BIOFYZIKA SVALOVEJ KONTRAKCIE Ivan Poliaek TYPY SVALU Kostrov

BIOFYZIKA SVALOVEJ KONTRAKCIE Ivan Poliaček

TYPY SVALU • Kostrový sval - priečne pruhované svalové tkanivo pod kontrolou somatického nervového systému (voluntárna kontrola) • Srdcový sval - špeciálne priečne pruhované svalové tkanivo pracujúce automaticky a s moduláciou autonómnym nervovým systémom • Hladký sval - tkanivo bez priečneho pruhovania stimulované autonómnym nervovým systémom, hormonálne, alebo jednoducho natiahnutím

Štruktúra kostrového svalu Obklopuje každý zväzok Cieva Kosť Svalové vlákno bunka cell Šľacha - zväzok kolagénových vlákien Fascia sa stáva svalovým obalom, ktorý prechádza do šľachy Obklopuje každú bunku Zväzok - svalový snopec

medzi vláknami Sarkolema Sarkoplazma Myofibrila Jednotlivé svalové vlákna Jadro Hlboká štruktúra kostrového svalu

Svalové vlákno = svalová bunka • Sarkolema – membrána svalovej bunky (kostrového, srdcového a hladkého svalu) - vedie signál - vonkajší obal (tenká vrstva polysacharidov s kolagénovými vláknami), ktorý prechádza do vlákien šľachy • Sarkoplazma - cytoplazma s organelami • Myofibrily - cylindrické organely - kontraktilné elementy (myofilamenty) aktín a myozín (dĺžka niekoľko μm) - organizované do opakujúcich sa podjednotiek pozdĺž myofibrily – sarkoméry • Sarkoplazmatické retikulum s T- tubulárnym systémom – vnútorný vodivý systém

Štruktúra svalovej bunky Svalové vlákno Sarkoplazmatické retikulum Myofibrila Myozín Aktín Sarkoméra Hpás Sarkoméra Zdoštička Apás Zdoštička Mčiara Ipás

Mikroskopická fotografia a schéma sarkoméry Z-doštička Hrubé vlákno Tenké vlákno I-pás A-pás I-pás

relaxovaná maximálna kontrakcia sarkoméry je okolo 30% kontrahovaná

Kostrový sval • upevnený ku kostiam kvôli pohybu • niekoľko typov vlákien (rýchlosť, výdrž, únava, sila, veľkosť motorickej jednotky, štruktúra. . . ) • bunky - dlhé viacjadrové cylindrické – dĺžka niekoľko mm (bunka ľudského kostrového svalu), priemer typicky 100 150 μm • cytoskeleton – podporuje tvar bunky

Zhrnutie 1 • Aká je základná a „hlboká“ štruktúra kostrového svalu? • Aká je štruktúra svalového vlákna (bunky)? Ako bunka kostrového svalu vyzerá? • Čo je endomysium a na čo slúži? • Ktoré organely sú zodpovedné za kontrakciu – ako sú usporiadané? • Ktoré sú kontraktilné elementy – molekuly? • Ako je kontrakcia vykonaná?

Čo poháňa sval? Čo spôsobuje, že sa sval skracuje?

Motorické vlákna (axóny motoneurónov) v motorickom nerve vedú akčné potenciály do nervo-svalovej platničky. Akčný potenciál na presynaptickej membráne - aktivuje napätím riadené Ca kanály - Ca 2+ influx - vezikuly s neurotransmiterom - acetylcholín (ACh) uvoľnia acetylcholín do synaptickej štrbiny.

Acetylcholín sa viaže na nikotínové receptory postsynaptickej membrány svalovej bunky (nervo-svalovej platničky) – aktivácia Na kanálov – depolarizácia = EPSP = platničkový potenciál acetylcholín • Acetylcholín je eliminovaný (zo synaptickej štrbiny) rozkladom acetylcholín-esterázou. nikotínový ACh receptor

