A cAMP szerepe harántcsíkos izom adaptációjában

cAMP általánosan

A Ciklikus Adenozin Monofoszfát (cAMP) a második hírvivő molekulák közé sorolható, azaz olyan hormonok hatásmechanizmusában vesz részt, 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.

.

• . 1.ábra A cAMP általános hatásmechanizmusa

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 a foszfodiészteráz enzim végzi adenozin monofoszfáttá.

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 a foszforilált fehérjékhez, mint hormonhatást indító szignál. A kináz aktívvá válik a cAMP által és elvégzi az 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).

.

• . 2.ábra A glikokén lebontása

Az előbbi glikogénmobilizáló folyamat, a foszforiláz-a foszfatáz enzimmel történő defoszforilálásával, és a cAMP mennyiségének foszfodiészteráz általi hidrolítikus bontásával állítható le, elősegítve a harántcsíkos izom glikogén raktárainak felhalmozását. A glikogén anyagcserében másik jelentős enzim a glikogén-szintetáz, amiglikogén felépítését végzi. Ezt az enzimet is a cAMP mediálta protein kináz foszforilálja (3.ábra). A glikogén szintézis beszüntetése szintén a foszfatáz enzimek, valamint a cAMP hidrolizálásával történik. A cAMP közvetett szerepe ezekben a kaszkádfolyamatokban igen fontos, mint intracellularis indító szignál. Ezen mediátor anyag mennyiségének változtatásávalbefolyásolhatók a vázizomzat glükóz anyagcsere-folyamatai.A két folyamat fontos a vázizom szénhidráttartalékainak felhalmozásában, és mobilizálásában is. Jelentős tényező a harántcsíkos izom tartalékolt glikogén szintje, mivel ennek mozgósításával nagy mennyiségű energiához jut az izomzat, elősegítve ezzel a terheléshez vagy stresszhez történő adaptációját.

.

• . 3.ábra A glikogén felépítése

Izomadaptáció

A harántcsíkos izom struktúrálisan igen szervezett, jelentős a szubcelluláris felépítése. A mozgató idegsejtek ingerlő hatása nyomán az izmok az előbbieknek köszönhetően képesek a mozgás kialakítására. E jólstruktúlátság 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. A cAMP a gyors adaptációhoz is hozzájárul izommunka esetén, és az izom növekedéséhez és metabolikus aktivitásának fokozódásához is hosszú távon. Megfigyelték, hogy hosszú időn keresztül fennálló magas cAMP szint az izomrostokban az izom tömegét növelte, azaz hypertróphiát okozott. (Berdeaux R. és Stewart R.) 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 igazolás

A cAMP koncentrációjának emelése növeli a vázizom erejét. Ezen folyamat igazolásának céljából Reading SA, Murrant CL és Barclay JK 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. Előbbi a katekolaminok közé tartozó ß-adrenerg agonista hormonhatású anyag, utóbbi egy membránpermeábilis cAMP-analóg vegyület. 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: megközelítőleg 2.5%-kal, m.ext.dig.longus: kb. 13.8%-kal, és a dcAMP-kezelt minta is hasonló eredményt mutatott: soleus: 2.3%, m.ext.dig. longus: 10.9%. 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 (Reading SA, Murrant CL, Barclay JK), 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.

*KÍSÉRLET.DOC. (4.ábra)

.

• . 4.ábra cAMP hatása az ioncsatornára

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 nevű szakaszához képes kötődni, és így bizonyos gének expresszióját tudja aktiválni (5.ábra). Kísérletek mutattak rá arra, hogy e cAMP mediálta fehérjének igen nagy szerepe van az embrionális izom őssejtek differenciálódásában, és a felnőtt harántcsíkos izomrostok adaptációjában, túlélésében. (Berdeaux R. és munkatársai) 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. Berdeaux R. és munkatársai 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. 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.

.

• . 5.ábra CREB

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 munkatársai, 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 (B 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 B-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 a cAMP-t és metabolitjait az extracelluláris térben 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 lehet 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. Ezután a kutatók még egy kísérletet végeztek el, 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. Chiavegatti és társai ezzel bebizonyították egy extracelluláris kaszkád létét, mely a cAMP-t alakítja át adenozinná. 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 (6.ábra).

.

• . 6.ábra cAMP-adenozin út 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)

Felhasznált irodalom

Reading SA, Murrant CL, Barclay JK: Increased cAMP as a positive inotropic factor for mammalian skeletal muscle in vitro. Department of Human Biology and Nutritional Sciences, University of Guelph, ON, Canada.

Berdeaux R, Stewart R.: cAMP signaling in skeletal muscle adaptation: hypertrophy, metabolism, and regeneration. Department of Integrative Biology and Pharmacology, University of Texas Health Science Center at Houston, Houston, TX, USA. Rebecca.berdeaux @ uth.tmc.edu

Fredsted A, Gissel H, Ortenblad N, Clausen T.: Effects of β₂-agonists on force during and following anoxia in rat extensor digitorum longus muscle. Department of Biomedicine, Aarhus University, Denmark. af @ fi.au.d

A Gödecke, Marshall (2007), Chiavegatti et al. (2008: cAMP: fuel for extracellular adenosine formation? Br J Pharmacol. 2008 March; 153(6): 1087–1089. Published online 2008 February 11. doi: 10.1038/bjp.2008.7

Chiavegatti T, Costa VL Jr, Araújo MS, Godinho RO: Skeletal muscle expresses the extracellular cyclic AMP-adenosine pathway. Department of Pharmacology, Universidade Federal de São Paulo-Escola Paulista de Medicina, Rua Três de Maio, São Paulo, SP, Brazil.

Stewart R, Flechner L, Montminy M, Berdeaux R.: CREB is activated by muscle injury and promotes muscle regeneration. Department of Integrative Biology and Pharmacology, University of Texas Health Science Center at Houston, Houston, Texas, United States of America.