Strukturální charakteristické vlastnosti Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikálni vlastnosti svalů Mechanizmy stupňování a modulace kontrakce Přehled charakteristických vlastností kosterního, srdečního a hladkého svalu KOSTERNÍ SVAL sarkolema SRDEČNÍ SVAL interkalární disky HLADKÝ SVAL (cévní systém, dýchací ces gastrointestinální a urogenitální systém) elektrické spoje „gap junctions4 ZÁKLADNI STRUKTURÁLNÍ ELEMENTY FUNKČNÍHO SYNCYTIA CONEXON 1 „gap" (mezera) (extracelulární prostor) CONEXON 2 myokard hladký sval pH [Ca2+]t membránové napětí 1,6-2 nm Strukturální charakteristické vlastnosti Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikálni vlastnosti svalů Stupňování a modulace kontrakce Přehled charakteristických vlastností kosterního, srdečního a hladkého svalu KOSTERNÍ SVAL HLADKÝ SVAL EPOLARIZACE IZ^> -85 mV... Na DC^> -90 mV..., Kl REPOLARIZACE aktivace Íqu inakt K+ proudů pravidelný pacemaker (SA, AV uzel) ONTRAKCE aktivace INainakt j IK VELKÁ ROZMANITOST I aktivace HLADKÝ SVAL v v r- V F spustení a modulace mechanických odpovedi VELKÁ ROZMANITOST V ELEKTRO-MECHANICKÝCH VZTAZÍCH 4a pomalé nepravidelné polarizační vlny s AP POMALE VLNY V KONTRAKCI (GIT) ^ frekvence AP TETANICKY STAH (ureter, ductus choledochus, uterus) pomalé změny v polarizaci membrány _ X_ POMALE ZMENY V TONU SVALU (např. m. ciliaris, iris, arterioly) konstantní membránové napětí POMALÉ ZMĚNY V TONU (svalovina krevních cév) NEUROHUMORALNI STIMULACE (hlavně vazby LIGAND-RECEPTOR....) MECHANICKÉ ODPOVEDI mohou být spuštěny/modulovány o různými typy ELEKTRO-MECHANICKÁ VAZBA (nepravidelná pacemakerová aktivita) ELEKTRICKÁ STIMULACE o různými typy NEUROHUMORALNÍ STIMULACE - NEUROTRANSMITERY (acetylcholin, nor adrenalin, ...) NERVOVÁ STIMULACE HORMONY (např. progesteron, oxytocin, angiotesin II, ... ) LOKÁLNÍ TKÁŇOVÉ FAKTORY (NO, adenosin, PC02, PQ2,pH, ...) HUMORÁLNÍ STIMULACE • NATAŽENÍM SVALU (Ca2+- iontové kanály aktivované natažením) MECHANICKÁ STIMULACE 1 4c Strukturální charakteristické vlastnosti Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikálni vlastnosti svalů Stupňování a modulace kontrakce Přehled charakteristických vlastností kosterního, srdečního a hladkého svalu v r- v v PRICNE PRUHOVANÝ SVAL základní složky kontraktilního systému 4 lehké řetězce 2 těžké řetězce V\ TCP N> MYOZINOVE FILAMENTUM 134 nm 400 MOLEKULY G-AKTINU troponin tropomyozin 40 nm MOLEKULA .2 hlavy MYOZINU II vazebné místo pro AKTIN vazebné místo pro ATP ATP -> ADP + P; AKTINOVE FILAMENTUM REGULAČNÍ PROTEINY TROPOMYOZIN- TROPONINOVÝ KOMPLEX v r- v PRICNE PRUHOVANÝ SVAL l-band Sarcomere - A-band - +1 -*H- i-band Thin filament -H D- (*■ C- -H k- C- -H D- k- Thick •r rr, j^*^ '"' Extensible l-band part of tit in Z line t Am i no termini I I M-line t Carboxyl termini I Z-line t Annino termini