Post mortem

Elävien lihasten elämä on jatkuvaa jäykistymistä ja rentoutumista. Kuoleman tultua lihaksistossa koittaa "viimeinen ponnistus", kun jäykkyys valtaa koko kehon asteittain. Ilmiö tunnetaan nimellä rigor mortis, kuolonkankeus.

Rigor mortis on kuolleisiin eläimiin ja ihmisiin iskevä lihasjännityksen aalto, joka on kaloilla ohi muutamassa tunnissa, ihmisillä 3-4 vuorokaudessa. Ihmisillä kuolonkankeus alkaa sydämestä ja palleasta jo 1/2-2 tunnin kuluttua kuolemasta ja saavuttaa suuret alaraajojen lihakset 6-8 tunnin kuluttua. Kuolonkankeus vaikuttaa myös ihmisen ihon karvankohottajalihaksissa, mikä mikä tekee ruumiin ihosta kananlihamaisen.

Varsinkin ympäristön lämpötila ja liikunto ennen kuolemaa (ATP:n määrä lihaksissa on tällöin pienempi) vaikuttavat kuolonkankeuden syntymis- ja häviämisnopeuteen. Oikeuslääketieteessä kuolonkankeus yksinään ei luotettavasti kerro kuolinaikaa, johtuen juuri olosuhteiden suuresta vaikutuksesta kankeuden kehittymiseen. Ilmiötä voidaan kuitenkin käyttää kuolinajan suurpiirteiseen arviointiin ja kuolinasennon selvittämiseen. Tämä siksi, että kuolonkankeus kehittyy aikaisemmin ylempänä olevissa ruumiinosissa.

Kuolonkankeudella on merkitystä etenkin lihan ja kalan valmistamisessa. Teurastettuja ruhoja riiputetaan, kunnes kuolonkankeus on ohi. Vasta tämän jälkeen lihaa voi alkaa valmistaa elintarvikkeiksi. Riiputus nopeuttaa kankeuden laukeamista venytyksen ansiosta. Kalan kuolonkankeus kestää selvästi vähemmän aikaa kuin lihan, mutta esimerkiksi juuri pyydettyjä lohikaloja kannattaa riiputtaa 1-2 tuntia ennen ruoaksi valmistamista. Kuolonkankeus heikentää oleellisesti lihan leikattavuutta ja huonontaa kankeana paistetun kalan mureutta ja makua.

Kuolonkankeuden lihasjännitystila vastaa normaalissa lihastyössä syntyvää jännitystä. Rigor mortiksen syntymekanismin ymmärtämiseksi onkin ensiarvoisen tärkeää tietää lihaksen supistumisen ja rentoutumisen biokemialliset reaktiot.

Lihaksen sisin

Kuva 1: Lihaksen rakenne. A. Lihas, josta erottuu lihassyykimppu ja edelleen yksi lihassyy. Kutakin näistä rakenteista ympäröi sidekudostuppi. B. Lihassyy n. 120-kertaisessa suurennoksessa. Huomaa poikkijuovaisuus. C. Suurennos lihassyystä, josta erkanee yksi myofibrilli. D ja E. Myofibrillissä on peräkkäin sarkomeereja. Sarkomeerin alku- ja loppupäätyä kutsutaan mikroskopiassa Z-linjoiksi. Ohuet aktiinifilamentit ulottuvat aina puolittain kahden sarkomeerin alueelle. Aktiinisäikeet ovat isotrooppisia tasopolaroidulle valolle (ks. Seepia 2), joten vaalealla alueella yksin erottuvia aktiinijuovia sanotaan I-juoviksi. Tummalle alueelle ulottuvat paksut myosiinifilamentit (A, anisotrooppinen)). H-alue, jolla on myosiinia mutta ei aktiinirihmoja, näkyy mikroskoopissa harmaana. -alueen keskellä näkyy M-linja, joka on myosiinifilamenttien keskikohta. F. Lihassupistuksessa sarkomeeri ja nimen omaan sen H- ja I-alueet lyhenevät.