Intracelulárny záznam zo svalovej bunky elektródy Nervový impulz na axónovom zakončení uvolní ACh do nervosvalovej platničky. ACh vyvolá EPSP = platničkový potenciál (PP) na subsynaptickej membráne platničky (pod zakončením) (na grafe A), ale nie ďalej od platničky (B). Keď PP dosiahne prahovú hodnotu (okolo − 50 m. V), vznikne akčný potenciál, ktorý sa šíri pozdĺž vlákna (na grafe od A k B). Akčný potenciál PP stimul na nervosvalovej platničke stimul na nerve čas (ms)

depolarizačná fáza repolarizačná fáza prah depolarizácia čas (ms) Depolarizácia je zmena membránového potenciálu na plazmatickej membráne bunky, kedy sa stáva vnútro bunky menej negatívne (vonkajšok bunky menej pozitívne) nabité. čas (ms) Počas depolarizačnej fázy AP sa MP zmení z približne -85 m. V na asi +20 m. V. Počas fázy repolarizácie dochádza k postupnému návratu na hodnotu kľudového membránového potenciálu asi -85 m. V.

• Náhodne uvolnený vezikulus s acetylcholínom do synaptickej štrbiny vyvolá miniatúrny EPSP (miniatúrny platničkový potenciál) – NEAKTIVUJE TO AKČNÝ POTENCIÁL. • Úplný platničkový potential - PP (pri synaptickej transmisii : AP - Ca 2+ influx – uvolnených mnoho vezikúl) vždy dosiahne prah (spúšťaciu úroveň) a vyvolá akčný potenciál na svalovej bunke. • Akčný potenciál sa šíri pozdĺž sarkolemy a cez Ttubulárny systém svalovej bunky depolarizuje terminálne cisterny a sarkoplazmatické retikulum.

Motorická jednotka miecha • Svalové bunky sú izolované spojivovým tkanivom - každá musí byť stimulovaná axónom motoneurónu. • Motorická jednotka - všetky svalové bunky inervované tým telo motoneurónu istým motoneurónom – kontrahujú sa naraz. axón motoneurónu • Väčšinou je v svale zmes motorických jednotiek rozličnej veľkosti. veľké jednotky >100 buniek (najmä pomalé posturálne svaly) malé jednotky okolo 10 buniek (presná kontrola rýchlych svalov – napr. okohybných) Nervo-svalová platnička Svalové vlákna (bunky)

Rekruitment (nábor) motorických jednotiek Zvyšujúca sa centrálna (motoneurónová) aktivita – postupná aktivácia motorických jednotiek s vyšším prahom. miecha Motorická jednotka 1 - nízkoprahová (aktivuje sa skôr) Motorická jednotka 2 Motorická jednotka 3 - vysokoprahová (aktivuje sa neskôr)

Zhrnutie 2 • • • Kde sa vezme signál, ktorý aktivuje kostrový sval? Kde sa prenáša na sval? Aká je funkcia Ca++? Ako sa nazýva EPSP na svalovej bunke? Aké receptory a ktorý mediátor sú zapojené do synaptického prenosu z motoneurónu na svalovú bunku? Aký je priebeh akčného potenciálu na svalovej bunke (vlákne)? Ako ďaleko (kam) sa akčný potenciál na svalovej bunke dostane? Koľko svalových buniek je „napojených“ na jednotlivý motoneurón? Môžu byť susediace svalové bunky aktivované rozdielne? Kedy a do akej miery sú všetky svalové bunky aktivované?

oddych intracelulárny Tvar a niektoré parametre akčného potenciálu svalového vlákna hypopolarizácia čas (ms) extracelulárny Stimulačný artefakt vrchol latencia trvanie

Extracelulárne snímanie EMG z parasternálneho svalu – 2 rozdielne motorické jednotky boli detekované 200 μV 10 ms

Mechanizmus. Čo sa deje na ceste od akčného potenciálu ku kontrakcii svalu?

