Intermezzo 7.1 Bindingseiwitten in de spiercel en spierdystrofie 2 Intermezzo 7.2 Katabole en anabole reacties in de mitochondriën van werkende 3

Transcriptie

1 Hoofdstuk 7 Spiercontractie Intermezzo 7.1 Bindingseiwitten in de spiercel en spierdystrofie 2 Intermezzo 7.2 Katabole en anabole reacties in de mitochondriën van werkende 3 spiervezels Intermezzo 7.3 Aanpassing van hart- en gladdespierweefsel aan overbelasting; 8 hypertrofie en dilatatie Aanvullend materiaal bij Bouman/Boddeke/Muntinga: Leerboek medische fysiologie. 1

2 Intermezzo 7.1 Bindingseiwitten in de spiercel en spierdystrofie Elke lichaamscel heeft een cytoskelet, een stelsel van vooral microfilamenten die ervoor zorgen dat de cel ondanks druk van buitenaf zijn vorm behoudt (zie intermezzo 1.4). In spiercellen is dit cytoskelet sterker ontwikkeld dan in andere cellen omdat hier méér vervorming optreedt, doordat de bij contractie ontwikkelde kracht moet worden overgedragen op de uiteinden van de spiercel. Bovendien moet de cel gerekt kunnen worden zonder dat beschadiging optreedt. Om de spier in rust in vorm te houden is een aantal eiwitten aanwezig: In de Z-membraan zijn verschillende filamenteiwitten aanwezig (actinine, filamine, amorfine en andere) die fungeren als aanhechting van de dunne myofilamenten. De dunne filamenten lopen niet door de Z-membraan heen, maar hechten zich aan weerskanten, waarbij ze links en rechts van de membraan verspringen. De Z-membranen eindigen in het sarcolemma. In de sarcomeer zijn eveneens verschillende eiwitten aanwezig die als taak hebben de dunne en dikke filamenten precies op hun plaats te houden. In de M-lijn bevindt zich voor dat doel het myomesine; parallel aan de filamenten liggen de moleculen van titine (= connectine) die door aanhechting aan de Z-lijn voorkomen dat de filamenten bij rekking te veel uit elkaar schuiven (zie figuur 7.3 in het boek). Dwars op de myofibrillen fixeert het intermediaire filamenteiwit desmine de myofibrillen aan elkaar. In het sarcolemma liggen enkele eiwitten die de verbinding vormen tussen dunne filamenten die tegen de celmembraan liggen, en de extracellulaire basale membraan (bij spiercellen is dat de lamina externa) die aan de buitenkant rond de cel ligt en de spiercel verankert met extracellulaire matrix. In de spiercel is daarvoor het grote spiereiwit dystrofine (molecuulmassa 427 kda) aanwezig dat actine verbindt met glycoproteïnen in de membraan tot een dystrofine-glycoproteïnecomplex. Aan de buitenzijde is dit complex via het eiwit fibronectine verbonden met collageenvezels die uiteindelijk doorlopen tot in de pees. Hartspier en gladde spier hebben geen pees of botaanhechting. De kracht die op het collageen wordt uitgeoefend is voldoende om de spanning in de wand gelijkmatig te verhogen. Het dystrofine-glycoproteïnecomplex, de tussenschakel tussen actine en fibronectine, geeft onmisbare steun aan de spiervezel en voorkomt scheuring tijdens contractie. Dat blijkt bij lijders aan een zeer ernstige erfelijke spierziekte, de spierdystrofie van Duchenne, die reeds op zeer jeugdige leeftijd tot een levensbedreigend functieverlies van skeletspieren leidt door het ontbreken van dit eiwit. Het gaat om een afwijking in het X-chromosoom, zodat deze ziekte door de moeder die zelf de ziekte doorgaans niet heeft, wordt overgedragen, of het gevolg is van een spontane mutatie. In het chromosoom ziet men een afwijking in de structuur van het gen dat zorgt voor de vorming van dystrofine. Dit gen omvat ongeveer 2, basenparen en behoort daarmee tot de grootste. Dit is wellicht de reden waarom het gen relatief vaak een mutatie ondergaat die het onwerkzaam