KOSTERNÍ, SRDEČNÍ A HLADKÝ SVAL Strukturální charakteristické vlastnosti Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikální vlastnosti svalů Mechanizmy stupňování a modulace kontrakce Přehled charakteristických vlastností kosterního, srdečního a hladkého svalu KOSTERNÍ, SRDEČNÍ A HLADKÝ SVAL KOSTERNÍ SVAL SRDEČNÍ SVAL HLADKÝ SVAL 20 m 30 m 3 m 1 interkalární disky sarkolema (cévní systém, dýchací cesty, gastrointestinální a urogenitální systém) 1,6-2 nm ELEKTRICKÉ SPOJE „GAP JUNCTIONS“ CONEXON 1 CONEXON 2 pH [Ca2+]i membránové napětí 2 „gap“ (mezera) (extracelulární prostor) ZÁKLADNÍ STRUKTURÁLNÍ ELEMENTY FUNKČNÍHO SYNCYTIA MYOKARD HLADKÝ SVAL Strukturální charakteristické vlastnosti Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikální vlastnosti svalů Stupňování a modulace kontrakce Přehled charakteristických vlastností kosterního, srdečního a hladkého svalu KOSTERNÍ, SRDEČNÍ A HLADKÝ SVAL 50mV -85 mV 200 ms 200 ms -35 mV 20 ms pravidelný pacemaker (SA, AV uzel) nepravidelná pacemakerová aktivita v nestabilních ohniscích pomalé - typ I rychlé 3 pomalé vlny HLADKÝ SVAL ICa SRDCE KOSTERNÍ SVAL INa DEPOLARIZACE REPOLARIZACE ICa inakt aktivace K+ proudů aktivace IK(Ca)ICa inakt KONTRAKCE INainakt aktivace IK -60 mV -90 mV fáze 3 fáze 2 ICa VELKÁ ROZMANITOST IK1 -typ II HLADKÝ SVAL SPUŠTĚNÍ A MODULACE MECHANICKÝCH ODPOVĚDÍ 4a VELKÁ ROZMANITOST V ELEKTRO-MECHANICKÝCH VZTAZÍCH 0-50 mV tenze 0 -50 tension 4b mV mV mV čas látka x látka y -50 0 0 -50 čas čas čas tenzetenzetenze 1 pomalé nepravidelné polarizační vlny s AP frekvence AP 2 pomalé změny v polarizaci membrány 3 POMALÉ VLNY V KONTRAKCI (GIT) TETANICKÝ STAH (ureter, ductus choledochus, uterus) POMALÉ ZMĚNY V TONU SVALU (např. m. ciliaris, iris, arterioly) konstantní membránové napětí 4 POMALÉ ZMĚNY V TONU (svalovina krevních cév) NEUROHUMORÁLNÍ STIMULACE (hlavně vazby LIGAND-RECEPTOR ….) ELEKTRO-MECHANICKÁVAZBA HLADKÝ SVAL různými typy NEUROHUMORÁLNÍ STIMULACE MECHANICKÉ ODPOVĚDI mohou být spuštěny/modulovány různými typy elektrické aktivity ELEKTRO-MECHANICKÁ VAZBA (nepravidelná pacemakerová aktivita) HORMONY (např. progesteron, oxytocin, angiotesin II, … ) LOKÁLNÍ TKÁŇOVÉ FAKTORY (NO, adenosin, PCO2, PO2, pH, …) NEUROTRANSMITERY (acetylcholin, noradrenalin, …) NERVOVÁ STIMULACE HUMORÁLNÍ STIMULACE ELEKTRICKÁ STIMULACE NATAŽENÍM SVALU (Ca2+- iontové kanály aktivované natažením) MECHANICKÁ STIMULACE 4c Strukturální charakteristické vlastnosti Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikální vlastnosti svalů Stupňování a modulace kontrakce Přehled charakteristických vlastností kosterního, srdečního a hladkého svalu KOSTERNÍ, SRDEČNÍ A HLADKÝ SVAL 134 nm N N C C 2 těžké řetězce 40 nm 5 2 hlavy 4 