut entwickelte gekrümmte Kristalle mit relativ wenig Matrixfläche.

Angesichts des Energiebedarfs, der sich aus der Kardiomyozytenfunktion ergibt, enthalten die Erwachsenenkardiomyozyten zahlreiche Mitochondrien, die mindestens 30% des Zellvolumens einnehmen können. Adulte Kardiomyozyten erfüllen >90% des Energiebedarfs durch oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) in den Mitochondrien. Fettsäureoxidationüberwiegt die Oxidation anderer Nährstoffe unter normalen physiologischen Bedingungen. In Stressphasen sind Kardiomyozyten flexibel und Könnenenergie durch Oxidation von Glukose, Laktat, Aminosäuren und Ketonkörpern gewinnen. In der Tat, die Fähigkeit, ihren Stoffwechsel an die Verfügbarkeit von Substraten anzupassen, führt zu kritischen Ergebnissen für ihr Kontraktionsgleichgewicht unter verschiedenen physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen. Die Proliferation von fetalen Kardiomyozytenwährend der Herzentwicklung ist durch hohe Glykolyse- und Laktatproduktionsraten gekennzeichnet. Nur <15% des ATP werden über den Fettsäure-Antioxidationsweg produziert.

Zusammenfassung. Kardiomyozyten sind die Hauptverantwortlichen für das Herzkontraktion. Die hier diskutierten einzigartigen strukturellen Merkmale ermöglichen spezielle Funktionen. Die Herzfunktion muss jedoch im Kontext des Herzgewebes verstanden werden, in dem andere Zelltypen und -strukturen wichtig sindum eine koordinierte Herzkontraktion zu erhalten, die sich an die physiologischen Bedürfnisse des Organs anpasst.

Für Quellen und weitere Informationen.

Diese Zusammenfassung war dank früherer Arbeiten möglich. Die wichtigsten werden hier zitiert:

1. Rampazzo A, Calore M, vanHengel J, van Roy F. Interkalierte Bandscheiben und arrhythmogene Kardiomyopathie. In: Circ Cardiovasc Genet. 2014Dez;7(6):930-40.

2. In: Delmar M, McKenna WJ. Derkardiales Desmosom und arrhythmogene Kardiomyopathien: vom Gen zur Krankheit. Circ Res. 2010 September 17;107(6): 700-14.

3. Perry JK, Lins RJ, LobiePE, Mitchell MD. Regulierung des invasiven Wachstums: ähnliche epigenetische Mechanismen unterstützen die Tumorprogression und -implantation in der menschlichen Schwangerschaft. In: Clin Sci (Lond). 2009-23;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 Gesundheit und Krankheit: Elektrische versus mechanicalcoupling. In: J Mol Cell Cardiol. 2009Jul;47(1):23-31.

5. Bennett PM, Maggs AM,Baines AJ, Pinder JC. Der Übergangsübergang: eine neue funktionelle subzelluläre Domäne an der interkalierten Scheibe. In: Mol BiolCell. 2006;17:2091–2100.

6. Gutstein DE, Liu FY,Meyers MB, Choo A, Fishman GI (2003) Die Organisation von Adherens junctions und Desmosomen an der kardialen interkalierten Scheibe ist unabhängig von 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. Interkalierte Scheiben: Mehrere Proteine erfüllen mehrere Funktionen in nicht versagenden und versagenden menschlichen Herzen. Biophys Rev. 2009;1:43-49.

8. Ibrahim M, Gorelik J,Yacoub MH, Terracciano CM. Die Struktur und Funktion der kardialen T-Tubuli inGesundheit und Krankheit. In: Proc Biol Sci.2011 September 22;278(1719): 2714-23.

9. Piquereau J, Caffin F,Novotova M, Lemaire C, Veksler V, Garnier A, Ventura-Clapier R, Joubert F. Mitochondrialdynamik in den adulten Kardiomyozyten: Welche Rolle spielt eine hochspezialisierte Zelle? Vorne Physiol. 2013 Mai10;4:102.

10. Hollander JM, Thapa D,Hirte DL. Physiologische und strukturelle Unterschiede in räumlich unterscheidbaren Subpopulationen von Herzmitochondrien: Einfluss von Herzpathologien. 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