Bp1252 Biochemie #11 Biochemie svalů Úvod • Charakteristickou funkční vlastností svalu je schopnost kontrakce a relaxace • Kontrakce následuje po excitaci vzrušivé buněčné membrány – je přímou přeměnou chemické energie na mechanickou a projevuje se zkrácením svalu. • Excitace je spojena se vznikem šířící ho se akčního potenciálu, který je delší než u nervových buněk. • Vznik a šíření akčního potenciálu je důsledkem přesunu iontů 2 • Sarkomera – funkční jednotka svalového vlákna, na obou koncích ohraničená Z-disky (Z-linie). • Ve struktuře Z-disků jsou kolmo ukotveny tenká aktinová filamenta. • Středem sarkomery jsou paralelně s osou buňky a aktinovými filamenty umístěna silná myozinová filamenta. • Jejich středy jsou napříč spojeny bílkovinou – M-linie 3 4 Bílkoviny svalu • Titin – třetí systém filament ve struktuře sarkomery Molekuly titinu sahají od Z-disku až k M-linii a propojují tak sarkomeru po celé její délce. Význam při klidové tenzi, udržuje délku sarkomery . 5 6 Aktin G-aktin Monomer aktinu (G-aktin) obsahuje čtyři domény obklopující vázanou molekulu ATP nebo ADP. Spontánně polymeruje v přítomnosti Mg2+ a KCl. Polymerní F-aktin vytváří helikální strukturu (dvojitou šroubovici). 7 Tropomyosin • Stabilizace a šíření konformačních změn F- aktinu • Ke každé molekule tropomyosinu se váže jedna molekula troponinu 8 Troponin a jeho podjednotky Troponin C – zde se vážou Ca2+ ionty Troponin I – v klidu inhibuje tvorbu můstků mezi aktinem a myozinem. Tento blokující účinek je odstraněn přítomností Ca2+ Troponin T - spojení troponinu s tropomyosinem 9 Myosin • Vláknitá bílkovina 10 • Signálem pro vznik akčního potenciálu na sarkolemě (povrchová membrána svalových vláken) je uvolnění ACCH na nervosvalové ploténce (ta je tvořena axonem míšního nervu a sarkolemou) • Aktivací ACCH receptorů nikotinového typu, které řídí přímo kanály pro Na+, vznikne místo depolarizace. • Akční potenciál se rychle šíří na celou povrchovou membránu a vyvolá masivní uvolnění Ca2+ z tubulů a cisteren endoplazmatického retikula. • Ca2+ umožní kontrakci zejména zpětnou vazbou na troponin 11 • V membránovém systému endoplazmatického retikula sval. buňky je ATPasový systém, který účinně pumpuje Ca2+ do tubulů a cisteren ( 2 ionty Ca2+ na rozštěpení 1 molekuly ATP). • Vápníková pumpa tvoří až 80% bílkovin membrány endoplazmatického retikula. • Činnost Ca2+ pumpy závisí na přítomnosti Mg2+ (antiport 1 iontu Mg2+ proti 2 iontům Ca2+). • Po depolarizaci povrchové membrány svalové buňky dochází tímto způsobem ke zvýšení hladiny Ca2+ v cytosolu, mění se hladina Mg2+. 12 Svalová kontrakce • Depolarizace membrány → ↑Ca2+ a Mg2+ v cytosolu, změní se konformace troponinu → zasunutí vláken tropomyozinu hlouběji do štěrbiny ve vláknu aktinu. • Změna polohy tropomyozinu zpřístupní vazebná místa na aktinu pro vlákny myozinu. • Výsledkem vzniklé vazby je aktivace ATPasy hlav myozinu. • Následuje za přítomnosti Mg2+ štěpení ATP a vznik aktin-myozinového (A-M) komplexu 13 Tropomyosin a troponin vázané na aktin. 14 Troponin váže Ca2+, uvolňuje se tak tropomyosin a může se navázat myosin 15 • Uvolnění ADP z A-M komplexu se spojení aktinu a myozinu zpevňuje a stabilizuje → rigorový komplex. • Rigor mortis – nastává po vyčerpání zásob ATP a uvolnění Ca2+ ze sarkoplazmatického retikula asi za 3-6 hodin po zástavě dodávky O2 16 Energetická činnost svalu • Zdrojem bezprostřední energie pro sval - ATP z oxidativní fosforylace. • Krátkodobé vysoké výkony (asi do 40 s) jsou možné také anaerobně (glykolýza). • Zásoba ATP ve svalu je poměrně malá, může být doplněna reakcí ADP s kreatinfosfátem, který je při tom defosforylován. Jeho zásoba je ovšem malá. 17 Kreatin fosfát – syntéza a degradace N COO - NH2 NH N COO - N H NH P O O - O + ATP kreatinkinasa kreatin kreatinfosfat + ADP N H N NH O pomalu kreatinin Kreatin se tvoří z glycinu a argininu. Nestálý kreatin fosfát zvolna degraduje na kreatinin, který se uvolňuje ze svalu do krevní plazmy a poté do moči. 18 • Při práci je kreatinfosfát doplňován ze ¾ odbouráním VMK z krve. • Při krátkodobých vysokých výkonech (sprint) je naopak důležitým zdrojem glukosa. • Až při extrémních nárocích na sval je využíván glykogen. 19 Hladká svalovina • V hladké svalovině jsou obvyklá kontraktilní vlákna aktin a myozin,ale nejsou zcela totožné s aktinem a myozinem příčně pruhované svaloviny. • V hladké svalovině je velmi nízký obsah troponinu C, jeho funkci zde nahrazuje kalmodulin. • Interakce aktinu a myozinu je řízena působením komplexu kalmodulin-Ca2+ na kinasu myozinu. Ta katalyzuje fosforylaci hlavy myozinu a aktivuje se tak možnost vzniku A-M komplexu. 20 Kalmodulin • Protein sloužící jako senzor vápníku • Mění konformaci po navázání Ca2+ animace • Komplex kalmodulin – Ca2+ aktivuje kinasy, které fosforylují řetězce myosinu, což poté umožňuje interakci hlav myosinu s aktinem. 21 • Při poklesu koncetrace Ca2+ v hladké svalovině se komplex kalmodulin-Ca2+ uvolní a uplatní se cytoplazmatická fosfatáza, která myozin defosforyluje a vrátí tak do výchozího stavu s následnou relaxací 22 Kontrakce hladké svaloviny • Vlastní proces kontrakce je regulován intracelulární hladinou vápníku. • Koncentrace Ca2+ v cytosolu může být zvýšena jak vstupem extracelulárního vápníku,tak uvolněním z intracelulárních zásob v sarkoplazmatickém retikulu. • Hladinu Ca2+ ovlivňují také regulační proteiny (kalmodulin, kaldesmon, kalponin) 23 Myorelaxancia • Látky snižuje tonus příčně pruhovaných svalů • Prohloubení účinku celkových anestetik • Chirurgické zákroky (repozice zlomenin...) 24 Myorelaxancia • Periferní Inhibují cholinergní receptory. Př: tzv. šípové jedy (kurare) • Centrální Působí v synapsích CNS. Většinou perorální podání. Myorelexační účinky mají i některé benzodiazepiny jinak používané jako sedativa a hypnotika (Myolastan). Myolastan Kulčiba jedodárná 25