maakt. Het tekort aan dystrofine leidt vanaf een leeftijd van 3-4 jaar tot progressieve functiestoornissen in de skeletspieren en later ook in hartspier en gladde spier, Deze functiestoornissen berusten op beschadigingen van de spiercellen als gevolg van onvoldoende bescherming tegen verscheuring. De ziekte leidt tot de dood op jongvolwassen leeftijd door uitval van de ademhaling of door extreme verzwakking van de hartspier. In gladdespiercellen is wel een bescheiden SR aanwezig, maar er zijn geen T-tubuli. Bij de bespreking van de excitatie-contractiekoppeling zullen wij zien dat de functie van het SR in dit weefsel geheel anders is dan in skelet- en hartspierweefsel. Aanvullend materiaal bij Bouman/Boddeke/Muntinga: Leerboek medische fysiologie. 2

3 Intermezzo 7.2 Katabole en anabole reacties in de mitochondriën van werkende spiervezels Wanneer bij de start van een beweging een skeletspier wordt geactiveerd, zet een reeks van biochemische reacties in voor de spiercontractie en voor de energievoorziening van de werkende spiervezel. Deze reacties komen meteen in actie zodra de spier vanuit het zenuwstelsel wordt gestimuleerd. Aan het einde van de contractie wordt alleen de actie van het contractiele apparaat meteen gestopt. De reacties die bijdragen aan de energievoorziening, gaan nog door tot de energievoorraad is hersteld en de afvalproducten zijn afgevoerd. Bovendien komen nu reacties op gang die kunnen bijdragen aan structurele veranderingen in de spier op lange termijn. Zowel bij de katabole energieleverende processen als bij de anabole opbouwprocessen vervullen de mitochondriën in de spier een hoofdrol. Figuur Katabole reacties in de mitochondriën. In de mitochondriën vindt de volledige oxidatie plaats van de brokstukken die in het cytoplasma door de splitsing van glucose en vetzuren zijn ontstaan. Door de glycolyse (zie par in het boek) is glucose gesplitst in pyrodruivenzuur (= pyruvaat) dat bij voldoende zuurstof door het pyruvaatdehydrogenase complex wordt omgevormd tot acetyl-coa dat opgenomen wordt in het mitochondrion. De vele, vaak grote en complexe enzymmoleculen voor de verdere splitsingsreacties liggen opgeslagen in de binnenmembraan van het mitochondrion. Om voldoende membraanoppervlak te hebben, is deze membraan geplooid in de vorm van cristae die in het inwendige van het mitochondrion (matrix) uitsteken. Hier zijn ook de enzymen te vinden voor de citroenzuurcyclus (zie par in het boek). Dit is een reeks van negen reacties waarin het pyruvaatdeel van het acetyl-coa volledig wordt gesplitst Aanvullend materiaal bij Bouman/Boddeke/Muntinga: Leerboek medische fysiologie. 3

4 in CO 2 en H 2 O. Deze reactie kan echter alleen verlopen als de oxidaties worden onderhouden door de ademhalingsketen, waarover hieronder meer. Ook de vetzuren ondergaan hun initiële splitsing in het cytoplasma. Vetzuren met een keten van minder dan 22 atomen worden rechtstreeks, met behulp van ATP, omgezet in acyl-coa. De langere vetzuren moeten eerst worden gesplitst in een peroxisoom. Het aldus gevormde acyl-coa wordt in het mitochondrion opgenomen voor een in de matrix verlopende reactiecyclus, de β-oxidatie. Per molecuul acyl-coa wordt deze reactieketen viermaal doorlopen alvorens het volledig is omgezet in acetyl-coa. Dit eindproduct van de β-oxidatie kan nu verder worden verwerkt in de citroenzuurcyclus. Hier ligt dus het verbindingspunt van de koolhydraat- en de vetzuurstofwisseling. Tijdens het doorlopen van de cyclus komt veel energie vrij die in ATP kan worden omgezet. Een aantal van de hierboven aangeduide reacties zijn oxidaties, waarbij H + -ionen en elektronen worden afgegeven die door zuurstof moeten worden opgenomen. Dit gebeurt in een reeks van chemische omzettingen, de oxidatieve fosforylering ofwel ademhalingsketen genoemd. Dit is een zeer ingewikkelde cascade van reacties die uiteindelijk ertoe voert dat de tijdens eerdere katabole reacties vrijgekomen H + -ionen (protonen) met zuurstof tot water worden gebonden zodat zij kunnen worden uitgescheiden. Deze oxidatie vereist een complex transport van elektronen, reden waarom men de ademhalingsketen ook wel de elektronentransportketen noemt. De ademhalingsketen kan voorgesteld worden als een hoofdstroom van omzettingen langs verschillende enzymcomplexen in de binnenmembraan van het mitochondrion. De toegang tot deze hoofdstroom is voor verschillende stoffen niet dezelfde: er kunnen drie toegangswegen worden onderscheiden: 1. Voor NADH dat gevormd wordt uit NAD + en waterstof. NAD + (nicotinamideadeninedinucleotide) is in cellen een belangrijk co-enzym van verschillende dehydrogenases, enzymen die oxidatiereacties kunnen laten verlopen zonder directe aanwezigheid van zuurstof. De oxidatie vindt plaats doordat NAD + -elektronen opneemt en zich daarbij bindt aan waterstofatomen tot NADH. In de ademhalingsketen worden elektronen en H + -ionen (= proton) gescheiden en apart getransporteerd naar zuurstof als uiteindelijke waterstofacceptor. NADH ontstaat bij de glucosesplitsing zowel gedurende de glycolyse (zie figuur 2.8 in het boek) als tijdens de citroenzuurcyclus (zie figuur 2.9 in het boek). Ook in de β-oxidatie wordt NADH gevormd evenals het daarop lijkende flavineadeninedinucleotide (FAD), het FADH 2 (zie figuur 2.10 in het boek). Willen deze reacties ongestoord kunnen blijven verlopen dan is een voortdurende terugvorming van de verbruikte hulpstoffen noodzakelijk. Met behulp van het uit zeer grote moleculen opgebouwde enzym NADH-dehydrogenase (= complex I) worden proton en elektron overgedragen naar co-enzym Q, ofwel ubiquinon, zodat QH 2 ontstaat dat verdere bewerking in de ademhalingsketen ondergaat. Het NAD + is dan weer beschikbaar voor een nieuwe oxidatiestap. 2. Voor succinaat dat gevormd wordt in een van de tussenstappen in de citroenzuurcyclus en dat door oxidatie omgezet moet worden in fumaraat (zie figuur 2.9 in het boek). Dit gebeurt door het enzym succinaatdehydrogenase (= complex II). Via een cofactor, het FAD (flavineadeninedinucleotide) dat waterstof bindt tot FADH 2, wordt overeenkomstig de terugvorming van NAD +, waterstof overgedragen op ubiquinon voor verdere verwerking van QH 2. Door de werking van succinaatdehydrogenase wordt de citroenzuurcyclus rechtstreeks aan de ademhalingsketen gekoppeld. 3. Een derde weg naar de vorming van QH 2 loopt via het enzym electron-transferringflavoprotein dehydrogenase dat met tussenschakeling van electron-transferring flavoprotein (ETF) elektronen overdraagt op ubiquinon, zodat weer gereduceerd Aanvullend materiaal bij Bouman/Boddeke/Muntinga: Leerboek medische fysiologie. 4

5 ubiquinon, QH 2, wordt gevormd. Dit schuift door naar het volgende station van de ademhalingsketen voor de overdracht van elektronen naar cytochroom C en de loslating van protonen: QH 2 + 2cyt C ox + 2H + Q + 2cyt C red + 4H + (ter verheldering: de term oxidatie wordt zowel gebruikt voor de opname van elektronen als voor de binding met een H-atoom: ook dan neemt het oxidatiemiddel elektronen op.). Deze reactie wordt gekatalyseerd door cytochroom-c-reductase (complex III). Cytochromen zijn ijzerhoudende eiwitten lijkend op hemoglobine, die elektronen kunnen overdragen. De finale stap in de ademhalingsketen wordt gezet door cytochroom-c-oxidase (complex IV), dat elektronen