A cAMP szerepe harántcsíkos izom adaptációjában

Contents

  1. A cAMP szerepe harántcsíkos izom adaptációjában
    1. cAMP általánosan
      1. Szerepe a harántcsíkos izom glikogén-anyagcseréjében
    2. Izomadaptáció
    3. A cAMP ioncsatornákra gyakorolt hatása
      1. Hipotézis és igazolása
      2. Ionok szerepe az adaptációban
    4. CREB
    5. A cAMP - adenosin út
    6. Áttekintés
    7. Felhasznált irodalom

cAMP általánosan

A Ciklikus Adenozin-Monofoszfát (cAMP) a második hírvivő molekulák közé sorolható, azaz olyan hormonok hatásmechanizmusában vesz részt (legtöbb esetben), melyek nem képesek a sejthártyán át a sejtbe bejutni. A második hírvivő molekulákat olyan sejtfelszíni receptor molekulák aktiválják, melyek sejten kívüli részéhez hormon tud kötni, sejten belüli része pedig hormon kötése esetén aktiválja a második hírvivő rendszert.

A cAMP a sejtplazmában keletkezik az adenozin-trifoszfát nevű molekulából, adenilát-cikláz enzim hatására (1. ábra). [Az adenilát-cikláz enzim aktiválását az adenilát-cikláz stimuláló G-fehérje kapcsolt receptorok végzik, ugyanakkor megtalálhatóak adenilát-cikláz inhibitorikus G-fehérjék is, melyek az adenilát-cikláz enzim aktiválását gátolják, és ezen keresztül csökkentik a sejtben lévő cAMP mennyiséget.] A májsejtekben található adenilát-cikláz erősebben válaszol a glukagon hormon hatására, míg az izomban az adrenalin hatása kifejezettebb. A cAMP lebontását adenozin-monofoszfáttá a foszfodiészteráz enzim végzi.

Szerepe a harántcsíkos izom glikogén-anyagcseréjében

Egyes enzimek foszforilálódásának illetve defoszforilálódásának szabályozó funkciója van a lebontó és felépítő folyamatok egyensúlyának kialakításában. Ilyen a protein-kináz enzimcsoport, amely többféle fehérje foszforilálását katalizálja. Ezek az enzimek két ATP molekula és Mg2+-ion jelenlétében foszforilált protein-kinázzá alakulnak, majd ezt követően cAMP kötődik ezekhez a foszforilált enzimekhez, mint hormonhatást indító szignál. A kináz aktívvá válik a cAMP által és elvégzi egy másik enzim foszforilálását. Ilyen foszforilált enzim a foszforiláz-kináz amely ATP jelenlétében a glikogén-foszforiláz-b-t foszforiláz-a-vá alakítja. A glikogén-foszforiláz-a enzim felelős a harántcsíkolt izomban lévő glikogén glükóz-1-foszfáttá bontásáért (2.ábra).

Az előbbi glikogénmobilizáló folyamat a glikogén foszforiláz-a foszfatáz enzimmel történő defoszforilálásával, és a cAMP mennyiségének foszfodiészteráz általi hidrolítikus bontásával állítható le. A glikogén anyagcserében másik jelentős enzim a glikogén-szintáz, ami a glikogén felépítését végzi. Ezt az enzimet is a cAMP mediálta protein-kináz foszforilálja, de ebben az esetben a foszforilált molekula az inaktív forma, vagyis cAMP jel esetén nem történik glikogénszintézis. Ezen reakcióút gátlódott a glikogén-szintáz cAMP általi foszforilálásával. A cAMP szerepe ezekben a folyamatokban igen fontos, mint intracellularis szignál, mert lehetővé teszi a glikogénraktárak gyors mobilizálását. A harántcsíkos izomban jelentős tényező a tartalékolt glikogén szintje, mivel ennek mozgósításával nagy mennyiségű energiához juthat az izomzat, elősegítve ezzel a terheléshez vagy stresszhez történő gyors adaptációt.