I Thick-filament -bound A-band part of titin i- l-band A-band pan part Titin molecule Fibronectin and fibronectin/immunoglobulin repeals PEVK enriched sequences ■ Unique sequences Immunoglobulin domains Kinase domain ELEMENTÁRNI CYKLUS KONTRAKCE A RELAXACE MOLEKULÁRNI UROVEN KLIDOVÝ stav napřímená hlava A M.ADP.p Ca2+ komplex Ca2+- troponin C A M (£Tm).ADP. P PRICNE PRUHOVANÝ SVAL ELEMENTÁRNI CYKLUS KONTRAKCE A RELAXACE MOLEKULÁRNI UROVEN Motor neuron Sarcomere DISOCIACE komplexu aktin-myozin KONTRAKCE ^ přítomnost ATP > í [Ca2+ Ji KLIDOVÝ stav napřímená hlava A M.ADP.p A M .ATP Ca2+ I komplex Ca2+- troponin C v r v r O -ADR P: PRICNY MUSTEK slabá vazba ATP rigor mortis ^»í)*ADPPi uvolnění Pj silná vazba můstku STAV KONTRAKCE HUXLEYHO kluzný model RELAXACE n > přítomnost ATP PRICNE PRUHOVANÝ SVAL Aciire I Ii-lis wiiFi JhClŕVAlKJft llZOfHUiyftMN ATP Tl!OpOMÍN A[>P i HLAVA MYOZINU ATP M 2+ Animace modelu interakce hlavy myozinu a aktinovéhofilamenta („ pádlování") MYOZIN - MOLEKULÁRNI MOTOR Využívá chemickou energii uvolněnou hydrolýzou ATP a přeměňuje ji v pohyb (mechanickou práci) komplex troponin-tropomyozin vchlipenmy membrány Ca2+ POMALY ROZVOJ KONTRAKCE A RELAXACE HLADKÝ SVAL POMALE IZOFORMY > myozinové ATPázy > transportních systémů Ca2+ ORGANIZACE CYTOSKELETU A MYOFILAMENT DT u membrány INTERMEDIARY fílamentum B, BUNKA mechanická spojení mezi buňkami REGULAČNÍ PROTEINY TROPOMYOZIN KALMODULIN (tnc) KALPONIN KALDESMON HLADKÝ SVAL | TROPONIN není přítomný | KALMODULIN I 2 ÚLOHY KOMPLEXU Ca2+-KALMODULIN LEHKÉ ŘETĚZCE myozinu MYOZIN aldesmo KLIDOVÝ STAV | Ca2+-KALMODULIN komplex KINAZA LEHKÉHO ŘETĚZCE MYOZINU C a2+/KALMODULIN-MLC K aktivovaná MLCK MLCK ] (?) LEHKÝCH ŘETĚZCŮ I _MYOZINU_ I -KALMODULIN-kalponin komplex ^^^m Ca2+/KALMODULIN-MLCK komplex I aktivovaná MLCK I INTERAKCE MYOZINU S AKTINEM 10 VARIANTY KONTRAKCE BUŇKY HLADKÉHO SVALU FÁZOVÁ VARIANTA KONTRAKCE - režim opakovaných cyklů A • (P) lehkých regulačních řetězců myozinu je s~\ předpokladem FÁZOVÉ složky kontrakce (J - -► čas o ATP se spotřebovává TONICKÁ VARIANTA KONTRAKCE - zablokovaný můstek 9 cas Defosforylace lehkých řetězců myozinu ve stavu KONTRAKCE při TMLCP zpomalení DISOCIACE M.A komplexu PRODLOUŽENA TONICKÁ kontrakce ATP se šetří FAZOVA VARIANTA KONTRAKCE - režim opakovaných cyklů OQCOQQQQft KLIDOVÝ STAV ATP u J>, ADP MLCP FOSFATAZA MYOZINU cas MLCK*/ MLCP disociace komplexu aktin-myozin konformace s vysokou energií KLIDOVÝ STAV Q FOSFORYLACE LEHKÝCH ŘETĚZCŮ MYOZINU JE PŘEDPOKLADEM opakovaných cyklů ATP A MP.ADP.P, Ca2+-CaM -KALPONIN-KALDESMON cocoooooo A Ivr.ATP A. Ivť.ADP. P, PRICNE MŮSTKY ATP A.Rť konformace stav kontrakce se spotřebovává nízkou energií Adaptováno podle Berne and Levi (2004) m HLADKÝ SVAL I TONIČKA VARIANTA KONTRAKCE - zablokovaný můstek cas i MLCK* / MLCP DEFOSFORYLACE lehkých