en protonen overdraagt op zuurstof: cyt C red + O 2 + 4H + 4 cyt C ox + 2H 2 O Bij de frequente elektronenoverdracht verliezen de elektronen voortdurend aan energie die wordt omgezet in ATP. Men schat dat de totale splitsing van één glucosemolecuul netto de energie voor de vorming van ongeveer 30 moleculen ATP oplevert. De bruto-opbrengst is 38, waarvan 2 reeds tijdens de glycolyse worden gevormd. Van de 36 die tijdens de oxidatieve fosforylering kunnen ontstaan worden er ongeveer 6 tijdens het proces ook weer gebruikt. De opbrengst van de verbranding van vetzuur is nog aanzienlijk groter. Een molecuul palmitaat levert bij de β- oxidatie al ruim 100 moleculen ATP op en dan komt daarbij nog de bijdrage van de oxidatieve fosforylering in de ademhalingsketen. Uiteindelijk is daardoor de energieproductie uit 1 g vet ruim het dubbele van die van koolhydraat. De sterkte van de stroom door de ademhalingsketen is zeer afhankelijk van de graad van stofwisseling van de cel. Deze vertaalt zich in de ATP/ADP-verhouding in het cytosol en de matrix van de mitochondriën. Wanneer deze lager wordt, worden glycolyse en citroenzuurcyclus aangezet. Het lijkt dat de ademhalingsketen niet zozeer door deze ratio als wel door de concentratie aan ATP alleen wordt bepaald; bovendien werkt een ophoping van substraten als NADH stimulerend. Bij langer aangehouden of frequent terugkerende contracties treden ook processen in werking die erop gericht zijn de mitochondriën beter geschikt te maken voor een langdurige arbeid. Dit is het duidelijkst merkbaar in de type-ii-vezels die van nature weinig mitochondriën (< 5% van het celvolume) bevatten. De hier te bespreken reacties, die men samenvat onder mitochondriale biogenese en die een belangrijk onderdeel vormen van de totale spierplasticiteit, vergroten het aantal en de omvang van de mitochondriën en veranderen de eiwitsamenstelling van de membraan en de matrix. Het gevolg is dat het zwaartepunt van de energievoorziening verschuift van glycolyse naar vetzuurverbranding, waardoor de energieopbrengst toeneemt en de melkzuurvorming wordt vertraagd. In de reeks van processen die de anabole activiteit verhogen, kunnen wij de volgende stappen onderscheiden: 1. signalering van de contractie; 2. stimulering van de genetische expressie; 3. vorming van structuurcomponenten. Aanvullend materiaal bij Bouman/Boddeke/Muntinga: Leerboek medische fysiologie. 5

6 Figuur Anabole reacties in de mitochondrion Ad 1. Er treden bij het begin van een spiercontractie heel wat chemische reacties in werking, zodat moeilijk is aan te wijzen welke daarvan een signaalfunctie voor het anabolisme heeft. Het is inmiddels wel duidelijk geworden dat het niet om een enkel signaal gaat maar om de interactie van verschillende. De belangrijkste daarvan zijn een verhoging van de intracellulaire concentratie aan calciumionen [Ca 2+ ] i en aan AMP (adenosine-monofosfaat). Tijdens de contractie neemt [Ca 2+ ] i toe van 10 7 mol naar 10 4 mol of hoger, door de activatie van het SR (par. 7.2 in het boek). Van het Ca 2+ -ion is bekend dat het verschillende anabool actieve factoren kan stimuleren waaronder proteïnekinase C (PKC) dat rechtstreeks betrokken is bij de vermeerdering van anabool werkende genen. De concentratie aan AMP neemt toe doordat aan ATP en ADP energie wordt onttrokken, zoals het geval is bij de vorming van acyl-coa uit vetzuur in het cytoplasma. AMP heeft rechtstreeks een activerende werking op het AMP-activated proteinkinase (AMPK) dat de mitochondriale biogenese aanzet. Bovendien zal een tekort aan ATP de heropname van Ca 2+ in het SR vertragen zodat [Ca 2+ ] i langer verhoogd blijft. Een