Lihaskudoksessa on punaisia eli hitaita lihassyitä ja valkoisia eli nopeita lihassyitä, joiden energiatalous poikkeaa toisistaan (ks. Maitohappoa ääritilassa, s. 38). Lihassyyn eli lihassolun paksuus vaihtelee välillä 10-100 mikronia Lihassyyt yhtyvät pinnastaan ja päistään sidekudokseen, joka edelleen kiinnittyy luihin. Lihassupistuksen ja rigor mortiksen mekanismit on parhaiten selvitetty poikkijuovaisten luustolihasten osalta, joita siksi käsittelemme tässä lihassoluina.

Lihassyyssä on satoja tai tuhansia fibrillejä, ohuita säikeitä. Nämä fibrillit sisältävät puolestaan kukin n. 2500 myofilamenttia[1]. Filamentit ovat pitkiä polymeerimolekyylejä, joita on kahdenlaisia: ohuita aktiinifilamentteja ja paksumpia myosiinifilamentteja. Nimenomaan aktiini ja myosiini ovat lihassupistuksen aiheuttajat.

Poikkijuovaisessa lihassyyssä voidaan mikroskoopilla nähdä raitakuviointi, joka aiheutuu myofilamenttien sijainnista säännöllisesti vierekkäin. Tummat ja vaaleat raidat ovat seurausta siitä, että aktiini- ja myosiiniketjut eivät ole jatkuvia, vaan ovat osittain lomittain. Siinä, mihin ei ulotu paksuja myosiinifilamentteja, näkyy siis vain ohuempia aktiinifilamentteja. Myosiinien kohdat taas näyttävät tummemmilta. Filamentit ovat oheisen kuvan mukaisesti lokeroituneet, ja yhtä filamenttilokeroa kutsutaan sarkomeeriksi.

Myofibrillit kulkevat sarkoplasmassa, joka on lihaksiston solunestettä. Siinä on runsaasti liuenneena kaliumia, magnesiumia, fosfaattia ja entsyymejä sekä paljon mitokondrioita.

Sähkömoottori

Supistuminen ja rentoutuminen ovat monivaiheinen prosessi, joka alkaa aivojen tai selkäytimen antamalla impulssilla, käskyllä, joka antaa järjestelmälle nk. aktiopotentiaalin. Hermosolun ja lihassolun impulsseja välittävät rakenteet poikkeavat toisistaan, mikä aiheuttaa sen että lihaksen stimuloimiseen tarvitaan paljon pidempi jänniteimpulssi kuin hermosolun stimuloimiseen. Pidemmästä kestosta johtuen impulssien määrä yhdessä aktiopotentiaalivirrassa voi olla enintään 100-200. Tämä riittää kuitenkin aiheuttamaan mahdollisimman suuren supistumisen sarkomeerissa.

Elvytyksessä sydän käynnistetään usein antamalla sähköshokki potilaaseen painettavilla elektrodeilla. Televisiosarjoista tuttu ruumiin nytkähdys johtuu siitä, että sähköimpulssi vaikuttaa muuhunkin lihaksistoon kuin sydämeen.

Lihassäikeen keskikohtaan johtaa hermosolun haara, aksoni, josta hermoimpulssit kulkevat lihassoluun hermo-lihasliittymän kautta. Siinä lihassolun lomaan ulottuu aksonin pää, jonka välittäjäainerakkuloista erittyy supistuskäskyn tullen kvantittuneesti ("paketteina") asetyylikoliinia. Sen kautta impulssi kulkee lihassyyn pintakalvoa pitkin kohti syyn molempia päitä ja edelleen lihassolun sisään erityisiä kalvoputkia pitkin.

Kalsiumionit aloittavat

Kalvoputket johtavat myofibrillien pinnalle, missä on ohutta sarkoplasmaattista kalvostoa. Tällä kalvostolla on kyky sitoa suuri määrä kalsiumioneja (Ca²⁺), mutta myös vapauttaa niitä sarkoplasmin sisään kalsiumpumppujen kautta.