řetězců myozinu VE STAVU KONTRAKCE KLIDOVÝ STAV ATP Ca2+/CaM-MLCK "=> A ADP Pí MLCP KLIDOVÝ STAV Q a mP.ADP.Pj M.A disociace probíhá velmi pomalu i při ATP TONIČKA KONTRAKCE modu zablokovaného můstku "latch bridge" se setři t MLCK* / MLCP Adaptováno podle Berne and Lem (2004) coooooooo a m.ATP ATP (atmí adp. p, Ti MLCK* (^tm^^adp' stav kontrakce ■ HLADKÝ A SRDEČNÍ SVAL ZAKONČENI AUTONOMNÍCH NEURONU Synapse v průběhu nervových zakončení („en passanŕ') difuzní vzdálenost 20-40 nm axon svalová buňka DIFÚZNI SYNAPSE NORADRENERGNÍ (vezikuly s norepinefrinem) CHOLINERGNÍ (vezikuly s acetylcholinem) terminálni varikozity Strukturální charakteristické vlastnosti Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikálni vlastnosti svalů Stupňování a modulace kontrakce Přehled charakteristických vlastností kosterního, srdečního a hladkého svalu IZOMETRICKÁ AIZOTONICKA KONTRAKCE kosterní sval KLIDOVÁ TENZE imk IZOMETRICKÁ kontrakce při KONSTANTNÍ DÉLCE měří se změny v TENZI IZOTONICKA kontrakce KE - kontraktilní elementy při KONSTANTNÍ TENZI pj^ SE _ paralelní a sériová elasticita měří se změny DÉLKY J (s kontraktilními elementy) PE - extracelulárni a intracelulární elastické komponenty (titin spojující M a Z linie) SE - fibrózní tkáň úponu šlachy auxotonicka kontrakce srdeční sval IZOVOLUMICKA FÁZE (IZOMETRICKÁ) E JEKČNÍ FÁZE (IZOTONICKÁ) AUXOTONICKA TONIČKA KONTRAKCE {tonus krevních cév) ■ FÁZOVÁ KONTRAKCE {kontrakce moč. měchýře) 14 závislost tenze na protaženi svalu 30-, kosterní sval i 20- 10- CELKOVA tenze AKTIVNÍ tenze PASIVNÍ tenze klidová délkíHlmivo prodloužení svalu (cm) PASIVNÍ tenze CELKOVÁ tenze AKTIVNÍ tenze tenze při postupném natahování nestimulovaného svalu (ELASTICKÁ KOMPONENTA) IZOMETRICKÁ kontrakce (stimulovaného svalu) při postupně se prodlužující počáteční délce rozdíl mezi CELKOVOU a PASIVNÍ tenzí - tenze tvořená interakcí KONTRAKTILNÍCH elementů (úměrná počtu vytvořených příčných můstků) 15 AKTÍVNI TENZE příčně pruhovaného svalu v závislosti na POČÁTEČNÍ DÉLCE (PROTAŽENÍ) SARKOMERY fyziologická pracovní oblast 100 80 - srdeční sval senzitivita aktinu (TnC) k Ca2+ závislá na protažení 99 membránové kanály aktivované natažením stretch-activated channels66 srdce kosterní sval 8 2Í0 2,2 i I i 2,4 i 2.6 1 NJ 1 2,8 3>s3^2 2,2 1 1,9 počáteční délka sarkomery [|J.m] \ STARLINGUV ZAKON závislost kontrakce komor na objemu krve na konci diastoly HLADKÝ SVAL HLAVNI CHARAKTERISTICKÉ RYSY VÝRAZNÁ ROZŤAŽNOSŤ (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) PLASTICITA U myocytů hladké svaloviny není přímý vztah mezi DÉLKOU a r TENZI. Zvýšená tenze po natažení téměř okamžitě spontánně poklesne U dutých orgán obdobný vztah mezi {gastrointestinální trakt, močový měchýř, ...) >BJEMEM a TLAKE PLASTICITA HLADKÉHO SVALU CYSTOMETROGRAM močový měchýř IZOLOVANÝ MYOCYT (jejunum