Guinguette Marais Poitevin

Charakterystyka sarkolemy

Anatomia sarkolemy może być zdefiniowana jako błona plazmatyczna komórki mięśniowej lub błona plazmatyczna włókna mięśniowego. Komórki mięśniowe są również znane jako włókna mięśniowe ze względu na ich długi, cylindryczny kształt.

Sarkolemma jest pokryta glikokaliksem. Jak definiujemy glikokaliks? Glikokaliks to powłoka pokrywająca błonę komórkową. Zbudowana jest z glikozaminoglikanów (GAG), proteoglikanów i innych glikoprotein, które składają się z kwaśnych oligosacharydów z kwasami sialowymi w pozycji końcowej. Białka związane z glikokaliksem funkcjonują jako białka transmembranowe, które pomagają połączyć błonę z cytoszkieletem komórki. Dzięki temu struktura błony jest bezpieczna i umożliwia transdukcję sygnałów między składnikami wewnątrzkomórkowymi i zewnątrzkomórkowymi.

Sarkolemma może być pobudzana elektrycznie, co prowadzi do aktywacji włókien mięśniowych przez sygnały z nerwów ruchowych. Sarkolemma zawiera drogi i kanały przewodzące jony, przez które sód, potas, wapń i chlor przepływają selektywnie i nieselektywnie.

Te drogi błonowe mogą się otwierać w odpowiedzi na określone cząsteczki (ligandy), przekaźniki lub w przypadku zmian napięcia. Sarkolemma wykorzystuje naturalnie zachodzące procesy regulacyjne, aby zamknąć te szlaki.

Tuż poza sarkolemmą, w kontakcie z glikokaliksem, znajduje się błona podstawna. Służy ona do zapobiegania dalszej dyfuzji elektrolitów, jak również do utrzymania wsparcia i kształtu włókien mięśniowych.

Sztuka sarkolemy

Czy sarkolemma jest tkanką łączną? Nie, nie jest tkanką łączną. Sarkolemma jest błoną plazmatyczną.

Sarkolemma jest opisywana jako posiadająca dwie warstwy. Pierwszą z nich jest błona plazmatyczna, która jest strukturą o podobnym składzie biochemicznym do ogólnej błony plazmatycznej występującej w komórkach eukariotycznych. Drugą warstwą jest glikokaliks, który jest w kontakcie z błoną podstawną. Błona podstawna jest bogata w włókna kolagenowe i białka, które umożliwiają włóknom mięśniowym przyleganie do niej. Cytoszkielet komórki mięśniowej, który składa się z dużej ilości białka aktyny, jest połączony z błoną podstawną poprzez białka transmembranowe w błonie plazmatycznej. Końce włókien mięśniowych łączą się z włóknami ścięgnistymi, które z kolei zbierają się w pęczki tworząc ścięgna mięśniowe. W ten sposób włókna mięśniowe przyczepiają się do kości.

W mięśniach znajdują się 3 warstwy tkanki łącznej. Są to epimysium, perimysium i endomysium. Najbardziej zewnętrzną warstwą tkanki łącznej otaczającej mięsień szkieletowy jest naskórek. Perimysium owija się wokół pęczków włókien mięśniowych (powięzi), a endomysium owija się wokół pojedynczych włókien mięśniowych. Jaka jest więc różnica między sarkolemmą a endomysium? Ważne jest, aby nie mylić tych terminów. Sarkolemma to błona komórkowa włókna mięśniowego, a endomysium to warstwa tkanki łącznej znajdująca się nad włóknem mięśniowym. Rysunek 2 przedstawia położenie 3 warstw tkanki łącznej.

Aby zrozumieć strukturę i funkcję sarkolemmy, musimy najpierw zrozumieć strukturę tkanki mięśniowej poprzecznie prążkowanej. W obrębie włókien mięśniowych, miofibryle znajdują się na długości komórki. Miofibryle można określić jako jednostki komórki mięśniowej zbudowane z uporządkowanych białek składających się na sarkomery. W każdym włóknie mięśniowym można znaleźć setki do tysięcy miofibryli.