lehké řetězce základní složky kontraktilního systému vazebné místo pro AKTIN vazebné místo pro ATP ATP → ADP + Pi tropomyozin troponin REGULAČNÍ PROTEINY TROPOMYOZINTROPONINOVÝ KOMPLEX AKTINOVÉ FILAMENTUM MYOZINOVÉ FILAMENTUM PŘÍČNĚ PRUHOVANÝ SVAL Ca2+ MOLEKULA MYOZINU II MOLEKULY G-AKTINU~400 PŘÍČNĚ PRUHOVANÝ SVAL PŘÍČNĚ PRUHOVANÝ SVAL ADP Pi ADP. Pi 6 lehké řetězce myozinu vazebné místo pro ATP vazebná místa pro aktin komplex Ca2+- troponin C Ca2+ KLIDOVÝ stav napřímená hlavaε ELEMENTÁRNÍ CYKLUS KONTRAKCE A RELAXACE MOLEKULÁRNÍ ÚROVEŇ P P PŘÍČNĚ PRUHOVANÝ SVAL ELEMENTÁRNÍ CYKLUS KONTRAKCE A RELAXACE MOLEKULÁRNÍ ÚROVEŇ PŘÍČNĚ PRUHOVANÝ SVAL ADP Pi ADP. Pi 6 lehké řetězce myozinu vazebné místo pro ATP vazebná místa pro aktin komplex Ca2+- troponin C Ca2+ Pi ADP uvolnění Pi silná vazba můstku ATP ATP DISOCIACE komplexu aktin–myozin KLIDOVÝ stav napřímená hlavaε rigor mortis PŘÍČNÝ MŮSTEK slabá vazba ε RELAXACE KONTRAKCE ➢ přítomnost ATP ➢  [Ca2+ ]i ➢ přítomnost ATP ➢  [Ca2+ ]i ELEMENTÁRNÍ CYKLUS KONTRAKCE A RELAXACE MOLEKULÁRNÍ ÚROVEŇ P P STAV KONTRAKCE HUXLEYHO kluzný model Animace modelu interakce hlavy myozinu a aktinového filamenta („ pádlování“ ) 8 Ca2+HLAVA MYOZINU Mg2+ ATP komplex troponin–tropomyozinVyužívá chemickou energii uvolněnou hydrolýzou ATP a přeměňuje ji v pohyb (mechanickou práci) MYOZIN – MOLEKULÁRNÍ MOTOR PŘÍČNĚ PRUHOVANÝ SVAL 7a Vazba Ca2+ na TROPONIN C  posun troponin-tropomyozinového komplexu → vazebná místa na aktinu pro myozin jsou odkryta Utváření PŘÍČNÝCH MŮSTKŮ mezi aktinem a myozinem (příčný můstek se slabou vazbou) A . M . ADP . Pi Uvolnění Pi (příčný můstek se silnou vazbou)  konformační změna molekuly myozinu → sklon hlavy → posun aktinových filament podél myozinových filament  ZKRÁCENÍ SARKOMERY MOLEKULÁRNÍ MECHANIZMUS KONTRAKCE Uvolnění ADP  komplex aktin-myozin se nachází v rigidní vazbě A . M PŘÍČNĚ PRUHOVANÝ SVAL 7b Vazba ATP na myozin  nízká afinita myozinu k aktinu  disociace komplexu AKTIN–MYOZIN A M . ATP RELAXACE svalové buňky vyžaduje ATP a  [Ca2+]i (Ca2+ ionty jsou nasávány zpět do SR a vytěsňovány ven z buňky) TRVAJÍCÍ KONTRAKCE je výsledkem opakujících se cyklů při  [Ca2+]i a v přítomnosti ATP ATP-ázová aktivita myozinové hlavy  částečná hydrolýza ATP, získaná energie je užita pro napřímení hlavy myozinu (analogie natažené pružiny). A M . ADP . Pi KALMODULIN (TNC) SR DT u membrány INTERMEDIÁRNÍ filamentum AKTIN MYOZINDT ORGANIZACE CYTOSKELETU A MYOFILAMENT HLADKÝ SVAL vchlípeniny membrány 9 DT - denzní tělíska MYOZIN II REGULAČNÍ PROTEINY TROPOMYOZIN KALDESMON 2 těžké řetězce P BUŇKA 1 BUŇKA 2 mechanická spojení mezi buňkami elektrické spoje POMALÉ IZOFORMY ➢ myozinové ATPázy ➢ transportních systémů Ca2+E-M ZPOŽDĚNÍ POMALÝ ROZVOJ KONTRAKCE A RELAXACE ? analogie Z linií TROPONIN CHYBÍ !! Ca2+ KALPONIN 4 lehké řetězce: regulační esenciální AKTIN MYOZIN 10 KLIDOVÝ STAV KALMODULIN 2 ÚLOHY KOMPLEXU Ca2+-KALMODULIN LEHKÉ ŘETĚZCE myozinu ↑[Ca2+]i Ca2+-KALMODULIN komplex HLADKÝ SVAL KINÁZA LEHKÉHO ŘETĚZCE MYOZINU MLCK kaldesmon kalponin tropomyozin LEHKÝCH ŘETĚZCŮ MYOZINU P P INTERAKCE MYOZINU S AKTINEM Ca2+-KALMODULIN-kalponin komplex TROPONIN není přítomný KALMODULIN Ca2+/KALMODULIN-MLCK komplex aktivovaná MLCK Ca2+/KALMODULIN-MLCK aktivovaná MLCK VARIANTY KONTRAKCE BUŇKY HLADKÉHO SVALU 11 FÁZOVÁ VARIANTA KONTRAKCE - režim opakovaných cyklů1 čas TONICKÁ VARIANTA KONTRAKCE - zablokovaný můstek2 čas ATP se šetříPRODLOUŽENÁ TONICKÁ kontrakce zpomalení DISOCIACE M.A komplexu Defosforylace lehkých řetězců myozinu ve stavu KONTRAKCE při MLCP P ? lehkých regulačních řetězců myozinu je předpokladem FÁZOVÉ složky kontrakce P PATP se spotřebovává HLADKÝ SVAL ATP Pi ADP MLCP FOSFATÁZA MYOZINU ADP. Pi ADP. Pi ADP Pi 12a Ca2+/CaM-MLCKKINÁZA MYOZINU aktivní P P P FOSFORYLACE LEHKÝCH ŘETĚZCŮ MYOZINU JE PŘEDPOKLADEM opakovaných cyklů FÁZOVÁ VARIANTA KONTRAKCE - režim opakovaných cyklů1 čas KLIDOVÝ STAVCa2+-kalmodulin PŘÍČNÉ MŮSTKY konformace s nízkou energií stav kontrakce ATP ATP disociace komplexu aktin–myozin P P P ε KLIDOVÝ STAV konformace s vysokou energií P P P ε Adaptováno podle Berne and Levi (2004) Ca2+-CaM –KALPONIN- KALDESMON MLCK*/ MLCP ATP se spotřebovává ATP ATP ATP 12b TONICKÁ KONTRAKCE modu zablokovaného můstku “latch bridge” P KLIDOVÝ STAV KLIDOVÝ STAV stav kontrakce P P P ε TONICKÁ VARIANTA KONTRAKCE - zablokovaný můstek2 čas ε P P P P P HLADKÝ SVAL DEFOSFORYLACE lehkých řetězců myozinu VE STAVU KONTRAKCE MLCK* M.A disociace probíhá velmi pomalu i při ATP Ca2+/CaM-MLCK MLCP ↑ MLCK* / MLCP Adaptováno podle Berne and Levi (2004) ↓ MLCK* / MLCP ATP se šetří OPAKOVANÉ CYKLY lehké řetězce myozinu zůstávají fosforylovány TONICKÁ KONTRAKCE mechanizmem zablokovaných můstků „latch bridge“, lehké řetězce myozinu jsou defosforylovány ve stavu kontrakce 13 Vazba Ca2+ na KALMODULIN  Ca2+-CM komplex Spotřebovává se ATP Šetří se ATP Aktivace KINÁZY LEHKÉHO ŘETĚZCE MYOZINU Ca2+-CM-MLCK HLADKÝ SVAL FOSFORYLACE lehkých řetězců myozinu a současné konformační změny komplexu Ca2+-CM-KALPONIN-KALDESMON–aktin-tropomyozin  utváření příčných můstků Konformační změny molekuly myozinu  SKLON HLAVY myozinu  KLUZNÝ POHYB aktinu podél myozinu  kontrakce myocytu Strukturální charakteristické vlastnosti Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikální vlastnosti svalů Stupňování a modulace kontrakce KOSTERNÍ, SRDEČNÍ A HLADKÝ SVAL Přehled charakteristických vlastností kosterního, srdečního a hladkého svalu