1
Biochemie svalové činnosti
(základní informace ­ Harperova biochemie, str. 682­700)
Kardiomyocyty
Myokard se v mnohém podobá kosternímu svalstvu; patří též mezi příčně pruhované svalstvo. Jsou
však zde dvě základní histologické odchylky. Zatímco v myocytech kosterních svalů jsou jádra
umístěna na periferii buněk, těsně pod sarkolemou, v kardiomyocytu jsou uprostřed. Znamená to, že
kardiomyocyty mají perinukleární prostor, v němž jsou uspořádána myofilamenta. Druhá odlišnost je
v tom, že kardiomyocyty mají tzv. interkalární disky, což jsou specializované molekulové komplexy
oddělující jednu buňku od druhé. Kardiomyocyt má velké množství mitochondrií (téměř polovina
buňky jsou mitochondrie). Je to proto, že srdeční sval musí pracovat nepřetržitě po celou dobu života;
kontrakce myokardu vyžaduje výlučně aerobní metabolismus (tvorba ATP aerobní fosforylací) a je
navozována srdečním svalem samým (autonomní srdeční systém), nikoliv vnějšími nervovými
podněty, ačkoliv nervová soustava může mít na tento stah vliv. Jako zdroj energie slouží myokardu
především mastné kyseliny (po jídle i nalačno); při hladovění též ketolátky. Myokard vyžaduje stálý
přívod kyslíku (nemůže pracovat na ,,kyslíkový dluh", tj. získávat určitou kratší dobu energii
z anaerobní glykolýzy, jako je tomu u kosterního svalu).
Podobně jako kosterní sval má i myokard A-pruh (oblast myofilament ­ přesahující tlustá filamenta
přes tenká), I-pruh (obsahující jen tenká filamenta) a Z-disk (struktury zakotvení aktinu tenkých
filament sousedících buněk). Rozdíl kardiomyocytů od buněk kosterního svalstva spočívá v tom, že
aktin některých tenkých filament končí v interkalárním disku. Toto komplexní spojení umožňuje, aby
šest aktinových tenkých filament obklopovalo trvale jedno tlusté myosinové filamentum. To se skládá
z myosinu II, který je podobný myosinu myocytu kosterního svalu; má 2 těžké a 4 lehké řetězce.
Globulární hlava myosinu II je ATPasa aktivovaná aktinem.
Zdroj a eliminace Ca2+
v sarkoplazmě srdečního svalu
kontrakce relaxace
--
VOC (voltage operated channels) ... napěťově řízené kanály
2
Srdeční frekvence je řízena skupinou specializovaných buněk v sinusovém uzlu. Jejich jedinečnou
vlastností je schopnost spontánní depolarizace v průběhu diastoly. Periodická depolarizace
v sinusovém uzlu se šíří na myokard síní a převodním systémem dále na myokard komor. Záložní
místa schopná spontánní depolarizace, která ovšem pracují v pomalejším rytmu, jsou
v atrioventrikulárním uzlu a v Purkyňových buňkách.
V kontrakci myokardu hrají důležitou roli vápenaté ionty z extracelulárního prostředí. Do myocytu
vstupují a opět vystupují regulovaným způsobem.
Vápníkové kanály
V myocytech se nachází napěťově závislé Ca2+
kanály dvojího typu: L- a T-typ. Hlavní cestou vstupu
vápenatých iontů do myocytů jsou pomalé vápníkové kanály L-typu (z angl. long-duration). Otevírají
se během depolarizace šířícím se akčním potenciálem. Tyto kanály jsou obdobou dihydropyridinových
receptorů v kosterním svalu. Jsou regulovány proteinkinasami A (stimulace) a cGMP-dependentními
proteinkinasami (inhibice). Jsou místem působení tzv. kalciových blokátorů (např. verapamil).
V sinusovém uzlu je přítomen jiný typ kanálu ­ typ T (z angl, temporary opening). Ten má za úkol
kontrolovat spontánní depolarizaci sinusového uzle, a tak i rychlost srdečního rytmu. Výsledkem
zvýšení hladiny vápníku v myocytu vyvolaného influxem extracelulárního Ca2+
je otevření
vápníkových kanálů (ryanodinový receptor) v sarkoplazmatickém retikulu. Tento pochod se označuje
jako Ca2+
-indukované uvolnění Ca2+
(CICR, z angl. Ca2+
-induced Ca2+
-release). Uvádí se, že asi 10 %
vápenatých iontů podílejících se na kontrakci vstupuje do myocytu z extracelulární tekutiny a 90 %
pochází z ER.
Aby bylo dosaženo svalové relaxace mezi jednotlivými kontrakcemi myokardu, musí být hladina
cytoplazmatického Ca2+
rychle snížena. To je umožněno účinkem Na+
/Ca2+
výměníku
v cytoplazmatické membráně a Ca2+
-ATPasy (SERCA) v membráně SR.
