OlehRozi Abdullah

Pembimbing : Prof. dr. Frans D. Suyatna, Ph.D, SpFK

Mekanisme Kontraksi Jantung

EXCITATION-CONTRACTION COUPLING

EXCITATION-CONTRACTION COUPLINGMerupakan potensial aksi otot jantung yang memicu kontraksi otot jantung melalui suatu proses.

Dimulai ketika potensial aksi mendepolarisasi sarcolema dan diakhiri dengan ikatan Ca2+ dengan troponin C.

Mekanisme Ca2+ memasuki sel untuk mencapai protein kontraktil difusi lambat (short diffusion path).

Proses stimulasi listrik sehingga menghasilkan peningkatan kalsium intraseluler yang cukup peningkatan interaksi aktin dan myosin memperpendek panjang sel miokard kontraksi

Sumber Ca utama pelepasan dari retikulum sarkoplasma (SR)

Tiap denyut jantung potensial aksi menyebar ke seluruh permukaan sel miokard ke T-tubulus eksitasi menyebar ke bg dalam setiap sel miokard.

Sistolik jantung dimulai ketika potensial aksi mendepolarisasikan sarkolemma. Tahap akhir adalah adanya kalsium utk berikatan dg troponin C, reseptor Ca²⁺ di protein kontraktil jantung. Proses kompleks ini disebut excitation-contraction coupling

Onset kontraksi yg cepat secara luas, dimungkinkan dg adanya cadangan intraselular sehingga Ca²⁺ dapat mencapai tempat ikatannya dengan troponin C dg jalur difusi yg pendek

SarkolemmaKontraksi jantung diawali ketika potensial aksi mendepolarisasikan sarkolemma

Selama diastol sarkolemma permeabel terhadap kalium, tetapi tdk permeabel terhadap kalsium dan natrium

Fase awal depolarisasi cepat disebabkan oleh arus ke dalam yg cepat yg dibawa oleh ion natrium. Pd saat ini permeabilitas kalium menurun tajam

Potensial aksi berakhir ketika membran kembali menjadi tdk permeabel terhadap natrium

Potensial aksi skrg memperlhtkan arus ke dalam yg lambat yg berhubungan utamanya dg kalsium influks. Menuju akhir potensial aksi jantung, sarkolemma kembali menjadi tdk permeabel thd kalsium dimana permeabilitas kalium ↑ ke level tinggi diastolik

Pompa natriumSarkolemma mengandung sejumlah sistem transport ion yg mempertahankan komposisi seluler. Salah satunya adalah pompa natrium

Sejumlah kecil natrium masuk sel selama depolarisasi dan untuk mengembalikan potensial istirahat membran sejumlah kecil kalium hilang dr sel pd akhir sistol. Meskipun jumlah pertukaran natrium utk kalium kecil, mekanisme ini harus ada utk memulihkan komposisi sel pada akhir tiap2 sistol

Tugas ini diselesaikan oleh pompa natrium, dimana pertukaran natrium utk kalium diselesaikan oleh enzim yg tergantung ATP. Energi dibutuhkan karena natrium dan kalium bergerak melawan gradien konsentrasi

Sacrotubular networkStruktur ini bertanggung jwb terhadap pemindahan kalsium dr troponin→otot relaksasi

Tiga syarat utama utk sistem yg memerantarai excitation-contraction coupling:a.kemampuan utk menyimpan sejmlh kalsium yg cukup utk mengaktifkan troponin di otot jantungb.kemampuan utk mengangkut kalsium dg cepatc.afinitas tinggi thd kalsium utk membiarkan retikulum sarkoplasma memindahkan kalsium dari ikatannya yg kuat dg troponin C

MitokondriaAfinitas kalsium di pompa kalsium mitokondria rendah dan kecepatan angkut kalsium ke tingkat fisiologis kalsium intraselular sangat lambat

Mitokondria memegang peranan penting dlm mengatur aliran kalsium yg terlibat dlm excitation-contraction coupling

Transpor kalsium di mitokondria membantu relaksasi miokard ketika konsentrasi kalsium intrasel menjadi sangat tinggi