Istnieją 2 rodzaje miofibryli, które składają się z grubych włókien lub cienkich włókien. Białko aktyna tworzy głównie cienkie filamenty wraz z białkami tropomiozyną i troponiną. Białko miozyna tworzy grube filamenty. Filamenty te zachodzą na siebie, tworząc wzory, które można oglądać pod mikroskopem (prążki).

Aktyna i miozyna są białkami zaangażowanymi w skurcz mięśni. Te cienkie i grube filamenty układają się w pasma znane jako pasma A i pasma I. „A” oznacza anizotropowy (ponieważ filamenty są silniejsze w jednym kierunku niż w drugim), a „I” oznacza izotropowy (ponieważ mają takie same właściwości fizyczne w każdym kierunku). Pasmo A zawiera strefę H, w której nie zachodzą na siebie cienkie i grube filamenty. Składa się ono wyłącznie z grubego filamentu i umożliwia skurcz mięśnia poprzez skracanie się.

Sarkomer jest jednostką strukturalną tkanki mięśniowej poprzecznie prążkowanej. Sarkomery są powtarzającymi się jednostkami, które występują pomiędzy każdą linią Z (lub tarczą Z). Linia Z stanowi granicę między każdym sarkomerem. Sarkomery składają się z miofibryli. Linia M znajduje się w centrum sarkomeru i jest miejscem przyczepienia grubych włókien. Linia M składa się z białek: miozyny, tytyny, obscuryny i obsl1. Rysunki 3 i 4 przedstawiają strukturę sarkomerów wskazując na różne filamenty i pasma.

Teraz przyjrzeliśmy się strukturze tkanki mięśniowej. Możemy zrozumieć więcej na temat błony plazmatycznej komórek mięśniowych. Jak wspomniano wcześniej, błona plazmatyczna włókna mięśnia szkieletowego nazywa się sarkolemma. Sarkolemma wnika w cytoplazmę komórki mięśniowej (sarkoplazmę). W ten sposób powstają kanaliki błoniaste, które przechodzą przez komórki mięśniowe. Nazywane są one kanalikami poprzecznymi (lub „kanalikami T”). Kanaliki T zawierają płyn pozakomórkowy, który jest bogaty w jony wapnia i sodu.

Wewnątrz włókien mięśniowych kanaliki T leżą w pobliżu powiększonych obszarów siateczki sarkoplazmatycznej, znanych jako cysterny końcowe. Dwa cysterny końcowe, znajdujące się po obu stronach tubuli T, znane są jako triada. W każdym włóknie mięśniowym znajdują się tysiące triad. Retikulum sarkoplazmatyczne znajduje się wokół miofibryli i składa się z połączonych błoną kanalików. Retikulum sarkoplazmatyczne pełni funkcję magazynu wapnia. Więcej informacji na temat funkcji sarkolemmy opisano szczegółowo poniżej. Rycina 5 przedstawia anatomiczne powiązania pomiędzy tubulami T, cysternami końcowymi i siateczką sarkoplazmatyczną, jak również mikroskopowy obraz triady.

Funkcja sarkolemmy

Jaka jest funkcja sarkolemmy? Jako błona komórki mięśniowej, sarkolemma funkcjonuje jako bariera pomiędzy częścią zewnątrzkomórkową i międzykomórkową komórek włókien mięśniowych. Może to robić, ponieważ błona jest lipidowa, dzięki czemu oddziela płyny przestrzeni wewnątrzkomórkowej i zewnątrzkomórkowej, a wodę przepuszcza tylko przez kanały akwaporynowe. Błona zawiera pompy jonowe, tak jak w innych błonach komórkowych w organizmie, pozwalając na tworzenie gradientów jonowych w celu wykorzystania ATP.

Część błony tubul T sarkolemy jest bardzo plastyczna i dlatego zapewnia stabilność podczas skurczu mięśnia. Badania wykazały również, że tubule T są zaangażowane w równowagę wodną i regulację objętości komórek, regenerację po zmęczeniu mięśni, jak również transport cząsteczek. Tubule T pełnią również ważną rolę w przekazywaniu potencjałów czynnościowych, co zostanie omówione później.