IZOMETRICKÁ A IZOTONICKÁ KONTRAKCE KOSTERNÍ SVAL KLIDOVÝ STAV PE, SE – paralelní a sériová elasticita (s kontraktilními elementy) PE SE 14 IMK IZOMETRICKÁ kontrakceIMK při KONSTANTNÍ DÉLCE ITK ITK IZOTONICKÁ kontrakce při KONSTANTNÍ TENZI KE KE - kontraktilní elementy SRDEČNÍ SVAL IZOVOLUMICKÁ FÁZE (IZOMETRICKÁ) EJEKČNÍ FÁZE (IZOTONICKÁ) AUXOTONICKÁ AUXOTONICKÁ kontrakce KLIDOVÁ TENZE HLADKÝ SVAL TONICKÁ KONTRAKCE (tonus krevních cév) FÁZOVÁ KONTRAKCE (kontrakce moč. měchýře) PE – extracelulární a intracelulární elastické komponenty (titin spojující M a Z linie) SE - fibrózní tkáň úponu šlachy měří se změny v TENZI měří se změny DÉLKY 15 KOSTERNÍ SVAL prodloužení svalu (cm) tenzesvalu PASIVNÍ tenze tenze při postupném natahování nestimulovaného svalu (ELASTICKÁ KOMPONENTA) PASIVNÍ tenze CELKOVÁ tenze CELKOVÁ tenze IZOMETRICKÁ kontrakce (stimulovaného svalu) při postupně se prodlužující počáteční délce AKTIVNÍ tenze AKTIVNÍ tenze rozdíl mezi CELKOVOU a PASIVNÍ tenzí - tenze tvořená interakcí KONTRAKTILNÍCH elementů (úměrná počtu vytvořených příčných můstků) ZÁVISLOST TENZE NA PROTAŽENÍ SVALU klidová délka in vivo AKTIVNÍ TENZE příčně pruhovaného svalu v závislosti na POČÁTEČNÍ DÉLCE (PROTAŽENÍ) SARKOMERY počáteční délka sarkomery [m] aktivnítenze(%) 1,65 1,9 2,05 2,2 3,65 16 oblastmaximálnítenze SRDEČNÍ SVAL senzitivita aktinu (TnC) k Ca2+ závislá na protažení 2,9 KOSTERNÍ SVAL SRDCE fyziologická pracovní oblast membránové kanály aktivované natažením „stretch-activated channels“ STARLINGŮV ZÁKON závislost kontrakce komor na objemu krve na konci diastoly HLADKÝ SVAL 17a PLASTICITA (např. myocyty močového měchýře se mohou natáhnout až na 200%, myocyty uteru až na 1000% na konci těhotenství ve srovnání s původní délkou svalové buňky) HLAVNÍ CHARAKTERISTICKÉ RYSY U myocytů hladké svaloviny není přímý vztah mezi DÉLKOU a TENZÍ. Zvýšená tenze po natažení téměř okamžitě spontánně poklesne VÝRAZNÁ ROZTAŽNOST U dutých orgánů (gastrointestinální trakt, močový měchýř, …) obdobný vztah mezi OBJEMEM a TLAKEM objem tlak CYSTOMETROGRAM PLASTICITA HLADKÉHO SVALU LAPLACEŮV ZÁKONP = 2T/r 17b 1 2 spuštění reflexu mikce3 K+-kanály aktivované [Ca2+]i délkatenze čas čas PLASTICITA  [Ca2+]i IKCa REPOLARIZACE IKCa ? Ca2+ K+ ? IZOLOVANÝ MYOCYT (jejunum člověka) T tenzometr m.napětí depolarizace repolarizace čas elektrofyziologická měření Ca2+-kanály aktivované natažením „stretch-activated channels“  TONUS  TONUS ICa ms DEPOLARIZACE  [Ca2+]i ICa ms močový měchýř Strukturální charakteristické vlastnosti Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikální vlastnosti svalů Stupňování kontrakce Charakteristické rysy kosterního, hladkého a srdečního svalu KOSTERNÍ, SRDEČNÍ A HLADKÝ SVAL 18 