Na+
/Ca2+
výměník je hlavní cestou transportu vápníku ven z buňky. Tento pochod přispívá k relaxaci,
ale za určitých okolností může přispívat i ke zvýšení hladiny Ca2+
průběhem v opačném směru.
Vychytání Ca2+
do SR je zprostředkováno Ca2+
-ATPasou. Její aktivita je regulována hladinou vápníku
a fosfolambanem.
Předpokládá se, že oba transportní systémy jsou aktivovány fosforylací, v níž hraje roli kalmodulindependentní
proteinkinasa II.
Regulace zpětného transportu Ca2+
 Ca2+
v sarkoplazmě
vazba Ca2+
na kalmodulin (CM4Ca2+
)
CM4Ca2+
dep. proteinkinasa II Ca2+
-ATPasa (sarkolema)
Na+
/Ca2+
výměník SERCA
+ +
+
prostřednictvím
fosfolamban~P+
3
Vzhledem k tomu, že Na+
/Ca2+
výměník je závislý na koncentraci Na+
, budou všechny vlivy zvyšující
hladinu Na+
způsobovat zvýšení hladiny Ca2+
a tím zesilovat kontrakci. To se označuje jako positivní
inotropní efekt. Příkladem látky takto působící je digitalis, který inhibuje spřaženou Na+
/K+
-ATPasu.
Látky zesilující kontrakci myokardu se označují jako kardiotonika.
Modulační účinek cAMP na srdeční svalovou činnost
cAMP
proteinkinasa A
Ca2+
-VOC Ca2+
-ATPasa (sarkolema) SERCA TpI~P ( kontrakce)
Atriální i ventrikulární svalové fibrily a převodní systém jsou inervovány adrenergními nervy. Na
jejich zakončení převažují -receptory. Mohou vázat adrenalin i noradrenalin. Vazba katecholaminů
na 1 receptor stimuluje adenylátcyklasu a vzniká cAMP. Tak se aktivují buněčné proteinkinasy, které
fosforylací regulují účinky různých proteinů. Výsledkem působení je zvýšení tepové frekvence a
zvýšení kontraktility.
Myocyty hladkého svalu
Hladké svaly uskutečňují pomalé, dlouhotrvající pohyby, které neovládáme vůlí (pohyby
střev, kontrakce stěny cév nebo dělohy).
Vícejednotkový sval
Je složen z několika na sobě vzájemně nezávislých buněk, které mají každá zvláštní inervaci a které se
mohou kontrahovat každá zvlášť. Vyskytuje se hlavně tam, kde je třeba jemný a cílený pohyb (např.
musculus ciliaris), je vůlí neovlivnitelný, nemá automacii (schopnost pohybu bez nervového podnětu),
může být řízen jen vegetativním (autonomním) nervovým systémem.
Útrobní hladký sval
Je tvořen sty až miliony buněk, které jsou velmi těsně spojeny a chovají se jako jeden celek =
syncitium. Jsou uloženy hlavně ve stěnách dutých orgánů: v děloze, cévách, trávícím ústrojí a
v močovém měchýři. Buňky tohoto typu svalu k sobě přiléhají tak těsně, že z jedné buňky na druhou
přecházejí ionty i akční potenciál. Mají schopnost automacie, kromě vegetativního systému mohou být
řízeny i hormonálně, látkovými vlivy a reflexně.
+
+
 tepová frekvence
+ + +
+
4
Buňky hladké svaloviny jsou jednotlivé buňky o značně rozdílné velikosti: ve stěně malých
cév jsou dlouhé 20 m, ve stěně tenkého střeva 200­300 m. Buňky mají vřetenovitý tvar,
nejtlustší uprostřed a pokládají se zakončením jedna na druhou. Toto spojení slouží jak pro
účely komunikační (mezerové spoje), tak mechanické (návaznost kontraktilního systému).
V místech propojování jsou denzní tělíska, zahuštění cytoplazmy, obsahující protein vázající
aktin a -aktinin. Aktin tvořící tenká vlákenka ve svalové buňce je do denzních tělísek
zakotven. Kromě toho jsou ve svalové buňce ještě intermediární filamenta, resp. desmin a
vimentin, tvořící vazbu denzních tělísek s cytoskeletem buňky. Kontraktilní aparát buňky
hladké svaloviny tvoří myosin a aktin; na rozdíl od příčně pruhované svaloviny neobsahuje
troponin. Myosin hladké svalové tkáně se liší od myosinu příčně pruhovaných svalů jak
geneticky tak funkčně. Jeho ATPasová aktivita činí pouze 10 % aktivity příčně pruhovaného
svalu, reaguje s aktinem pouze tehdy, je-li jeden z jeho lehkých řetězců (MLC, myosin light
chains) fosforylován na určitém serinovém zbytku, tvoří tlustá filamenta, jejichž příčné
můstky nejsou uspořádány tak pravidelně, ale jsou rozloženy po celé délce. Fosforylaci
lehkých řetězců katalyzuje kinasa lehkých myosinových řetězcú (MLCK) aktivovaná Ca2+
kalmodulinem.