člověka) i i /O ' r • y objem W' spuštění reflexu mikce P = 2T/r LAPLACEUV ZÁKON elektrofyziologická merem tenzometrf// Ca2+-kanály aktivované natažením ^stretch-activated channels" ^flifigjr DEPOLARIZACE PLASTICITA depolarizace ^ \ regolarizace TONUS Ca2+ a REPOLARIZACE I TONUS <4—^Ca^ 17b Strukturální charakteristické vlastnosti Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikálni vlastnosti svalů Stupňování kontrakce Charakteristické rysy kosterního, hladkého a srdečního svalu kosterní sv; hlavni faktory stupňovaní kontrakce O t FREKVENCE EXCITACÍ v motorickém neuronu ^ FREKVENČNÍ SUMACE kontrakcí ve svalových buňkách (TETANICKÁ KONTRAKCE) PROSTOROVÁ SUMACE - nábor t počtu aktivovaných MOTORICKÝCH JEDNOTEK (při zvýšeném volním úsilí) KOSTERNÍ SVATľ GRADACE KONTRAKCE PRI ZVYŠUJÍCÍ SE FREKVENCI STIMULACE IZOLOVANÁ SVALOVÁ BUNKA OBLAST SUMACE OJ o TETANICKY STAH hladký tetanus vlnitý (neúplný) tetanus Krátká refrakterní doba AP buňky kosterního svalu dovoluje kopírovat aktivitu motorického neuronu při vysoké frekvenci Sumace jednotlivých množství uvolněného Ca2+ze SR v sarkoplazmě ~T~ 30 40 svalová trhnutí s úplnou relaxací 10 20 frekvence stimulace (Hz) -> Zkrácený časový interval při vzrůstající frekvenci omezuje dobu pro relaxaci 1 Hz = 1 impuls/sec ÍĽCa*], 19 SRDCE hlavni faktory stupňovaní kontrakce t DIASTOLICKÁ NÁPLŇ KOMOR („preloaď') => T kontrakce komor, která je úměrná natažení kardiomyocytů na konci diastoly FRANK-STARLINGŮV ZÁKON t FREKVENCE ELEKTRICKÉ AKTIVITY srdečních buněk při modulaci pacemakerové aktivity SA uzlu T tonem sympatiku => pozitivní FREKVENČNÍ EFEKT Vazba LIGAND-RECEPTOR s následující intracelulární sekvencí dějů => f [Ca 2+]; (noradenalin, adrenalin, tyroxin, ...) HLADKÝ SVAL HLAVNÍ FAKTORY STUPŇOVÁNÍ KONTRAKCE / TONU ■ DEPOLARIZACE MEMBRÁNY (i bez spustení akčních napětí) aktivace napěťově závislých Ca2+ kanálů => f [Ca2+]j FAKTORY NA POLARIZACI MEMBRÁNY NEZÁVISLE Vazba ligand-receptor s následující aktivační kaskádou => f [Ca 2+]{ (např. aktivace PLC =^> | IP3 =^> uvolnění Ca2+ ze SR) Protažení svalových buněk => otevření Cvl2+ kanálů aktivovaných protažením membrány („stretch channels") => | [Ca 2+]j Strukturální charakteristické vlastnosti Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikálni vlastnosti svalů Stupňování kontrakce Přehled charakteristických vlastností kosterního, srdečního a hladkého svalu kosterní sval HLAVNI CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI o Mnohojaderné dlouhé cylindrické buňky (max. 20 cm) o Bohatě vyvinuté sarkoplazmatické retikulum_ o Pravidelné uspořádání myozinových a aktinových filament do |sarkomer {příčné pruhování) o Aktivita silně závislá na nervovém zásobení (přenos vzruchu motorickou ploténkoú) o Svalová vlákna nejsou navzájem propojena (žádné „gap junctions") O Motorické neurony se větví pro inervaci většího poctu buněk; {motorická jednotka definována jako jeden motorický neuron |inervující 5-1000 buněk) o Sumace kontrakcí při vysoké frekvenci motorická ™excitace {tetanus) y?