Struktura i budowa sarkolemmy są niezbędne do odbierania i przewodzenia bodźców. Podczas stanu spoczynku, sarkolemma utrzymuje wnętrze włókna mięśniowego na ujemnym potencjale w stosunku do płynu zewnątrzkomórkowego. Wypompowuje ona więcej jonów sodu niż pobiera jonów potasu. Dlatego sarkoplazma ma wyższe stężenie potasu, ale niższe stężenie sodu niż przestrzeń pozakomórkowa. Pod względem ładunku oznacza to, że wnętrze sarkolemy ma ładunek ujemny, a przestrzeń zewnątrzkomórkowa ma ładunek dodatni.

W sarkolemie znajdują się kanały sodowe bramkowane napięciem, pompy ATPazy sodowej i potasowej oraz pompy potasowe bramkowane napięciem. Te kanały i pompy są odpowiedzialne za utrzymanie ujemnego potencjału. Sarkolemma jest również półprzepuszczalna i umożliwia dyfuzję jonów w dół ich gradientów elektrochemicznych.

Co inicjuje potencjał czynnościowy w komórce mięśniowej?

Potencjał czynnościowy można opisać jako nagłą zmianę potencjału spoczynkowego błony. Neuroprzekaźnik acetylocholina (ACh) inicjuje kaskadę zdarzeń, gdy jest uwalniana z połączeń nerwowo-mięśniowych na przedsynaptycznych zakończeniach nerwowych. ACh wiąże się z receptorami na sarkolemmie, znanymi jako nikotynowe receptory acetylocholiny (nAChRs).

To wiązanie umożliwia przepływ sodu w dół gradientu stężenia, tworząc potencjał czynnościowy prowadzący do depolaryzacji włókna mięśniowego. Mówiąc prościej, różnica napięcia między wnętrzem sarkolemy a zewnętrzną częścią macierzy pozakomórkowej jest zmniejszana przez jony sodu przemieszczające się do wnętrza mięśnia i jony potasu przemieszczające się na zewnątrz.

Repolaryzacja błony następuje, gdy błona powraca do stanu spoczynku. Ze względu na dodatni ładunek wewnątrz błony, napięciowo bramkowane kanały sodowe zamykają się, a napięciowo bramkowane kanały potasowe otwierają się, ale tylko wtedy, gdy sarkoplazma osiągnie swój maksymalny ładunek dodatni. Dodatnio naładowane jony potasu mogą wtedy odpłynąć z powrotem do przestrzeni pozakomórkowej na zewnątrz komórki mięśniowej, co pozwala na zmniejszenie ładunku dodatniego i repolaryzację sarkolemy. Podczas repolaryzacji, a także krótko po niej, kanały sodowe muszą wrócić do stanu spoczynku i błona nie może być ponownie repolaryzowana. Okres ten nazywany jest okresem refrakcji. Rysunek 6 przedstawia kaskadę zdarzeń związanych z depolaryzacją sarkolemy.

Rysunek 6. Zdarzenia depolaryzacji w sarkolemmie. Credit: RPayne0216, Lecture Exam 3: steps in summary of events in generation and propagation of an action potential in a skeletal muscle fiber, from Quizlet.

Znaczenie T-tubul i triady

Potencjał czynnościowy przemieszcza się z sarkolemy w dół T-tubuli i do retikulum sarkoplazmatycznego. W tym samym czasie z cystern końcowych retikulum sarkoplazmatycznego stymulowane jest uwalnianie jonów wapnia. Jony wapnia wiążą się następnie z troponiną (kompleksem białek globularnych występujących w cienkich filamentach wraz z aktyną i tropomiozyną). Miejsca aktyny zostają odsłonięte i może nastąpić skurcz mięśnia. Potencjał czynnościowy można opisać jako falę odpływającą od złącza nerwowo-mięśniowego wzdłuż sarkolemy.

