Kosterní svalstvo Základní pojmy: * Sarkoplazmatické retikulum -- zásobárna iontů vápníku - depolarizace membrány TH uvolnění vápníku v blízkosti kontraktilního aparátu TH vazba na proteiny zajišťující kontrakci TH zkrácení myofibril -- kontrakce * Myofibrily -- soubory tlustých a tenkých filament, které spolu interagují a v důsledku konformačních změn se po sobě posouvají Tlusté filamenty * složeny z myozinu * myozin je dimer 200kDa proteinu "Mhc" (myosinový těžký řetězec) * dimer stabilizují interakce s a-helikálními doménami v C-koncové části proteinu * N-koncová část proteinu Mhc má globulární strukturu a váže dva druhy menších proteinů -- myosinové lehké řetězce "Mlc" * globulární hlavice mhc váže ATP a je schopna ATP-hydrolázové motorické aktivity -- umožnění pohybu podél aktinového vlákna Struktura molekuly myosinu Tenké filamenty * složeny z podjednotek G-aktinu, které polymerují do podoby vzájemně se ovíjejících F-aktinových filament * uspořádány v charakteristické poloze vzhledem k tlustým filamentům * funkční propojení s tlustými filamenty zajišťují tropomyosin a troponiny * ukotvení a správnou vzájemnou orientaci tlustých a tenkých filament zajišťují myomesin a a-aktinin Aktinová vlákna jsou tenká a pružná * každé aktinové vlákno představuje stočený řetězec, sestávající ze stejných globulárních molekul aktinu * aktinová vlákna mají strukturní polaritu: rozlišujeme plus- a minus-konce * obvykle se aktinová vlákna sdružují do silnějších svazků a sítí Mechanismus polymerace aktinu a tubulinu je obdobný * aktinová vlákna rostou přidáváním aktinových monomerů na obou koncích * větší rychlost růstu na plus-konci vlákna * každý volný monomer aktinu nese navázaný ATP * hydrolýza ATP na ADP nastává krátce po zapojení monomeru do aktinového vlákna a způsobí snížení vazby mezi monomery * schopnost vláken se rozkládat a skládat je nutná pro mnoho funkcí aktinových vláken (např. při pohybu buňky) Důsledky poškození aktinových vláken Např. toxiny některých hub: * cytochalasiny znemožňují polymeraci aktinu * faloidin stabilizuje aktinová vlákna a znemožňuje jejich depolymeraci Důsledky přidání cytochalasinů/faloidinu buňkám: * okamžité zmrazení buněčných pohybů Řada proteinů se váže k aktinu a mění jeho vlastnosti Např. thymosin a profilin: * vážou se k monomerům aktinu a tím jim zabraňují vázat se na konce vláken - udržování rezervy monomerů - účast v regulaci polymerace aktinu Další proteiny interagují s vlákny a podílejí se na tvorbě jejich svazků a sítí Aktin se podílí na tvorbě buněčného kortexu Buněčný kortex: * sítě aktinových vláken lokalizované ve vrstvě cytoplazmy těsně pod plazmatickou membránou * zpevňuje povrch buňky a dodává mu mechanicku odolnost * podíl na změnách tvaru buněk a jejich pohybu Pohyb buňky závisí na aktinu * malá část buněk se pohybuje za pomoci řasinek a bičíků * většina buněk se posunuje po povrchu podložky: koordinované změny mnoha molekul v různých zónách buňky: a) buňka vysunuje výběžky na "přední straně" b) výběžky přilnou k povrchu, po němž se buňka posunuje c) zbytek buňky se tahem za toto ukotvení přitáhne dopředu Aktin je potřebný pro všechny tři procesy. Vysunování výběžků je poháněno polymerizací aktinu * vedoucí okraj vysouvá tenká listovitá lamelipodia (obsahují hustou síť aktinových vláken) * mnohé buňky vysouvají tenké, pevné výběžky -filopodia (obsahují svazky 10-20 aktinových vláken) * lamelipodia a filopodia jsou průzkumné jednotky, rychle se vysouvají a zasouvají, hledají cílové struktury * vznikají rychlým růstem aktinových vláken pod plazmatickou membránou Přilnutí buněk k substrátu