srdce zakl HODNOCENÍ SVALOVÉ KONTRAKCE Závislost rychlosti kontrakce na zátěži kosterního svalu HODNOCENÍ KONTRAKCE KOSTERNÍHO SVALU zátěž mmax Vmax (m +a)v = (mmax- m) b Hillova rovnice konstanty Závisí na maximální rychlosti vytváření a uvolňování příčných vazeb mezi vlákny aktinu a myosinu. EVALUATION OF CONTRACTION IN SKELETAL MUSCLE One way to evaluate the contraction of skeletal muscle is based on measurement of relation between muscle load and velocity of muscle contraction. Relation of velocity of muscle contraction to muscle load A skeletal muscle contracts extremely rapidly when it contracts against no load — to a state of full contraction in about 0.1 second for average muscle. When loads are applied, the velocity of contraction becomes progressively less as the load increases, as shown in the graph. When the load is increased to equal the maximum force that the muscle can exert, the velocity of contraction becomes zero and no contraction occurs, despite activation of the muscle fibers. The decreasing velocity of contraction with load is caused by the fact that a load on a contracting muscle is a reverse force that opposes the contractile force caused by muscle contraction. Therefore, the net force that is available to cause velocity of shortening is correspondingly reduced. The data of contraction velocity (v) obtained at different load (m) can be approximated by Hill's equation where m[max] and v[max] stand for the maximal load that the muscle can bear (without lengthening) and maximal velocity of unloaded muscle, respectively. The constants a and b determine the curvature of the relation. Decreased value of v[max ]or increased curvature of the relation may indicate muscle fatigue or disease. 1) Druhý Newtonův pohybový zákon zátěž mmax Vysvětlení závislosti rychlosti kontrakce na zátěži kosterního svalu Fs Fg a = F mz = Fs - Fg mz v = a × t mz 1 2) Sval zdvihá minimálně svoji hmotnost ms a = Fs - Fg v = a × t mz + ms ms Vmax = ∞ 2 Vmax mmax 3 Vmax mmax 3) Maximální rychlost kontrakce je omezená Fyziologické faktory ovlivňující průběh závislosti rychlosti kontrakce na zátěži kosterního svalu 1) Počáteční délka svalu (sarkomer) průběh při kontrakci z klidové délky svalu zátěž mmax mmax průběh pro zkrácený nebo natažený sval Vmax 2) Počet aktivních sarcomer zátěž mmax mmax trénovaný sval mmax netrénovaný sval Vmax trénovaný sval netrénovaný sval Délka sarkomer [mm] Physiological factors affecting relationship between load and contraction velocity of skeletal muscle 1.Initial length of muscle Since the active force generated by a muscle is determined by the number of all potential actin-myosin interactions, it varies in accordance with the initial sarcomere length. Skeletal muscle can develop maximum force (F[max]) from its resting length if the length of sarcomeres is ca. 2 to 2.2 μm. When the sarcomeres shorten, part of the thin filaments overlap, allowing only forces smaller than F[max] to develop. When a muscle is pre-extended only limited number of actin–myosin bridges is available, which also restrict the generated force (m[max]). 2. Number of active sarcomeres The higher number of sarcomeres (arranged in parallel) is active in a working muscle the higher force can be generated (m[max]). The number of sarcomeres increases with training, so the trained people with bigger muscle mass can develop a higher force than untrained people. 3. Type of muscle fibers The maximal velocity of muscle contraction depends on the prevailing type of muscle fibers in the working muscle. If fast twitch fibers predominate V[max] is higher, if slow twitch fibers predominate V[max] is smaller. 3) Typ svalových vláken převaha rychlých vláken zátěž mmax převaha pomalých vláken Vmax Pomalý typ – 1 Rychlý typ – 2A Rychlý typ – 2B červená svalová vlákna, vysoká aerobní kapacita, odolné vůči únavě. červená svalová vlákna, střední aerobní a anaerobní kapacita, méně odolné vůči únavě. bílá svalová vlákna, nízká aerobní a vysoká anaerobní kapacita, rychlý nástup únavy. Pozn.: Při svalové práci se aktivují jednotlivé typy svalových vláken podle intenzity svalové kontrakce. What determines how many of each muscle fiber type an individual has? We are genetically programmed to having a certain percentage of each muscle fiber based on your parents’ genes. It is thought that the average person is born with around 60% fast twitch and 40% slow twitch fibers, however some individuals can be born with larger amounts of fast twitch or slow twitch fibers and may therefore be more suited to either high force or long duration activities. Role of hormones Some hormones in our blood affect the muscle fiber properties and fibre growth. Hormone levels naturally fluctuate throughout a person’s lifetime. Males and females have different levels of certain hormones produced and the type of exercise (i.e. light vs heavy weights) we do affect the level of released hormones as well. Some of these hormones are ‘catabolic’, that is they stimulate muscle breakdown, while others are ‘anabolic’, that is they stimulate the growth and repair of muscle tissue. Hence, depending on our age, gender and the type of training we do, the production of certain hormones in our body affects the muscles to contract more slowly or more fast. Role of training There is no evidence as yet to show that fiber type