Aliran kalsium selama excitation-contraction couplingDi kedua otot jantung dan rangka tempat dimana kalsium dilepaskan utk memulai kontraksi tdk sama dg kation ini waktu diangkut pd proses yg bertanggungjwb utk relaksasi

Sacrotubular network mewakili tempat relaksasi yg mengakhiri sistole dg melepaskan kalsium dr troponin C. Ini dikerjakan oleh pompa kalsium ygtergantung ATP, yg memiliki afinitas thd Ca²⁺ cukup tinggi shg pompa tsb dapat memompa kalsium ke dlm sacrotubular network dan dg begitu menurunkan konsentrasi Ca²⁺ sitosol ke level yg menyebabkan Ca²⁺ menjadi terpisah dr troponin C

kalsium influks melewati sarkolemma: arus ke dalam yg lambatKalsium dlm jmlh kecil tapi penting yg memasuki sel miokard dari cairan ekstraselular memberikan peningkatan terhadap arus ke dalam yg lambat yg terjadi selama fase sistolik.

Aliran kalsium yg dapat memodulasi kontraktilitas miokard

Aliran kalsiumDari Ke Kemungkinan

diperantarai oleh

Mekanisme

Extracellular space

Intracellular space

Sarkolemma Arus ke dalam lambat; elektrogenik

Intracellular space

Extracellular space

Sarkolemma Perubahan natrium kalsium; nonelektrogenik

Intracellular pool

Troponin C Retikulum sarkoplasma

Difusi pasif

Troponin C Intracellular pool

Retikulum sarkoplasma

Pompa kalsium tergantung ATP

Kalsium efluks melewati sarkolemma: pertukaran natrium-kalsiumKalsium masuk ke miokard selama potensial aksi mengindikasikan bahwa harus ada mekanisme utk memompa kalsium keluar dari sel

Kalsium efluks ini melawan konsentrasi dan gradien elektrik, sehingga membutuhkan energi dan ini diperantarai oleh pompa yg tergantung ATP

Lebih dr 80% kalsium efluks memerlukan natrium atau kalsium ada di luar sel, dan normalnya sebagian besar kalsium efluks mewakili pertukaran dari kalsium internal ke natrium eksternal

Pelepasan kalsiumPada otot skelet aktivator kalsium dilepaskan dr intraselular ke retikulum sarkoplasma

Ion kalsium dapat berperan sebagai pemicu yg menyebabkan retikulum sarkoplasma melepaskan kalsium ke protein kontraktil – influks sejumlah kecil kalsium dari activator pool telah dikemukakan menyebabkan pelepasan sejumlah besar kalsium dari retikulum sarkoplasma. Pelepasan kalsium dr intracellular pool yg besar dapat memberikan cukup aktivator kalsium utk berikatan dg troponin dan mengadakan kontraksi

Pergeseran kalsium oleh retikulum sarkoplasmaKarakteristik fungsi kontraktil miokard tdk hanya oleh pelepasan kalsium utk mulainya sistolik jantung tp juga oleh kecepatan pergeseran kalsium dr sitosol

Transport kalsium dipengaruhi oleh retikulum sarkoplasma

RESPON TERHADAP ION CALCIUM (2)Active Sarcomere:Ikatan Ca2+pada troponin C interaksi antara protein pada filamen tipis menurunkan afinitas troponin I dengan actin tropomyosin bergeser ke sentral actin strand pada filamen tipis terjadi interaksi antara myosin cross-bridges dengan actin.

RESPON TERHADAP ION CALCIUM

Ion Ca2+ berikatan dengan troponin C menghilangkan efek inhibisi proteinproses kontraksi

Memerlukan adanya kompleks troponin pada filamen tipis.

Resting Sarcomere:Troponin kompleks (I, C, T) berikatan dengan tropomyosin pada perifer actin strand pada filamen tipis tidak terjadi interaksi antara myosin cross-bridges dengan actin.

BASIS KIMIA UNTUK KONTRAKSI JANTUNG (1)

Proses kontraksi dihasilkan dari interaksi antara actin, myosin, ATP, ADP dan P,

Aksi Myosin Cross-BridgeFungsi ATP pada proses kontraksi relaksasi sistem actomyosin.