Dotyk výběžků k příhodnému substrátu indukuje: * adherenci integrinů k molekulám matrix nebo k povrchu jiné buňky * zachycení aktinových vláken na vnitřní straně plazm. membrány na integriny - vzniká kotvicí systém Posun buňky * vnitřní kontrakce přitáhne zadní část buňky * využití opory kotvícího systému * nutná koordinace činnosti aktinových a myosinových vláken Svalová buňka * dlouhé mnohojaderné vlákno * vzniká fúzí jednojaderných myogenních buněk během embryonálního vývoje * obklopena proteiny příbuznými kolagenu -- ukotvení do buněčného cytoskeletonu * inervována axony motorických neuronů Kontrakce * Depolarizace plazmatické membrány TH prostřednictvím membrán a tubulů T přenos depolarizace na membránu sarkoplazmatického retikula TH uvolnění vápníku do myofibrilárních prostor TH ionty Ca^2+ se vážou na troponin C * Troponin C se v pravidelných intervalech váže prostřednictvím troponinu T na tropomyosin * po vazbě Ca^2+ na troponin C TH konformační změna troponinu I * troponin I za nepřítomnosti Ca^2+ zabraňuje interakcím aktinu s myosinem * za přítomnosti Ca^2+ nastává interakce mezi hlavicemi Mhc a aktinem TH za současné hydrolýzy ATP dochází k posunu tenkých filament podél filament tlustých * relaxace nastává po uvolění Ca^2+ z troponinu C a jeho transportu zpět do sarkoplazmatického retikula TH opětná inhibice interakce aktin-myosin Kontrakci svalu spouští uvolnění Ca^2+ ze sarkoplazmatického retikula Regulace myosinu fosforylací Mechanismy regulace kontrakce a relaxace u hladkého svalstva obratlovců Mechanismy regulace kontrakce a relaxace u hladkého svalstva obratlovců Mechanismy regulace kontrakce a relaxace u hladkého svalstva obratlovců Mechanismy regulace kontrakce a relaxace u hladkého svalstva obratlovců Embryonická diferenciace kosterního svalstva * vlákna kosterního svalstva -- produkt fúze progenitorových myoblastů (proto obsahují mnoho jader) * myoblasty -- lze pěstovat v kultuře, kde je fúzi možno navodit uměle * diferenicace a proliferace řízena např. TGFb nebo FGF * růstové faktory stimulují proliferaci * snížení hladiny růstových faktorů indukuje zastavení růstu v G[1], fúzi a diferenciaci * diferenciace je doprovázena aktivací transkripce souboru genů kódujících kontraktilní proteiny (aktin, myosin), receptorové proteiny a proteiny iontových kanálů b. membrány (pro nervovou stimulaci svalu) * exprese svalově-specifických genů nastává koordinovaně se začátkem fúze myoblastů * geny kódující kontraktilní proteiny (např. těžký řetězec myosinu, aktin, receptor pro acetylcholin) mají ve svých promotorových oblastech typické regulační elementy * svalově specifické regulační elementy jsou relativně malé (60-120 pb), mají společné sekvence a fungují jako zesilovače transkripce (enhancery) * koordinaci tranksripce genů pro kontraktilní proteiny zajišťují transkripční faktory (proteiny MyoD1, Myd, myogenin, Myf5 a MRF4) * přenosem cDNA kódující MyoD do fibroblastů a indukcí její exprese lze navodit fúzi fibroblastů a jejich přeměnu na buňky podobné buňkám svalovým (aktivace exprese endogenních genů MyoD1, myf5, genu pro myogenin) Diferenciace svalových buněk Struktura proteinů typu MyoD1 * výskyt u mnoha obratlovců i bezobratlých * struktura zvaná "helix-loop-helix": - oblast bazických aminokyselin -- vazba na DNA, transaktivace - první a-helikální doména - smyčka "loop" bez nápadné sekundární struktury - druhá a-helikální doména -- interakce s jinými proteiny HLH (např. proteinem Id, E2) * vážou se na sekvenční motiv CANNTG * zastavují dělení myoblastů, indukují diferenciaci při nedostatku růstových faktorů