Komunikacja sygnału z sarkolemy do białek mięśniowych jest wspomagana przez jony wapnia. Włókna mięśniowe mogą szybko uwalniać i pobierać jony wapnia. Ponieważ długość miofibryli może wynosić od milimetra do centymetra, struktura triady łączy sarkolemmę z magazynami wapnia. Pomaga to przezwyciężyć ograniczenia przestrzenne związane z wykorzystaniem wapnia jako posłańca.

Komunikacja sygnału z sarkolemy do miofibryli w celu rozpoczęcia skurczu mięśnia jest znana jako sprzężenie wzbudzenie-skurcz (E-C). Termin ten został po raz pierwszy opisany przez Alexandra Sandowa w 1952 roku. T-tubule i siateczka sarkoplazmatyczna są kluczowe dla sprzężenia E-C. T-tubule przenoszą potencjał czynnościowy wzdłuż swojej powierzchni, powodując depolaryzację wnętrza komórki. W cysternach końcowych siateczki sarkoplazmatycznej znajdują się wysokie stężenia jonów wapnia.

Podczas gdy tubule T przewodzą potencjał czynnościowy, cysterny końcowe, które znajdują się w ich pobliżu, otwierają zależne od napięcia kanały uwalniające. Wydarzenia te umożliwiają dyfuzję wapnia do sarkoplazmy. Zwiększa to ilość wapnia, który jest dostępny do wiązania się z troponiną, co powoduje jej zmianę konformacyjną i przesunięcie tropomiozyny na filament aktyny. To odsłania miejsce wiążące miozynę na cząsteczkach aktyny.

Gdy stężenie wapnia jest wyczerpane, skurcz mięśnia ustaje. Poziom wapnia może zostać przywrócony do stanu spoczynku poprzez aktywny transport z powrotem do retikulum sarkoplazmatycznego. Stan spoczynku zapobiega skurczowi mięśnia poprzez zatrzymanie jonów wapnia w retikulum sarkoplazmatycznym i oddalenie ich od sarkoplazmy. Rysunek 7 przedstawia tę sekwencję zdarzeń.

Dysfunkcja sarkolemmy.

Choroby mięśni szkieletowych, które prowadzą do osłabienia i zwyrodnienia mięśni, mogą być spowodowane dziedzicznymi chorobami dystrofii mięśniowej. Są to postępujące zaburzenia, w których zdrowe włókna mięśniowe są zastępowane przez tłuszcz i zwłóknienia. Niewydolność oddechowa może również wystąpić, jeśli choroba dotyczy mięśni oddechowych.

Dystrofia mięśniowa Duchenne’a (DMD) jest jednym z takich przykładów i jedną z bardziej powszechnych form dystrofii mięśniowej. Występuje u mężczyzn i jest spowodowana mutacją w genie dystrofiny na chromosomie X. Dystrofia mięśniowa Beckera jest również spowodowana mutacjami w genie kodującym dystrofinę. Choroba ta ma późniejszy początek niż DMD.

Dystrofina jest białkiem występującym w sarkolemmie naprzeciwko sarkoplazmy. Funkcjonuje jako integrator cytoszkieletu, nadając błonie stabilność. Chroni komórki mięśniowe przed uszkodzeniami wywołanymi skurczem. Mutacje genetyczne kompleksu dystrofiny powodują osłabienie mięśni i dystrofię mięśniową.

Myasthenia gravis jest kolejną chorobą, która wpływa na sarkolemmę. Jest to choroba autoimmunologiczna, w której autoprzeciwciała są kierowane w stronę nAChRów na sarkolemmie. Przeciwciała te mogą blokować lub niszczyć te receptory. Prowadzi to do osłabienia mięśni, skrócenia oddechu, problemów z widzeniem, trudności w połykaniu i opadania powiek.

Biologiczne znaczenie sarkolemmy

Biologicznie, sarkolemma ma wiele funkcji i jest czymś więcej niż tylko błoną komórkową. Jak również umożliwia endo- i egzocytozę, sarkolemma działa jako bariera i łącznik z cytoszkieletem macierzy pozakomórkowej. Jest również izolatorem elektrycznym.