Kalsiumionikonsentraatio lepotilassa on pienempi fibrillien sisällä kuin niiden ulkopuolella. Kun kalsiumpumput tällöin avautuvat aktiopotentiaalin takia, ionit virtaavat osmoosin ansiosta sarkomeeriin ilman työtä – ja siis ilman ATP:tä.

Sarkoplasmin sisällä aktiinifilamenttien ympärillä on kahta säätelyproteiinia: tropomyosiinia ja troponiinia. Tropomyosiini on aktiinin ja myosiinin välissä kiinnittyneenä aktiinipolymeeriin siten, että se estää myosiinimolekyylin päätä tarttumasta aktiiniin. Tällöin lihas on rento, sillä kaikki lihasjännitys aiheutuu myosiinin kiinnittymisestä aktiiniin. Troponiinia puolestaan on lyhyin välimatkoin kiinnittyneenä pitkään tropomyosiiniproteiiniin.

Kalsiumin suuri hetki koittaa: Sarkoplasmaattisesta kalvosta vapautuu kalsiumioneja sarkoplasmiin. Ca²⁺ -ionit vaikuttavat troponiiniin varauksellaan, saaden sen avaruusrakenteessa aikaan muutoksen. Muutos troponiinissa aiheuttaa puolestaan rakenteellisen muutoksen tropomyosiinissa, jolloin se muuttaa asentoaan aktiinijuosteessa (kuva 2). Aktiinin aktiiviset kohdat paljastuvat, jolloin myosiinimolekyylit voivat kiinnittyä niihin. Näin huomataan, että kalsiumionien läsnäolo on "kontraktioliipasin", joka mahdollistaa vielä huikeamman reaktiokehän...

Energiakysymys

Myosiinimolekyyli jaetaan kahteen osaan. Toinen pää muodostaa poikkisillan aktiinin kanssa. Myosiinin loppuosa on pitkä, [a]-kiertynyt ketju, joka liittyy muiden myosiinien samanlaisten osien kanssa yhteen paksuksi, kierteiseksi kimpuksi. Näin muodostuu myosiinifilamentti. Kimpun keskikohdasta myosiinit lähtevät eri suuntiin sarkomeeria, joten keskellä myosiinifilamenttia on kohta, jossa poikkisiltoja ei ole. Muissa kohdissa myosiiniketjua raskaat myosiinimolekyylien päät ulottuvat poikkisiltoina aktiiniin.

Poikkisilta on kontraktion kannalta mielenkiintoisempi osa. Sen äärimmäisenä olevaa, paksua päätyä sanotaan S1:ksi (subfragment-1). S1:n molekyylirakenne mahdollistaa tarvittavat reaktiot, jotta aktiini- ja myosiinifilamentit voivat liukua vaiheittain toistensa ohi.

Kun kalsiumionit ovat "vapauttaneet" aktiinin, myosiinin pää tarttuu ensiksi aktiinimolekyyliin, jolloin kompleksi muodostaa 45° kulman. Tällainen myosiini-aktiiniliitos on hyvin stabiili, ja sitä kutsutaan rigor-kompleksiksi.

On hyvä ymmärtää, että aktiinin ja myosiinin sidoksen pysyminen ei kuluta energiaa. Sidoksen tila on vakaa, ja energiaa tarvitaan lihaksessa vain sidoksen irroittamiseen.

Energiapotku ja fosfaatti moottoreina

S1-fragmentin molemmissa päissä on aktiiviset kohdat, joista toiseen voi sitoutua yksi ATP-molekyyli ja toiseen aktiinimolekyyli. Kuitenkaan ATP ja aktiini eivät voi olla yhtä aikaa sitoutuneena myosiiniin. Kun nyt myosiini on rigor-kompleksissa, se on valmis vastaanottamaan toiseen aktiiviseen kohtaansa ATP-molekyylin, joita on sarkoplasmin solulimassa.