derde mogelijke, maar op dit moment nog onzekere kandidaat signaalstof, is ROS, wat staat voor reactive oxygen species, in feite een groep van stoffen die behoren tot de zuurstofradicalen (zie par in het boek) en die in de ademhalingsketen ontstaan. Hun normaliter zeer lage concentratie neemt toe wanneer de activiteit van de keten wordt verhoogd. Ad 2. Het aangrijpingspunt voor het aanzetten van de mitochondriale biogenese is het DNA in de kern en in het mitochondrion zelf (mtdna). Het proces is in beide gevallen globaal gelijk en berust op een versterking van de activiteit van transcriptiefactoren (zie par in het Aanvullend materiaal bij Bouman/Boddeke/Muntinga: Leerboek medische fysiologie. 6

7 boek) door een van de signaalstoffen. Transcriptiefactoren zijn eiwitten die de genexpressie reguleren. Zij doen dit door de vorming van boodschapper-rna (mrna) (figuur 2.5 in het boek), dat specifiek noodzakelijk is voor de synthese van een bepaald eiwit, te stimuleren of af te remmen. Het aldus ontstane patroon aan mrna bepaalt welke eiwitten op dat moment in de cel gevormd zullen worden. Er zijn vele honderden verschillende transcriptiefactoren die in drie grote families worden onderverdeeld met curieus aandoende namen: (1) zinkvingereiwitten, (2) homeodomeineiwitten, en (3) leucineritseiwitten. Hun werking verschilt in velerlei opzicht, maar algemeen is dat door de binding van het eiwit aan de DNAstreng deze gestimuleerd wordt om plaatselijk te splitsen zodat daar de basenparen verbroken worden en mrna zich aan dat stuk DNA kan vormen, de eigenlijke transcriptie (zie figuur 2.5 in het boek). Men veronderstelt dat de signaalstoffen via een cascade van reacties de activiteit van een transcriptiefactor kunnen aanzetten. Bij inspanning speelt in dit kader de stof peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α (PGC-1α) een bijzondere rol, omdat deze als coactivator van transcriptiefactoren zowel in de kern als in de mitochondriën DNA aanzet tot een versterkte expressie van mrna voor eiwitten die betrokken zijn bij de contractie en de energievoorziening. Het proces van versterking van de transcriptie in kern en mitochondriën vindt optimaal plaats tijdens een herstelperiode volgend op de spiercontracties. De top van de activiteit wordt na 1-4 uur bereikt en daarna keert binnen 24 uur de transcriptieactiviteit weer terug tot de uitgangswaarde. De snelheid van afname is afhankelijk van de beschikbaarheid van glycogeen; hoe geringer het aanbod, hoe langer de transcriptie versterkt blijft. Dit past in het idee dat de mitochondriale biogenese erop is gericht om de oxidatieve afbraak van vetzuren beter mogelijk te maken. Ad 3. Het PGC-1α werkt als coactivator rechtstreeks en via tussenschakels stimulerend op transcriptiefactoren voor zowel het DNA in de kern als in de mitochondriën. De eiwitproductie vanuit het mtdna is beperkt tot slechts enkele tientallen verschillende eiwitten, terwijl men schat dat voor de mitochondriale biogenese er meer dan 1000 nodig zijn. Deze worden op geleide van het nucleaire DNA gesynthetiseerd in het ER en vanuit het cytoplasma naar de inwendige van de mitochondriën vervoerd. Voor het transport door de mitochondriale membraan zijn daar actieve transporters voor aanwezig. Het gaat daarbij om vervoer van zowel hele eiwitmoleculen als van brokstukken die in de binnenmembraan tot het uiteindelijk enzymmolecuul worden opgebouwd. Voor meer informatie: David A. Hood, Isabelle Ircher, Vladimir Ljubici en Anna-Maria Joseph. Coordination of metabolic plasticity in skeletal muscle. J Exp Biol 2006; 209: Aanvullend materiaal bij Bouman/Boddeke/Muntinga: Leerboek medische fysiologie. 7