KOSTERNÍ SVAL HLAVNÍ FAKTORY STUPŇOVÁNÍ KONTRAKCE  FREKVENCE EXCITACÍ v motorickém neuronu  FREKVENČNÍ SUMACE kontrakcí ve svalových buňkách (TETANICKÁ KONTRAKCE) PROSTOROVÁ SUMACE - nábor  počtu aktivovaných MOTORICKÝCH JEDNOTEK (při zvýšeném volním úsilí) motorická jednotka 5-1000 frekvence stimulace (Hz) sílakontrakce vlnitý (neúplný) tetanus GRADACE KONTRAKCE PŘI ZVYŠUJÍCÍ SE FREKVENCI STIMULACE 19 OBLAST SUMACE TETANICKÝ STAH hladký tetanus KOSTERNÍ SVAL Krátká refrakterní doba AP buňky kosterního svalu dovoluje kopírovat aktivitu motorického neuronu při vysoké frekvenci IZOLOVANÁ SVALOVÁ BUŇKA ? Zkrácený časový interval při vzrůstající frekvenci omezuje dobu pro relaxaci Sumace jednotlivých množství uvolněného Ca2+ ze SR v sarkoplazmě 1 Hz = 1 impuls/sec svalová trhnutí s úplnou relaxací ↑[Ca2+]i 20  DIASTOLICKÁ NÁPLŇ KOMOR („preload“)   kontrakce komor, která je úměrná natažení kardiomyocytů na konci diastoly FRANK-STARLINGŮV ZÁKON Vazba LIGAND-RECEPTOR s následující intracelulární sekvencí dějů  ↑[Ca 2+]i (noradenalin, adrenalin, tyroxin, …)  FREKVENCE ELEKTRICKÉ AKTIVITY srdečních buněk při modulaci pacemakerové aktivity SA uzlu  tonem sympatiku  pozitivní FREKVENČNÍ EFEKT SRDCE ↑ [ Ca2+]i HLAVNÍ FAKTORY STUPŇOVÁNÍ KONTRAKCE 21 Vazba ligand-receptor s následující aktivační kaskádou  ↑[Ca 2+]i (např. aktivace PLC  ↑ IP3  uvolnění Ca2+ ze SR) Protažení svalových buněk  otevření Ca2+ kanálů aktivovaných protažením membrány („stretch channels“)  ↑ [Ca 2+]i DEPOLARIZACE MEMBRÁNY (i bez spuštění akčních napětí)  aktivace napěťově závislých Ca2+ kanálů  ↑ [Ca 2+]i FAKTORY NA POLARIZACI MEMBRÁNY NEZÁVISLÉ HLADKÝ SVAL ↑ Ca2+-kalmodulin HLAVNÍ FAKTORY STUPŇOVÁNÍ KONTRAKCE / TONU Strukturální charakteristické vlastnosti Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikální vlastnosti svalů Stupňování kontrakce KOSTERNÍ, SRDEČNÍ A HLADKÝ SVAL Přehled charakteristických vlastností kosterního, srdečního a hladkého svalu Svalová vlákna nejsou navzájem propojena (žádné „gap junctions“) 22 Mnohojaderné dlouhé cylindrické buňky (max. 20 cm) Bohatě vyvinuté sarkoplazmatické retikulum Pravidelné uspořádání myozinových a aktinových filament do sarkomer (příčné pruhování) Aktivita silně závislá na nervovém zásobení (přenos vzruchu motorickou ploténkou) Sumace kontrakcí při vysoké frekvenci excitace (tetanus) Aktivita pod volní kontrolou Motorické neurony se větví pro inervaci většího počtu buněk; (motorická jednotka definována jako jeden motorický neuron inervující 5-1000 buněk) motorická jednotka 5-1000 HLAVNÍ CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI KOSTERNÍ SVAL 23 TYPY MYOCYTŮ KOSTERNÍCH SVALŮ Převážně AEROBNÍ METABOLIZMUS a  ODOLNOST PROTI ÚNAVĚ Poměr AEROBNÍHO