Izomadaptáció

A harántcsíkos izom struktúrálisan igen szervezett, nagyon jelentős a szubcelluláris felépítése. A mozgató idegsejtek ingerlő hatása nyomán az izmok az előbbieknek köszönhetően képesek a mozgás kialakítására. E jól struktúráltság és nagyfokú szervezettség ellenére a harántcsíkos izomban igen bonyolult belső jelző mechanizmusok vannak, melyek lehetővé teszik az izom adaptációját a hosszútávú változásokhoz, illetve jó regenerációt biztosítanak izomsérülések esetén. Az egyik regenerációt biztosító tényező az izom számára a ciklikus adenozin-monofoszfát. A cAMP a gyors adaptációhoz is,és a hosszútávú adaptációhoz is hozzájárul az izomban. A rövidtávú alkalmazkodás a megnövekedett erőkifejtést igénylő izommunka során történik, ennek során elsősorban a vérellátása javul az izomnak, és a kontrakció erőssége növekszik. Hosszútávon pedig hozzájárul az izom növekedéséhez, és a metabolikus aktivitás fokozódásához. Megfigyelték, hogy hosszú időn keresztül fennálló magas cAMP szint az izomrostokban az izom tömegét növelte, azaz hypertróphiát okozott (Berdeaux R. és Stewart R., 2012). E tulajdonsága miatt állati modellekben jól felhasználható volt a cAMP izom dystrophia és atrophia, rákos senyvedés és sepsis kezelésében illetve denervációs sérülések gyógyításában. A megnövekedett cAMP szint eme jótékony hatásai miatt azon vegyületek kifejlesztése ígéretessé válhat gyógyszertani szempontból, melyek stimulálják a cAMP jeladást az izomban, és ezáltal elősegítik az izom regenerációját illetve adaptációját.

A cAMP ioncsatornákra gyakorolt hatása

Hipotézis és igazolása

A cAMP koncentrációjának emelése növeli a vázizom erejét. Ezen folyamat igazolásának céljából Reading és mtsai (2003) végeztek el egy kísérletet, melynek menetét röviden ismertetjük: Egérből származó m. soleus-t és m. extensor digitorum longus-t preparáltak ki, és ezeket a vizsgálathoz isoproterenol, illetve dcAMP jelenlétében készítették elő. Az isoproterenol a katekolaminok közé tartozó ß-adrenerg agonista hormonhatású anyag, a dcAMP (dibutyryl cAMP) egy membránpermeábilis cAMP-analóg vegyület, mely aktiválja a cAMP-dependens protein-kinázt. Ezeket a hatóanyagokat mind Krebs-Henseleit bikarbonát pufferben oldva, 27 °C-on alkalmazták. Az izmokat a kísérlet során egymás után 50-szer stimulálták, és minden stimuláció közt fél perc telt el. Ennek eredményeként izometriás tetániás összehúzódás jött létre. A kontrakciók hatására 25 perc után jelentős erőnövekedés volt tapasztalható az izompreparátumoknál. Amelynél isoproterenolt használtak, annál jelentős erőnövekedés következett be (m.soleus esetében megközelítőleg 2,5%-os, m.ext.dig.longus-nál kb. 13,8%-os). A dcAMP-kezelt minta is hasonló mértékű növekedést mutatott (m.soleus-nál 2,3%-os, és m.ext.dig. longus-nál 10,9%-os emelkedést tapasztaltak). Mindezekhez természetesen mintaként készíteniük kellett egy pusztán Krebs-Henseleit bikarbonát puffert tartalmazó kontrollt, melynek a kísérleti eredményei: m.soleus: 0,0% (maximum 0,2%-kal több), m.ext.dig.longus: -2,5%. Hogy a hipotézist alátámaszthassák vagy cáfolhassák, le kellett rántaniuk a leplet a Ca2+ izomban betöltött szerepének hatásáról. Erősítették, illetve gyengítették a sarcolemma L-típusú Ca2+-függő csatornáit Bay K-val, illetve diltiazem hidroklorid-dal (dilt). Ezt követően koffeinnel növelték, dantrolennel csökkentették a sarcoplasmaticus reticulumból a Ca2+-felszabadulást.

A dcAMP m.soleusba való adagolásának köszönhetően bekövetkező Ca2+-mozgósítás jelentős erőnövekedést eredményezett az izomban a kontrollal szemben (továbbra is csak a megközelítő adatok vannak feltüntetve) (kontroll: 2,3%; Bay K: 4,0%; dilt: 52,3%; caffeine: 2,3%; dant: 6,0%; dilt + dant: 55,0%). Szintén erőnövekedés volt tapasztalható a kontrollhoz képest, amikor ugyanezt a lépést a m.ext.dig.longus-szal is elvégezték (kontroll: 13,7%; Bay K: 17,0%; dilt: 170,0% caffeine: 23,0%; dant: 72,0%; dilt + dant: 54,0%). Ennélfogva igazolható, hogy a cAMP pozitív inotróp hatása fennáll az emlősök vázizmainak mind gyors, mind lassú összehúzódása esetén a Ca2+ SR-be áramlásának normál, és a megváltoztatott működése mellett is (Reading és mtsai, 2003).