BASIS KIMIA UNTUK KONTRAKSI JANTUNG (2)

Mekanisme reaksi kontraksi protein menggunakan ATP:Ikatan ATP-MyosinMyosin + ATP myosin―ATP

Hidrolisis ikatan myosin―ATPMyosin―ATP myosin―ADP

Pi

Pembentukan kompleks actomyosin aktifActin + myosin―ADP (actin-myosin―ADP)(active complex)

Pi Pi

Mechanochemical transduction(actin-myosin―ADP)(active complex)(actin-myosin---ADP)(rigor

complex) Pi Pi

Pelepasan produk hidrolitik(actin-myosin---ADP)(rigor complex) (actin-myosin)(rigor

complex)+ ADP + Pi

Pi

SARCOLEMA (1)Propagasi potensial aksi

Awal kontraksi jantung potensial aksi mendepolarisasi sarcolema.

Potensial aksi disebabkan oleh perubahan ionik yang ditentukan oleh permeabilitas sarcolema jantung.

Mekanisme:(Diastole) Sarcolema sangat permeable terhadap K namun impermeable terhadap Na dan Ca “fast inward current” oleh Na potensial aksipermeabilitas K ↓ influx Ca kontraksi.

SARCOLEMA (2)Kontrol Ca flux melalui sarcolema

Dengan pompa Na pertukaran Na-K dilakukan oleh ATP-dependent enzyme =Na-K-ATPase

Reaksi Na-K-ATPase:Pembentukan kompleks ATP-enzymeKonversi kompleks ATP-enzyme menjadi phosphorylated enzyme dengan Na+ dan Mg2+.

Konversi phosphorylated enzyme ke tingkat energi yang lebih rendah dengan adanya Mg2+.

Pemecahan phosphorylated enzyme dengan K+

TRANSVERSE TUBULAR SYSTEMPerbedaan t-tubular system sel otot jantung dengan sel otot rangka

t-tubular system in skeletal

muscle

t-tubular system in myocardium

The junctions between A- and I-bands

Connecting adjancent sarcomere

Diameter smaller Diameter larger

TRANSVERSE TUBULAR SYSTEM (2)

Transmisi potensial aksi ke interior selPropagasi potensial aksi ke t-tubulus fasilitasi aktivasi struktur dengan cepat dalam sel otot.

Potensial aksi yang turun melalui t-tubulus dapat mempercepat aktivasi interior sel karena konduksi potensial aktif sangat cepat dibandingkan difusi zat aktivator.

SARCOPLASMIC RETICULUMTerdiri dari Subsarcolemmal Cisternae dan Sarcotubular Network.

Subsarcolemmal Cisternae ditemukan pada di bawah Sarcolemma dan sepanjang t-tubular system.

Sarcotubular Network terdapat pada sekeliling protein kontraktil dalam pusat Sarcomere.

Bila sarcolemma berhubungan dengan t-tubular sytem sarcoplasmic reticulum menjadi “flatened saccular structure” dimana membran sarcoplasmic reticulum dan t-tubular system saling berhadapan dan paralel = DYADS.

MITOCHONDRIAMemiliki kemampuan untuk mengambil Ca dalam jumlah besar peranan mitochondria dalam transport Ca.

Peranan mitochondria tidak essential untuk excitation-contraction-coupling karena prosesnya lebih cepat pada otot yang sama sekali tidak memiliki mitochondria.

Mitochondria dapat membantu otot jantung untuk relaksasi bila konsentrasi ion Ca intraseluler sangat tinggi dengan cara memasukkan Ca2+ dari sitosol ke mitochondria (buffer)

PROTEIN LOKASI BM JUMLAH KOMPONEN

PERANAN UTAMA

Miosin Filamen Tebal

500,000

2 rantai berat; 4 rantai ringan

Hidrolisis ATP; interaksi dengan aktin

Aktin Filamen Tipis

42,000 1 Aktivasi ATPase miosin; interaksi dg miosin

Tropomiosin

Filamen Tipis

70,000 2 Modulasi interaksi aktin-miosin

Troponin C

Filamen tipis

17,000 1 (mengandung 4 domain EF-hand)

Ikatan dg Ca

Troponin I

Filamen tipis

30,000 1 Inhibisi interaksi aktin-miosin

Troponin T

Filamen tipis

38,000 1 Mengikat kompleks troponin ke filamen tipis

Filamen tipis terdiri dari tiga jenis protein ( Gambar 2 ) .

aktin ,tropomiosin , dantroponinAktin adalah protein globular diatur sebagai rantai unit berulang , membentuk dua untai dari helix alpha .