Myosiini on ATPaasi, eli se voi hajottaa ATP:tä. Tämä onkin luonnollista, sillä ATP sisältää potentiaalista energiaa myosiinin käyttöön.

Kun ATP sitoutuu S1:een, se samalla erottaa aktiinin myosiinin toisesta aktiivisesta päästä. Myosiinin S1-päässä olevien aktiivisten paikkojen välissä on näet molekulaarinen "kuilu", ja ATP:n sitoutuessa myosiiniin, sen S1-fragmentin osien keskinäiset vuorovaikutukset muuttuvat. Tämä irrottaa kuilun toisen pään aktiinista. Kyse on samanlaisesta molekyylistruktuurin muuttumisesta kuin entsyymien toiminnassa. Myosiini toimiikin reaktiossa osin entsyymin tavoin, ATPaasina.

ATP:n sitouduttua myosiiniin, rigor-kompleksi on muuttunut nk. aktiiviseksi kompleksiksi. Tällöin kyseisen myosiinimolekyylin ja aktiinin välinen jännitys laukeaa hetkeksi. Kuitenkin, lihastyön aikana myosiinipäistä on vuorottelevasti kiinni aktiinissa vain n. 10%, joten koko lihasjännitys ei laukea samanaikaisesti.

Nyt on myosiinin aika hajottaa ATP hydrolyysin avulla. Reaktiossa ATP hajoaa ADP:ksi ja epäorgaaniseksi fosfaattiryhmäksi Pi. Reaktiotyypissä vapautuu kahta kulutettua ATP:tä kohti 1 vetyioni:

Reaktiossa vapautuva energia on se energia, joka supistaa lopulta lihasta. S1-fragmentissa aktiinia sitova pää on selvästi muusta molekyylistä ulkoneva rakenne, eräänlainen "koura" (engl. "lever arm"). "Energiapotkun" seurauksena tämä kohta kääntyy kammen tavoin. Kulman muutos on 45°. Tällöin myosiinin pää kääntyy siten, että se muodostaa 90° kulman aktiinifilamentin kanssa. Myosiinimolekyyli on vielä irrallaan aktiinista.

Kun myosiini on hajottanut ATP:n, hajoamistuotteet jäävät kiinni myosiiniin, mutta myosiinipään S1-rakenne on muuttunut hydrolyysissä: S1:ssä oleva kuilu on avautunut, ja aktiini voi jälleen sitoutua myosiiniin.

Aktiinin sitoutumisen myötä fosfaatti (ATP:n hajoamistuote Pi) poistuu myosiinipäästä (S1). Fosfaatin poistuminen laukaisee merkittävän avaruusrakenteellisen muutoksen myosiinipäässä: S1:n ulkonema ("lever arm") kääntyy jälleen alkuperäiseen 45 kulmaan, jolloin päädytään samanlaiseen rigor-kompleksiin kuin alussa. Ulkoneman kääntyessä aktiini on kuitenkin tiukasti kiinni myosiinissa, joten ulkonema toimii vipuvartena kuljettaen aktiinipäätä myosiinin ohi kohti sarkomeerin keskiosaa.

Nyt rigor-kompleksi on jälleen valmiina reagoimaan uuden ATP-molekyylin kanssa, joita valmistuu solun energiantuotantoreaktioissa (ks. Ääritilassa maitohappoa, viereinen sivu).

Aina lopuksi: rigor mortis

Myosiini muodostaa siis aktiinin kanssa kiinteän rigor-kompleksin, jonka saattaminen aktiiviseksi kompleksiksi vaatii jatkuvasti uutta energiaa ATP:n muodossa. Lihaksen supistuminen on jatkuvaa vuorottelua aktiivisen- ja rigor-kompleksin välillä.