Ionok szerepe az adaptációban

Feltételezhetően a cAMP-mediált protein-kináz befolyásolja bizonyos membrán transzporterek foszforilálását, aktiválását. Így a ciklikus adenozin-monofoszfátnak többek közt a Ca2+ SR membránon át történő transzportjában is közvetett szerepe van (3.ábra). A cAMP az erő visszanyerésében is szerepet játszik a membrántranszporterek stimulálásával. A salbutamol, mely ß(2)-receptor agonista, beindítja az anoxiás izmokban a Na+/K+ pumpa működését (Fredsted A. és mtsai, 2012). Így a cAMP indukálni képes az izom ingerelhetőségének visszanyerését. Az izomrostok újra ingerelhetővé válnak. A cAMP segítségével a ß(2)- agonisták csökkenthetik az oxigénhiány okozta izomgyengeséget. Itt a cAMP közvetítő szerepe a hormon és az ionpumpa között fontos tényező. Oxigénhiány mellett (anoxia) ezzel a mechanizmussal újra kontrakcióba hozható az izom, növelve így az izomterhelhetőséget. A folyamat adaptálja, edzi az izmot a kialakult szélsőséges körülményhez, az oxigénhiányhoz.

CREB

A CREB (cAMP response element-binding protein) ahogy a neve is mutatja, egy cAMP által mediált fehérje. A cAMP a protein-kináz rendszeren keresztül aktiválja a CREB-et, mely a DNS CRE elnevezésű szakaszához képes kötődni, és így bizonyos gének expresszióját tudja aktiválni (4.ábra). Kísérletek mutattak rá arra, hogy e cAMP mediált fehérjének igen nagy szerepe van az embrionális izom őssejtek differenciálódásában, és a felnőtt harántcsíkos izomrostok adaptációjában, túlélésében (Berdeaux R. és mtsai, 2011). Az elvégzett kutatások azt az eredményt hozták, hogy akut izomsérülés után, illetve regeneráció közben kiváltódik a CREB foszforilációja (aktiválódása) és a CREB által befolyásolt gének expressziója. Az aktivált CREB hatása megfigyelhető volt mind a miogén prekurzor sejtekben, mind a regenerálódó izomrostokban. Egy aktivált CREB mutánssal végeztek még kísérleteket, melynek hatására primer myocita tenyészetben myoblast sejtszaporulat indult meg, illetve korai miogén transzkripciós faktorokat tudtak izolálni a tenyészetből (Berdeaux R. és mtsai, 2011). E CREB mutáns hatásait vizsgálták még dystrophiás egereken, ahol azt tapasztalták, hogy hatására megindult az izmok regenerálódása. E kísérletek megmutatják a CREB fontosságát a harántcsíkos izom regenerációjában, melyben a CREB mediálásával a cAMP is fontos szerepet tölt be.

A cAMP - adenosin út

A cAMP mint intercelluláris jel egyszerre több folyamatot is irányíthat a harántcsíkos izomrostban. Ezek közül az egyik során a cAMP aktívan kipumpálható az extracelluláris térbe az izomsejtekből. (Chiavegatti és mtsai, 2008) Kísérletesen megfigyelték, hogy az extracellulárisan felhalmozódó cAMP mennyiség csökkenése összefüggésben van az extracelluláris adenozin koncentráció növekedésével. A cAMP effluxot és lebomlását megvizsgálták exogén cAMP-vel illetve forskolinnal (adenilát-cikláz serkentő) és isoprenalinnal (Béta receptor agonista) patkány harántcsíkos izmában. A használt anyagok mindegyike végső soron növelte az extracelluláris térben a cAMP koncentrációját, hiszen az exogén úton bejuttatott cAMP közvetlenül növeli a meglévő cAMP szintet a sejtben (hozzáadódik az addig meglévő cAMP mennyiséghez), míg a forskolin és az isoprenalin közvetetten. A forskolin az adenilát-cikláz aktiválásával, míg az isoprenalin a Béta-receptoron keresztüli adenilát-cikláz stimulációval növelte meg a cAMP szintet a sejten belül, mely ezután a cAMP efflux során az interstitium cAMP koncentrációját is megnövelte. Ezután az extracelluláris térben felhalmozódó cAMP-t és metabolitjait HPLC-vel meghatározták. Az eredmények azt mutatták, hogy az instertitiumban az 5’AMP és adenozin szint jelentősen megemelkedett mind az exogén cAMP adagolás hatására, mind a forskolinnal illetve az isoprenalinnal elvégzett reakció esetén. A metabolitok keletkezését szelektíven lehetett gátolni az ecto-foszfodiészteráz és ecto-nukleotidáz inhibitoraival (DPSPX és AMPCP-vel). A foszfodiészteráz és nukleotidáz bontják ugyanis a cAMP-t adenozin monofoszfáttá, majd adenozinná, így érthető hogy ezen enzimek gátlása esetén miért nem keletkeznek a metabolitok(illetve bizonyítja, hogy az adenozin cAMP-ből keletkezett a EC-ben,ugyanis ha más molekulából keletkezett volna, akkor nem lehetett volna ezen enzimek inhibitoraival gátolni a létrejöttét). Ezután a kutatók még egy kísérletet elvégeztek, ezúttal is patkányon, de ex vivo körülmények között. A patkány extensor izmán végzett kísérlet során is az adenilát-cikláz enzimet serkentették, és ezúttal is megfigyelhető volt a cAMP-adenozin út. E folyamatot probeneciddel lehetett gyengíteni,ugyanis ez az anyag az adenozin létrejöttét gátolja. Ezzel bebizonyították egy extracelluláris kaszkád létét, mely a cAMP-t alakítja át adenozinná (Chiavegatti és mtsai, 2008). Ez a cAMP-adenozin út. Szerepe azért van a harántcsíkos izom adaptációjában, mert egy viszonylag erős vasodilatátor anyag (Marshall, 2007), tehát a vázizom vérellátását javítja munkavégzés esetén (5.ábra).