8 Intermezzo 7.3 Aanpassing van hart- en gladdespierweefsel aan overbelasting; hypertrofie en dilatatie Net als voor skeletspier is een continue of regelmatig terugkerende overbelasting ook voor het hart een prikkel om tot aanpassing over te gaan, waarbij de vorm van de aanpassing afhangt van de aard van de overbelasting. Als de prikkel ophoudt, verdwijnen ook de aanpassingsverschijnselen. De enige fysiologische prikkel voor een vergroting van het hart is regelmatig terugkerende zware arbeid, waarbij het hartminuutvolume tot minimaal 70% van het maximale stijgt. Na maanden van intensieve training zal het hart een vergroting ondergaan waarbij de holte van de beide ventrikels groter wordt doordat de spiervezels langer worden. De dikte van de hartwand neemt in gelijke mate toe. Een hart met een dergelijke vorm noemt men een sporthart, hetgeen kan worden opgevat als een vergrote uitvoering van een normaal hart. De belangrijkste functionele consequentie is dat het slagvolume van dit vergrote hart tot tweemaal het normale kan stijgen. Dat dit volume ook in rust al verhoogd is, blijkt uit de zeer lage polsfrequentie (bradycardie) van atleten. Deze lage frequentie is op zichzelf geen trainingseffect, maar wordt door het vegetatieve zenuwstelsel ingesteld om het hartminuutvolume op een normaal peil te houden. Het belangrijkste pathologische aanpassingsverschijnsel van het hart is de hypertrofie, waarbij de hartwand dikker wordt doordat spiervezels dikker worden door vorming van meer myofibrillen. In dat geval blijft de grootte van de holte ongewijzigd. Er zijn verschillende prikkels die tot hypertrofie aanzetten. In de eerste plaats is dat een verhoging van de tegendruk waar het hart tegenin moet werken. Dat kan een verhoogde bloeddruk zijn, maar de verhoogde weerstand kan ook door een vernauwing in de uitstroomvaten of door een klepgebrek zijn veroorzaakt (drukbelasting). Een tweede prikkel is een chronisch verhoogde bloedspiegel van catecholaminen, waarvoor weer verschillende oorzaken bestaan. De hypertrofie op zichzelf is niet schadelijk en zorgt voor het handhaven van een voldoende hartminuutvolume bij een belemmerde uitstroom. Er bestaat evenwel een grotere kans op een bloedtekort in de hartspier (ischemie) doordat de bloedvaten in de hartwand niet met de spierverdikking meegroeien. Het gevolg is dat nu meer spiermassa zuurstof vraagt aan de oorspronkelijke hoeveelheid bloed. In combinatie met hypertrofie kan ook dilatatie optreden, een verwijding van met name de hartkamers op een manier die lijkt op die bij het sporthart. Deze verandering zal optreden als er ook een volumeoverbelasting is, en ook dan is het een uiting van een op zichzelf nietschadelijke aanpassing. Een dergelijke dilatatie zal echter ook ontstaan als het hart ernstig verzwakt is (decompensatio cordis, of hartfalen) zodat de combinatie van hypertrofie en dilatatie altijd nader klinisch onderzoek vereist om de functionele toestand van het hart te bepalen, onder andere door meting van de ejectiefractie (zie par in het boek). Gladdespierweefsel kent door de stressrelaxatie geen volume- of lengteoverbelasting, maar wel een drukbelasting, bijvoorbeeld wanneer bij een prostaatvergroting de uitstroom uit de blaas belemmerd kan zijn. Ook dan zien wij een aanzienlijke toename van de grootte van de cellen, zowel in de lengte door vorming van meer sarcomeren, als in de dikte door toename van het aantal myofibrillen. Deze aanpassing is op zichzelf niet schadelijk, maar wel een belangrijk symptoom van een belemmerde uitstroomweg. Aanvullend materiaal bij Bouman/Boddeke/Muntinga: Leerboek medische fysiologie. 8