Jako złącze nerwowo-mięśniowe, funkcjonuje w celu propagacji potencjałów czynnościowych i jest zaangażowana w sprzężenie pobudzenie-skurcz. Ponadto, napływ wapnia przez sarkolemmę umożliwia jej naprawę i dalsze utrzymywanie funkcji bariery. W przypadku uszkodzenia błony dochodzi do napływu wapnia, który wyzwala egzocytozę pęcherzyków i ich fuzję, co prowadzi do powstania łaty w miejscu uszkodzenia (membrane patch). Rysunek 8 przedstawia ten proces. Nieprawidłowy przepływ wapnia może prowadzić do problemów z funkcjonowaniem włókien mięśniowych. Powoduje on zmiany w regulacji jonów w białkach mięśniowych. Uważa się, że nieprawidłowy przepływ wapnia może być zaangażowany w degradację włókien mięśniowych w dystrofii mięśniowej.

Znaczenie sarkolemy jako jednostki biologicznej podkreślają choroby, które powodują jej dysfunkcję.

• Al-Qusairi, L., Laporte, J.(2011). T-tubule biogenesis and triad formation in skeletal muscle and implication in human diseases. Skeletal Muscle 1, 26 . https://doi.org/10.1186/2044-5040-1-26
• Biga, L.M et al. Anatomy and Physiology – Skeletal Muscle. Oregon State University. https://open.oregonstate.education/aandp/chapter/10-2-skeletal-muscle/
• Calderón, J. C., Bolaños, P., & Caputo, C. (2014). The Excitation-Contraction Coupling Mechanism in Skeletal Muscle (Mechanizm sprzężenia ekscytacja-kontrakcja w mięśniach szkieletowych). Biophysical reviews, 6(1), 133-160. https://doi.org/10.1007/s12551-013-0135-x
• Definicja Sarkolemma. Histology@yale. http://medcell.med.yale.edu/cgi-bin/keyword.cgi?keyword=sarcolemma
• Różnica między A-band a I-band Sacromere, Comparison Tab. Łatwa lekcja biologii. https://www.easybiologyclass.com/difference-between-a-band-and-i-band-of-sarcomere-comparison-tab/
• Gao, Q. Q., & McNally, E. M. (2015). The Dystrophin Complex: Structure, Function, and Implications for Therapy. Comprehensive Physiology, 5(3), 1223-1239. https://doi.org/10.1002/cphy.c140048
• Katzemich, A., Kreisköther, N., Alexandrovich, A., Elliott, C., Schöck, F., Leonard, K., Sparrow, J., & Bullard, B. (2012). The function of the M-line protein obscurin in controlling the symmetry of the sarcomere in the flight muscle of Drosophila. Journal of cell science, 125(Pt 14), 3367-3379. https://doi.org/10.1242/jcs.097345
• Monne, H., et al. (2013). Structure of glycocalyx. BioPhysical Journal. (104)2. Suplement 1, 251a. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2012.11.1412
• Ohlendieck K. (2000-2013) The Pathophysiological Role of Impaired Calcium Handling in Muscular Dystrophy. In: Madame Curie Bioscience Database . Austin (TX): Landes Bioscience; https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK6173/
• Office of Communications and Public Liaison. (2020). Myasthenia Gravis Fact Sheet. National institute of neurological disorders and stroke. https://www.ninds.nih.gov/Disorders/Patient-Caregiver-Education/Fact-Sheets/Myasthenia-Gravis-Fact-Sheet
• Rivero, J. L., Piercy, R. J. (2008). Rozdział 2.1. Fizjologia mięśni, reakcje na ćwiczenia i trening. Equine Exercise Physiology. (2.1) 30 – 80.
• Valberg, S.J. (2008). Funkcja mięśni szkieletowych. Clinical biochemistry of domestic animals sixth Edition. (15) 459-484.
• Weisleder, N. Sarkolemma w zdrowiu i chorobie. Wydział Fizjologii i Biologii Komórki Davis Heart and Lung Research Institute. The Ohio State University. www.nationwidechildrens.org.

.