U kosterních svalů fosforylace lehkých řetězců myosinu patrně mění sílu tahu,
který sval vyvine. Koncentrace Ca2+
v buňkách hladkých svalů se mění podle permeability
plazmatické membrány a tato propustnost je řízena autonomním nervovým systémem
(nezávislým na naší vůli) rozdíl od kosterního svalu. Když se zvýší koncentrace Ca2+
v cytoplazmě na hodnotu kolem 10 mol/l, spustí se stahy hladké svaloviny; když klesne na
0,1 mol/l činností Ca2+
-ATPasy v plazmatické membráně, inaktivuje se MLCK, MLC se
defosforylují účinkem MLC-fosfatasy a následuje uvolnění svalového stahu.
Zdroj a eliminace Ca2+
v sarkoplazmě hladkého svalu
kontrakce relaxace
5
Regulace kontrakce hladkého svalu Ca2+
Hladká svalovina také odpovídá na hormonální podněty. Adrenalin působí prostřednictvím
 receptoru, což vede k aktivaci adenylátcyklasy a tvorbě cAMP, a následně k aktivaci
proteinkinasy A, která fosforyluje kinasu lehkých řetězců myosinu (MLCK, myosin light chains
kinase). Fosforylovaná MLCK uvolní svoji vazbu s Ca2+
-kalmodulinem, čímž enzym ztrácí aktivitu.
Začne převažovat defosforylace myosinu a hladký sval relaxuje. Strukturní a funkční podobnost mezi
kalmodulinem a troponinem C (TnC) nasvědčuje tomu, že TnC je druhem kalmodulinu, který se
vyvinul v kosterním svalstvu, aby se dosáhlo rychlé odezvy na změnu v koncentraci Ca2+
. Regulace
kontrakce a relaxace hladké svaloviny se děje tedy několika mechanismy, a to prostřednictvím Ca2+
kalmodulinem,
cAMP, diacylglycerolem a kaldesmonem.
kalmodulin (CM)
vazba Ca2+
na kalmodulin (CM4Ca2+
)
MLCK (myosin light chain kinase) kinasa myosinového lehkého řetězce; MLC lehký řetězec myosinu;
ADP
 Ca2+
v sarkoplazmě
MLC
CM4Ca 2+
-MLCK
aktivní
MLC~P
MLC-fosfatasa
MLCK
neaktivní
 Ca2+
v sarkoplazmě
myosin + aktin
relaxace
myosin + aktin
kontrakce
MLCK~P
 afinity k CM4Ca2+
ATP
ADPPK-A
PK-G
cAMP
cGMP
NO
 
+
+
+
ATP
6
Účinek oxidu dusnatého (NO, nitroxidu) na hladký sval
Lék sildenafil (Viagra) působí jako selektivní inhibitor fosfodiesterasy 5 (PDE5), která reguluje přívod
krve do corpora cavernosa penis. Při inhibici PDE5 jsou přirozené sexuální stimuly podporovány, což
zlepšuje a udržuje erekci. Viagra podporuje účinek NO, uvolňující se během sexuální stimulace tím,
že inhibuje PDE5 a zvyšuje hladinu cGMP v corpora cavernosa. Výsledkem je relaxace hladké cévní
svaloviny a přívod krve do corpora cavernosa. Ale Viagra sama o sobě negeneruje cGMP; nemůže
tedy sama o sobě navodit erekci bez předchozí sexuální stimulace.
L-Arg NO + L-citrullin
NO-synthasa
endotel
 Ca2+
organické nitráty/nitrity
R-O-NO2
(glycerol-trinitrát,
isosorbid-dinitrát)
myocyty hladkého svalu
R-O-NO2 nitrit NO
5´GMP
GTP cGMP
guanylátcyklasa
(solubilní)
PK-G
+
PDE-5
+
RELAXACE
MLCK ~ P
MLCK
sildenafil
(Viagra
)
-
acetylcholin
bradykinin
t1/2 ~ 5 s
KREV
G-SH G-S-S-G
+
7
Svalová práce
a) maximální intenzita (anaerobní fáze, krátkodobě 0,5­2 min)
b) vytrvalecká (aerobní fáze)
Glc
laktát
JÁTRA
pracující
SVAL
glykogen
G-6-P
pyruvát
laktát
NAD+
glykogen
46 g/h
G-6-P ~ 90 %
CNSERC
MYOKARD
nepracující
SVALY
CO2 + H2O
~ 80 %
pracující
SVALCNSERC
Glc
laktát
JÁTRA
glykogen
G-6-P
pyruvát
glykogen
G-6-P
MYOKARD
nepracující
SVALY
CO2 + H2O
MK
TUKOVÁ TKÁŇ
TG
MKglycerol
HSL
glycerol
ketolátky
8
Využití energetických zdrojů při svalové práci
ATP
Kreatinfosfát
Anaerobní
glykolýza Glukosa
Aerobní
oxidace
MK
3 10 20 s 1 2 10 min 1 2 4 h
Max. výkon
(W/kg)
6
4
2
Trvání práce (log t)