Elävällä eläimellä tai ihmisellä aktiopotentiaalien sarjaa seuraa aina ennen pitkää se, että aktiopotentiaalin vapauttama asetyylikoliini tuhoutuu asetyylikolineraasientsyymin vuoksi, jolloin aktiopotentiaalivirta loppuu. Tämä saa kalsiumpumput pumppaamaan kalsiumioneita pois sarkomeerista, jotta lihas voisi rentoutua ja palautua. Kalsiumionien konsentraation laskiessa sarkomeerissa alle 6×10-6, aktiinin ympärillä olevat tropomyosiini ja troponiini estävät jälleen aktiinia ja myosiinia tarttumasta toisiinsa.

Kuolinhetken tultua tapahtumien kulku ei enää noudata normaalia, vaan lihassolussa koittaa uudenlainen tapahtumasarja, joka lopulta johtaa kuolonkankeuteen.

Kuoleman kohdattua, kalsiumpumppujen energiavarastot ehtyvät ja niiden aktiivinen toiminta lakkaa. Myofibrillien ulkopuolella sarkoplastisessa kalvostossa kalsiumionikonsentraatio on paljon suurempi kuin fibrillien sisällä, missä myosiini- ja aktiinifilamentit ovat. Kalsiumia alkaa vuotaa sarkoplasmaattisesta kalvostosta sisälle sarkomeereihin. Kalsiumionit mahdollistavat myosiinin tarrautumisen aktiiniin, kuten jo tiedämme. Rigor-kompleksi syntyy. Entä sitten?

Lihassolussa on paljon mitokondrioita, mutta aivojen kuollessa ja verenkierron loppuessa ATP:n tuotanto hiipuu, koska solun glukoosivarastot ehtyvät eikä toisaalta soluun enää kulje happea, jota tarvitaan soluhengityksessä. Jonkin aikaa jatkuu kuitenkin vielä ATP:n anaerobinen tuotanto maitohappokäymisessä, joka sekin loppuu happamuuden kasvaessa. Sarkoplasmaan jää silti vielä ATP:tä.

Kuten muistamme, aktiinin kiinnittyminen myosiiniin käynnistää myosiinin ATPaasin eli hajotusreaktion. Reaktion tuloksena rigor-kompleksi laukeaa ja lihas rentoutuu, mutta vain niin kauan kuin ATP:tä on saatavilla. Kun lopulta kaikki liikenevä energia on käytetty ja ATP on loppu, myosiini lukittuu pysyvästi aktiiniin.

Rigor mortis on syntynyt, kuolemasta.

Mätänee, mätänee

Rigor mortiskin häviää lopulta. Elimistön soluissa käynnistyy hajotustoimintoja, ensimmäisenä autolyysi. Autolyysissä soluihin varastoituneet hajottajaentsyymit vapautuvat solulimaan ja alkavat hajottaa valkuaisaineita.

Autolyysiä seuraa mätäneminen, jonka aiheuttavat elimistön sisäiset bakteerit ja myös esim. maaperästä ruumiiseen tunkeutuvat bakteerit. Mätäneminenkin on entsymaattinen eli entsyymien katalysoima prosessi, jossa valkuaisaineet hajoavat peptoneiksi ja edelleen aminohapoiksi, ammoniakiksi, rikkivedyksi, CO2:ksi ja vedeksi.

Niin hajoavat myös myosiini ja aktiini. Proteiinifilamenttien särkyessä niiden jännitykset herpaantuvat ja liha pehmenee jälleen.

Aapo Ahola

Kirjallisuutta

[1] Holmes, K. C.; Muscle Contraction. The Limits of Reductionism in Biology (ss. 76-92). Novartis Foundation Symposium 213, 1998.

[2] Guyton, Arthur C.; Textbook of Medical Physiology (ss. 58-99)

[3] Laiho, Kauno; Kuolemanjälkeisistä muutoksista. Oikeuslääketiede (ss. 142-147). WSOY, Porvoo 1970

[4] Contraction, Rigor and Conditioning. http://www.aps.uoguelph.ca/~swatland/ch5_1.htm

[5] Yann, Brenterch; Olivier, Cazeau; Romain, Crec’hriou (1997); Transformation du muscle en viande. http://www.multimania.com/cazeau/memviande_page4.htm