Excitation and contraction of smooth muscle

Smooth muscle Important component of many organ systems: GI Ureters, uterus Respiratory system - bronchi Blood vessels Not under voluntary control. Multiple ways of regulation of activity. Glatki mišić u raznim organskim sustavima formira slojeve unutar stijenke šupljih organa i raspodijeljen je duž njihove čitave cirkumferencije u raznim smjerovima. Kontrakcija ili relaksacija glatkog mišića mijenja njihov promjer i mijenja npr. otpor protoku zraka, toku krvi i u probavnom sustavu sudjeluje u miješanju hrane i propulziji.

Types of smooth muscle Multi-Unit Unitary (syncytial or visceral) ciliary muscle and iris muscle of the eye, piloerector muscle Unitary (syncytial or visceral) Multi-unit –each fiber works independently, and innervated by a single nerve ending. Cells are physically separated by the basement-membrane-like substance. In unitary smooth muscle, the cells are closely attached and electrochemically connected through gap junctions.

Physical structure of smooth muscle Contractile unit similar as in skeletal muscle – but no such regularity. Sidepolar arrangement of myosin heads (in skeletal muscle bipolar) Dense bodies instead of Z-discs. Gap junctions omogućuju električnu i kemijsku povezanost. Oni predstavljaju spojeve među stanicama kroz koje mogu slobodno prolaziti ioni i molekule male molekularne mase. Oni omogućuju slobodno širenje akcijskog potencijala iz jedne stanice u drugu. aktinske i miozinske niti (više aktina nego u skeletnom mišiću, manje miozina) pričvršćene na dense bodies (poput Z-ploča) nema pravilne organizacije u sarkomere  nema poprečnih pruga aktinske niti ne sadrže troponin.

Physical structure of smooth muscle Coupling of cells: dense bodies (physical) gap junctions (electrochemical) Gap junctions omogućuju električnu i kemijsku povezanost. Oni predstavljaju spojeve među stanicama kroz koje mogu slobodno prolaziti ioni i molekule male molekularne mase. Oni omogućuju slobodno širenje akcijskog potencijala iz jedne stanice u drugu. aktinske i miozinske niti (više aktina nego u skeletnom mišiću, manje miozina) pričvršćene na dense bodies (poput Z-ploča) nema pravilne organizacije u sarkomere  nema poprečnih pruga aktinske niti ne sadrže troponin.

Regulation of contraction by Ca2+ ions

Smooth muscle cross-bridge cycling Cross-bridge cycle in smooth muscle is slower than in skeletal muscle. Due to slower ATP-ase activity of myosin head. Porast intracelularnog Ca2+ uzrokuje vezanje Ca2+ za kalmodulin. Kompleks Ca-kalmodulin uzrokuje aktivaciju miozin-kinaze koja fosforilira miozin i omogućuje njegovo vezanje za aktin i početak ciklusa poprečnih mostova. Ciklus će trajati (ponavljati se) sve dok razina Ca ne padne toliko da se miozin–kinaza inaktivira. Miozin fosfataze iz citoplazme tada defosforiliraju miozin i onemogućuju daljnje odvijanje ciklusa i prestanak kontrakcije. Zbog toga što početak kontrakcije ide preko posrednika (miozin-kinaza) a ne ide direktnim vezanjem Ca2+ za troponin, za početak kontrakcije u glatkom mišiću je potrebno više vremena nego u skeletnom mišiću. Iako cross-bridge cycle je sličan ciklusu poprečnih mostova iz skeletnog mišića postoji bitna razlika u dinamici: ciklus u glatkom mišiću je znatno sporiji (sporija ATP-azna aktivnost miozinske glavice). To ima više važnih posljedica: Nakon podražaja za kontrakciju, vrhunac kontrakcije se postiže znatno sporije nego u skeletnom mišiću. sporost kontrakcije i relaksacije. Zbog sporosti ciklusa, faza povezanosti između aktina i miozinske glavice traje znatno duže, što ima za posljedicu da se određena razina kontrakcije stanice može održavati uz znatno manju potrošnju ATP-a.  manja potrošnja energije i veća sila kontrakcije

Comparison of smooth muscle to skeletal muscle contraction Slow cycling of myosin bridges (1/10 to 1/100 of skeletal muscle). Fraction of time the cross-bridges remain attached to actin is long  low energy requirement for contraction. Slowness of onset of contraction and relaxation (30 x longer than skeletal muscle). Maximum force of contraction greater than skeletal. “Latch” mechanism: sustained muscle contraction with little use of energy.