a ANAEROBNÍHO (glykolýza) METABOLIZMU určuje NÁCHYLNOST K ÚNAVĚ Pomalé kontrakce (zajišťující většinou postoj těla) Pomalé motorické jednotky s motorickými neurony s nižší rychlostí vedení impulzů (menší průměr) TYP I TYP II POMALÝ - ČERVENÝ RYCHLÝ (ČERVENÝ / BÍLÝ) Krátkodobé stahy pro jemné rychlé cílené pohyby Rychlé motorické jednotky s motorickými neurony s velkou rychlostí vedení vzruchů (větší průměr) např. zádové svaly, m. soleus např. okohybné svaly, svaly rukou TYP IIa (RYCHLÝ-ČERVENÝ ) a TYP IIb (RYCHLÝ-BÍLÝ) Sportovní aktivitou se TYP IIb postupně mění na TYP IIa 24 Tetanická kontrakce nemůže vzniknout pro dlouhou refrakteritu akčního napětí Aktivita nezávislá na vůli Excitace a kontrakce jsou nezávisle na nervovém zásobení (pravidelný „pacemaker“ v SA uzlu, AV uzlu) Jednojaderné, větvené a vzájemně propojené buňky interkalárními disky (max. délky 100 μm) Středně vyvinuté sarkoplazmatické retikulum Pravidelné uspořádání myozinových a aktinových filament do sarkomer (příčné pruhování) Funkční syncytium (elektrická spojení – „gap junctions“) Receptory pro neurotransmitery (uvolňované z nervových zakončení) a hormony (přiváděné cirkulací); modulace lokálními mediátory SRDEČNÍ SVAL HLAVNÍ CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI 25 Málo vyvinuté sarkoplazmatické retikulum; T-systém chybí Jednojaderné vřetenovité buňky variabilní délky (50-200 m) Nepravidelné uspořádání myozinu a aktinu Četné receptory pro neurotransmitery (uvolňované z nervových zakončení) a hormony (přiváděné cirkulací). Modulace také lokálními chemickými mediátory Kontrakce viscerálního svalstva nezávisí na nervovém zásobení (nepravidelná pomalá nestabilní „pacemakerová“ aktivita), funkční syncytium (gap junctions) Aktivita může být spuštěna natažením svalu (membránové kanály aktivované protažením -„stretch-activated channels“) Aktivita nezávislá na vůli Pomalý fázový, tonický i tetanický stah HLADKÝ SVAL Výrazná roztažnost a plasticita HLAVNÍ CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI 26 TYPY HLADKÝCH SVALŮ Funkční syncytium (elektrické spoje „gap junctions“) Nezávislost kontrakce na nervové stimulaci (pomalá nepravidelná nestabilní „pacemakerová“ aktivita) Vznik kontrakce v odezvě na natažení svalu (vápníkové kanály aktivované natažením – „stretch channels“) VISCERÁLNÍ – JEDNOTKOVÝ VÍCEJEDNOTKOVÝ stimulovaný neurony např. žaludek, střeva, uterus, ureter např. arterioly, m. ciliaris, m. iris , … Svalové buňky nejsou propojeny „gap junctions“; AN nevznikají Kontrakce jsou jemně stupňované a lokalizované Stimulace autonomními „motorickými“ neurony (acetylcholin / norepinefrin) - autonomní „MOTORICKÉ“ jednotky Synapse v průběhu nervových zakončení („en passant“)