Interdigitated antara helai aktin adalah protein berbentuk batang disebut tropomiosin . Ada 6-7 molekul aktin per tropomyosin . Melekat pada tropomyosin secara teratur adalah kompleks troponin .

Kompleks Protein

Regulator

Troponin terdiri dari 1. troponin - T (TN-T) , yang melekat pada tropomyosin tersebut ;2. troponin - C (TN-C) , yang berfungsi sebagai tempat pengikatan Ca2+ selama eksitasi - kontraksi kopling ( empat Ca2+ dapat diikat per TN-C) ; 3. dan troponin - I (TN-I) , yang menghambat tempat pengikatan myosin pada aktin .

Ketika Ca2+ mengikat TN - C , ada perubahan konformasi di kompleks troponin sehingga TN -I bergerak menjauh dari situs pengikatan myosin pada aktin , sehingga memberikan akses untuk kepala myosin . Ketika Ca2+ akan dihapus dari TN - C , kompleks troponin posisi tidak aktif , sehingga dapat menghambat ikatan myosin - aktin.

TN –I penting dalam praktek klinis penanda diagnostik untuk infark miokard ( dilepaskan ke dalam sirkulasi bila miosit mati )

Mekanisme Kontraksi Jantung1. Sinyal listrik masuk ke dalam sel saraf yang menyebabkan

sel saraf mengeluarkan sinyal kimia (neurotransmiter) di celah (sinapsis) antara sel saraf dan sel otot.

2. Sinyal kimia memasuki sel otot dan berikatan langsung dengan protein reseptor yang ada di membrane plasma sel otot (sarkolema) dan menimbulkan potensial aksi di sel otot.

3. Potensial aksi yang terjadi ini menyebar ke seluruh bagian sel otot dan masuk ke sel melalui T-tubule.

4. Potensial aksi membuka gerbang bagi tempat penyimpanan kalsium (sarcoplasmic reticulum).

5. Ion Ca2+ bergerak ke sitoplasma sel otot (sarkoplasma) tempat di mana aktin dan miosin berada.

6. Ion kalsium berikatan pada molekul troponin-tropomiosin yang terletak di daerah lekukan filamen aktin. Biasanya molekul tropomiosin melilit aktin di mana miosin dapat membentuk crossbrigdes.

7. Saat berikatan dengan ion kalsium, troponin mengubah bentuk dan menggeser tropomiosin keluar dari lekukan aktin, memperlihatkan ikatan aktin-miosin.

8. Miosin berinteraksi dengan aktin melalui putaran crossbrigdes. Dan kemudian otot berkontraksi, menghasilkan tenaga dan memendek.

9. Setelah potensial aksi lewat gerbang Ca2+ menutup kembali, Ca2+ yang ada di retikulum sarkoplasma akhirnya dilepaskan dari sarkoplasma.

10.Saat itu juga troponin kehilangan konsentrasi Ca2+.11.Troponin kembali ke posisi semula dan tropomiosin

kembali melilit ikatan aktin-miosin di filamen aktin.12.Karena tidak terbentuknya site di mana terjadi ikatan

aktin-miosin, maka tidak ada crossbridges yang terbentuk dan otot kembali rileks.

Semua aktivitas kontraksi dan relaksasi memerlukan energi. Otot menggunakan energi dalam bentuk ATP. Energi dari ATP dipakai untuk mengulang kembali dari awal kepala crossbridges miosin dan melepaskan filamen aktin. Dan untuk menghasilkan ATP, otot melakukan hal berikut:

Memecah fosfokreatin (bentuk penyimpanan fosfat berenergi tinggi) dan menambahkan fosfat pada ADP untuk membentuk ATP.

Melakukan respirasi anaerob, menghasilkan asam laktat dan membentuk ATP.

Melakukan respirasi aerob, memecah glukosa, lemak, dan protein dalam suasana O2 menghasilkan ATP.4