can be changed, however there is evidence to show that fibers adapt to the type of training they are exposed to. It means that if a person with predominantly slow twitch ‘endurance’ fibers will train predominantly with heavy weights the slow twitch fibers will overtime begin to behave more like fast twitch fibers and vice versa. s = 0.07 m Vstř = Vyšetření závislosti rychlosti kontrakce na zátěži kosterního svalu t = ? s t Exploration of dependence of contraction velocity on skeletal muscle load The experiment in our demonstration consists in measuring the times (t) needed for lifting dumbbell with different weights by 7 cm (s). The ratio s/t then determines the mean velocity of dumbbell lifting (V[mean ]or V ) which is proportional to contraction velocity of biceps brachii. Setup for measurement of contraction velocity of skeletal muscle The measuring setup consists of a dumbbell support with two switches that allow us to measure the time at the beginning of lifting and the time when the dumbbell is lifted by 7 cm. The time difference determining the lifting time (t) is evaluated for loads from 1 to 24 kg. Reprezentativní výsledky měření Representative results of measurement The results of measurement depicted in the graph show the most often difference between male and female in the contraction velocity – load relation. In the case of male, a higher values of maximal contraction velocity (V[max][,rel ]= 1) and of maximal load (m[max] 44.5 kg) indicate a higher percentage of fast twitch fibers and higher number of sarcomeres, respectively, in the explored muscle. HODNOCENÍ KONTRAKTILITY SRDEČNÍHO SVALU EVALUATION OF CARDIAC MUSCLE CONTRACTILITY In cardiac muscle, the term „contractility“ instead of „contraction“ is used when speaking about muscle performance. Contractility represents the performance of the heart at a given preload (left ventricular end-diastolic volume) and afterload (aortic pressure). In recent years, different indices have been proposed for evaluating cardiac contractility. Evaluation of some of them requires an invasive and difficult approach; such indices are therefore used only rarely. In contrast, the non-invasive approaches (based on echocardiography and Doppler ultrasound) that are routinely used in clinical cardiology are simpler, substantially less expensive, and provide a valuable information about cardiac contractility. Invasive indices: ·Index (dP/dt)[max] ·Index [(dP/dt)/P][max] ·Index V[max] ·Index E[max] Non-invasive indices: ·Ejection fraction ·Velocity of circumferential fiber shortening For specification of individual indices see the following slides. Index (dP/dt)max Normální hodnoty: 1300-1900 mmHg/s SV Stanovení: pomoci katetrizace. 1 Index (dP/dt)max vyjadřuje maximální rychlost nárůstu tlaku v levé komoře během izovolumické kontrakce (dP/dt)max dP dt dP/dt Pozn.: při zvýšení end-diastolického objemu v levé komoře (např. při hypertenzi), dochází k ovlivnění (dP/dt)max prostřednictvím Frank-Starlingova mechanizmu! HODNOCENÍ KONTRAKTILITY SRDEČNÍHO SVALU Využití: především k výzkumným účelům (náročná a nákladná invazivní metoda). Index [(dP/dt)/P]max 2 Index [(dP/dt)/P]max odpovídá maximální rychlosti kontrakce srdečního svalu. Pozn.: může být ovlivněn vysokým end-diastolickým tlakem v levé komoře! [(dP/dt)/P]max kontrola P 8 mmHg 70 mmHg Stanovení: pomoci katetrizace. Využití: především k výzkumným účelům (náročná a nákladná invazivní metoda). ! Normální hodnoty: 44±8.4 s-1 Index Vmax 3 Index Vmax odpovídá rychlosti kontrakce srdečního svalu při nulové zátěži. P 0 70 Vmax extrapolace 15 Pozn.: může být ovlivněno nepřesnou extrapolací! ! 8 [mmHg] P 0 70 Vmax extrapolace 15 8 [mmHg] kontrola kontrola hypertenze hypertenze Stanovení: pomoci katetrizace. Využití: pouze k výzkumným účelům (náročná a nákladná invazivní metoda). Index Emax Stanovení: pomoci katetrizace. 4 Index Emax je definován jako strmost přímky určené z end-systolických hodnot P-V diagramů. Pozn.: nejpřesnější metoda pro stanovení kontraktility myokardu nezávislá na end-diastolickém tlaku v levé komoře ani na arteriálním tlaku! P V 30 ml 100 ml Emax= DPes DVes 70 110 [mmHg] [ml] po uzavření aorty pomoci balónku! kontr. normální Emax menší Emax snížená kontraktilita DVes DVes Pes - end-systolický tlak Ves - end-systolický objem srdce zakl Využití: pouze k výzkumným účelům (náročná a nákladná invazivní metoda). 14 ejekcni frakce obyc schema Ejekční frakce EF = SV EDV SV - systolický objem EDV - objem komory na konci diastoly Normální hodnoty: SV » 70 ml, EDV » 100 ml, EF = 50 - 70% SV EDV EF stoupá např. při sympatické stimulaci a jiným inotropním působení 40 % a méně ukazuje na sníženou kontraktilitu (systolická dysfunkce) Stanovení: pomoci magnetické rezonance nebo echokardiografie. 5 Využití.: metoda EF se běžně využívá v klinické praxi pro neinvazivní odhad kontraktility levé srdeční komory! klinika ejekcni frakce obyc schema Rychlost stahu obvodového vlákna levé komory Vcf = (Cd-Cs) Cd Cd – délka vnitřního obvodu příčného řezu levé komory v diastole Cs – délka vnitřního obvodu příčného řezu levé komory v systole tef – doba ejekční fáze Normální hodnota: 1.09 ± 0.12 circ · s-1 Cd Stanovení: pomoci echokardiografie. 6 Využití.: stanovení Vcf se běžně využívá v klinické praxi pro neinvazivní odhad kontraktility levé srdeční komory! Cs klinika · tef