“Latch” mechanism slabiji porast Ca2+ kod produljene stimulacije  slabija aktivacija miozin-kinaze  defosforilacija miozinske glavice fosfatazom dok je spojena za aktin  usporenje ciklusa  manja potrošnja ATPa uz održanje kontrakcije

“Latch” mechanism slabiji porast Ca2+ kod produljene stimulacije  slabija aktivacija miozin-kinaze  defosforilacija miozinske glavice fosfatazom dok je spojena za aktin  usporenje ciklusa  manja potrošnja ATPa uz održanje kontrakcije

Control systems of smooth muscle Za razliku od skeletnog misica, u glatkome misicukontrakciju moze izazvati vise razlicitih vrsta podrazaja. Zivcani podrazaji dolaze iz autonomnog zivcanog sustava (simpatikus I parasimpatikus) i pojedini glatki misici imaju receptore I mogu reagirati na obje vrste podrazaja. Hoce li njihova reakcija biti kontrakcija ili relaksacija ovisi o vrsti receptora. Neuromuskularni spoj nije tako dobro organiziran kao u skeletnim misicima. Neurotransmiteri se otpustaju iz prosirenja zivcanih zavrsetaka (varikoziteti). U visejedinicnim misicima, svaka misicna stanica ima dodirni spoj sa zivcem gdje sinapticka pukotina nije velika (slicno kao u skeletnom misicu). DOk u jednojedinicnom misicu, varikoziteti su udaljeniji od misicnih stanica, gdje se neurotransmiter otpusta u izvanstanicnu tekucinu i difundira do stanica (difuzni spoj), te svaka misicna stanica nema dodira sa zivcem. Ekscitacija se tada siri od stanice do stanice kroz gap junctions. Bez obzira na vrstu podrazaja, da bi doslo do kontrakcije,mora doci do porasta Ca u stanici.

Regulation of contraction Contraction/relaxation can be elicited by: Neural stimuli (autonomic nervous system) Hormones (adrenalin, vasopresin, ACh, angiotensin, oxitocin, histamin) i local factors (pO2, pCO2, H+) Mechanical stimulus (strech stress relaxation) Spontanous rhythmicity (pacemaker)

Membrane potential and contraction Akcijski potencijali se javljaju uglavnom u jednojedinicnom misicu, dok za visejedinicni misic ne treba akcijski potencijal. AKcijski potencijali mogu nastati nekim vanjskim podrazajem koji otvara Na ili Ca kanale i dovodi do lokalne depolarizacije I ekscitacije stanice na akcijski potencijal (prvi primjer). U nekim glatkim misicima postoji ritmicka djelatnost (pacemaker), gdje spontane depolarizacije (ritam sporih valova) dovode do okidanja akcijskih potencijala I kontrakcije. Ritam soporih valova je izazvan promjenama aktivnosti Na/K pumpe-smanjena aktivnost depolarizacija (primjer glatki misic u crijevnoj stijenci). U nekim slucajevima istezanje moze dovest I do depolarizacije i Izazivanja akcijskih potencijala I kontrakcije (crijeva). Primjer 3: kontrakcija bez akcijskih potencijala (visejedinicni misic I

Ca2+ and contraction

Ca2+ and contraction Smooth muscle contraction is dependent on extracellular Ca2+ ion concentration Cellular entry of extracellular Ca2+ via: Opening of voltage-gated Ca2+ channel (action potential) Opening of ligand-gated Ca2+ channel (no action potentials) Diffusion of Ca2+ to all intracellular contractile proteins 50x longer latent period than in skeletal muscle.

Ca2+ and contraction Some smooth muscle cells have more developed SR. Faster contraction after excitation.

Latch mechanism slabiji porast Ca2+ kod produljene stimulacije  slabija aktivacija miozin-kinaze  defosforilacija miozinske glavice fosfatazom dok je spojena za aktin  usporenje ciklusa  manja potrošnja ATPa uz održanje kontrakcije