Adott egy a példa: egy egyén nehéz fizikai munkát kezd végezni, ennek hatására a vérében megnövekszik az adrenalin mennyisége, ez az izomrostokban megnöveli az adenilát cikláz enzim aktivitását, minek hatására az intercelluláris cAMP szint növekszik. A cAMP-adenozin úton keresztül ez növeli az interstícium adenozin koncentrációját, az pedig vasodilatátor hatásánál fogva tágítja az izomi ereket, és ezáltal megnöveli az izom oxigénellátottságát, ami adaptációként fogható fel (más, az adenozin-cAMP úttól független intercelluláris utakon keresztül a cAMP növeli a kontrakció erejét is). Az izom típusától, az állatfajtól, a munkavégzés mértékétől függően az adenozin hozzájárulása a maximális áramláshoz válaszként a megnövekedett terhelésre körülbelül 20-40% (Marshall, 2007).

Áttekintés

A szervezetet az élet során nagyszámú külső és belső hatás éri, a testet befolyásoló tényezők igen gyakran megváltoznak, és a szervezet igyekszik ezekhez a megváltozott tényezőkhöz alkalmazkodni, a lehetőségekhez mérten az optimális módon működni, amit az adott változáshoz való alkalmazkodással ér el. A cAMP fontos szerepet játszik az izom adaptációjában, mint a környezeti változásokra válaszokat indító faktor. Munkánk során a cAMP ezen hatásainak a harántcsíkos izomrostokra vonatkozó paragrafusaival foglalkoztunk. Ezen különleges nukleotidnak a sokrétű enzimaktiváló szerepe hat a sejt különböző folyamataira. Mindezt mediátor mivoltának segítségével éri el: ioncsatornák működésének befolyásolásán, fehérjék szerkezetének módosításán, a glükóz anyagcserében betöltött szerepén és bizonyos gének expressziójában való közreműködésén keresztül. Ezeken felül sejten kívüli tevékenysége is említést érdemel, melynek során módosult molekulája befolyásolni képes az izomszövet vérellátását.

Felhasznált irodalom

S A Reading, C L Murrant, J K Barclay (2003): Increased cAMP as a positive inotropic factor for mammalian skeletal muscle in vitro, Canadian Journal of Physiology and Pharmacology 81(10): 986-996

Marshall JM (2007), The roles of adenosine and related substances in exercise hyperaemia, J Physiol 583: 835–845.

A Gödecke, Marshall (2008): cAMP: fuel for extracellular adenosine formation?, Br J Pharmacol. 153(6): 1087–1089.

T Chiavegatti, V L Costa Jr, M S Araújo, R O Godinho (2008): Skeletal muscle expresses the extracellular cyclic AMP–adenosine pathway, British Journal of Pharmacology Volume 153, Issue 6, pages 1331–1340

Randi Stewart, Lawrence Flechner, Marc Montminy, Rebecca Berdeaux (2011): CREB Is Activated by Muscle Injury and Promotes Muscle Regeneration, PLoS ONE 6(9): e24714 doi:10.1371/journal.pone.0024714

Berdeaux R. and Stewart R. (2012): cAMP signaling in skeletal muscle adaptation: hypertrophy, metabolism, and regeneration, Am J Physiol Endocrinol Metab. 303(1):E1-17.

Fredsted A, Gissel H, Ortenblad N, Clausen T. (2012): Effects of β₂-agonists on force during and following anoxia in rat extensor digitorum longus muscle, J Appl Physiol. 112(12):2057-67

cAMPizomAdaptacio (last edited 2012-12-02 20:36:28 by AJXBFA)