^\ jednotka o Aktivita pod volní kontrolou ^ 5-1000 TYP I POMALY - ČERVENY např. zádové svaly, m. soleus o Pomalé kontrakce (zajišťující většinou postoj těla) H-™— ~ Pomalé motorické jednotky s motorickými neurony s nižší rychlostí vedení impulzů (menší průměr) Převážně AEROBNÍ METABOLIZMUS a t ODOLNOST PROTI ÚNAVĚ TYP II RYCHLÝ (ČERVENÝ/BÍLÝ) naPř-s^ffitHouValy o Krátkodobé stahy pro jemné rychlé cílené pohyby • Rychlé motorické jednotky s motorickými neurony s velkou rychlostí vedení vzruchů (větší průměr) TYP Ha (RYCHLÝ-ČERVENÝ ) a TYP lib (RYCHLÝ-BÍLÝ) Poměr AEROBNÍHO a ANAEROBNÍHO (glykolýza) METABOLIZMU určuje NÁCHYLNOST K ÚNAVĚ Sportovní aktivitou se TYP lib postupně mění na TYP Ha 23 srdeční sval HLAVNI CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI O Jednojaderné, větvené a vzájemně propojené buňky interkalárními disky (max. délky 100 jim) • Středně vyvinuté sarkoplazmatické retikulum Pravidelné uspořádání myozinových a aktinových filament do sarkomer {příčné pruhování) o Excitace a kontrakce jsou nezávisle na nervovém zásobení (pravidelný „pacemaker" v SA uzlu, AV uzlu) o Funkční syncytium (elektrická spojení - „gap junctions") o Receptory pro neurotransmitery (uvolňované z nervových zakončení) a hormony (přiváděné cirkulací); modulace lokálními mediatory o Tetanická kontrakce nemuze vzniknout pro dlouhou refrakte-ritu akčního napětí_ o Aktivita nezávislá na vuli o Jednojaderné vretenovité buňky variabilní délky (50-200 \im) O Nepravidelné uspořádání myozinu a aktinu o Málo vyvinuté sarkoplazmatické retikulum; T-systém chybí o Kontrakce viscerálního svalstva nezávisí na nervovém zásobení {nepravidelnápomalá nestabilní„pacemakerová" aktivita), funkčnísyncytium {gap junctions) o Pomalý fázový, tonický i tetanický stah_ o Četné receptory pro neurotransmitery (uvolňované z nervových zakončení) a hormony (přiváděné cirkulací). Modulace také Vokálními chemickými mediátory o Aktivita může být spuštěna natažením svalu {membránové kanály b aktivované protažením -„stretch-activated channels") m Výrazná roztažnost a plasticita o Aktivita nezávislá na vůli. typy hladkých svalu VISCERALNI - JEDNOTKOVÝ např. žaludek, střeva, uterus, ureter Funkční syncytium {elektrickéspoje „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") VICEJEDNOTKOVY stimulovaný neurony např. arterioly, nu ciliaris, m. iris, ... Stimulace autonomními „ motorickými" neurony (acetylcholin / norepinefrin) - autonomní„MOTORICKÉ" jednotky Svalové buňky nejsou propojeny „gap junctions"; AN nevznikají Synapse v průběhu nervových zakončení („en passanť) Kontrakce jsou jemně stupňované a lokalizované 26