Sarkoplazmatické retikulum obklopuje myofibrily a obsahuje zásobu Ca 2+ iónov. Priečny T – tubulárny systém je cestou pre akčný potenciál, aby sa depolarizovalo sarkoplazmatické retikulum. sarkolema myofibrily terminálne cisterny T - tubuly sarkoplazmatické retikulum A-pás I-pás Z línia mitochondria jadro Akčný potenciál na T – tubuloch - depolarizuje sarkoplazmatické retikulum - aktivuje napätím riadené Ca kanály - uvoľnenie - influx (prienik) Ca 2+ do intracelulárneho priestoru svalového vlákna Ca 2+ – je iniciátor svalovej kontrakcie

Membrána Myofibrila Ca kanál T-tubuly sformované z preliačenia plazmatickej membrány Sarkoplazmatické retikulum Proteín citlivý na potenciál Depolarizovaná membrána T-tubula Membrána T-tubula Akčný potenciál Membrána sarkoplaz. retikula Uvoľnenie Ca iónov

Svalová kontrakcia sa deje interakciou AKTÍN-ových (tenké) a MYOZÍN-ových (hrubé) vlákien. Tropomyozín v kľude prekrýva väzobné miesta aktínu. tenký filament tropomyozín troponín myozín hrubého filamentu

Sval sa kontrahuje, keď sa myozínové hlavy viažu s aktínom (priečne mostíky) a myozínové hlavy sa ohnú, čím potiahnu aktínové filamenty hlbšie medzi myozínové filamenty. cyklus : väzba – ohnutie – uvoľnenie 1 záber – 10 -12 nm Kým je Ca 2+ a ATP prítomné (pri aktíne a myozíne) cyklus : väzba s aktínom, ohnutie, uvoľnenie a vyrovnanie myozínových hláv pokračuje (kontrakcia). Ca 2+ je neustále „pumpované“ (Ca pumpou) nazad do sarkoplazmatického retikula (a tubulov a cisterien a extracelulárne). Aby bola stále vysoká koncentrácia Ca 2+ - ďalšie akčné potenciály ho musia uvolniť opäť a opäť. Bez Ca 2+ sa tropomyozín vráti do tvaru (konformácie), ktorý blokuje väzbové miesta aktínového vlákna – zastavenie kontrakcie.

Väzba priečnymi mostíkmi Schéma myozínovej hlavy kuracieho svalu. Pohyb je zrejme v skutočnosti oveľa plynulejší a rozložený aj na aktínovo-myozínové rozhranie. (Rayment et al. Science 261: 50 -58, 1993) Každá myozínová molekula obsahuje 2 peptidy ťažkých reťazcov, ktoré boli enzymaticky zviazané do myozínového ramena a 2 globulárnych hláv či priečnych mostíkov. Ťažký reťazec hlavy má oblasť ramena (modré) obalenú 2 menšími peptidmi. Tieto peptidy predstavujú ľahký reťazec (žlté a červené), ktorý stabilizuje a niekedy sa podieľa na regulácii myozínu.

Myozínové vlákno s myozínovými hlavami každých 14, 5 nm. 294 myozínových molekúl je na hrubom vlákne (588 ATP-ázových väzobných miest).

Ca 2+ sa viaže na troponín, mení sa tvar (konformácia) tropomyozínu, ktorý odkryje väzobné miesta na aktíne aktínového vlákna. Svalová kontrakcia vyžaduje aj ATP. Keďže je ATP nevyhnutné na uvoľnenie väzby aktínu a myozínu – bez ATP : RIGOR MORTIS.

Na uvoľnenie ohnutých myozínových hláv z väzby k aktínu a na ich vyrovnanie je potrebné ATP. Myozín hydrolyzuje ATP (rozklad na ADP a fosfát), čím získa energiu.

Zhrnutie 3 • Načo slúži v svale sarkoplazmatické retikulum? • Čo sa udeje, keď sa membrána sarkoplazmatického retikula depolarizuje? • Aká je funkcia Ca++? • Čo je následkom odpumpovania Ca++ z intracelulárneho priestoru svalovej bunky? • Ako tropomyozín ovplyvňuje svalovú kontrakciu? • Akú úlohu má ATP v svalovej kontrakcii? • Čo sa stane, keď v svalovej bunke nijaké ATP? • Prečo sa opakuje sekvencia : väzba aktínu s myozínom – ohnutie myozínových hláv (potiahnutie aktínových molekúl) – uvolnenie väzby a narovnanie myozínových hláv? • Na čo bezprostredne je použitá energia ATP (pri kontrakcii)?

Svalové trhnutie • zvýšená intracelulárna koncentrácia Ca 2+ (uvoľnené zo sarkoplazmatického retikula a T – tubulov) trvá dlhšie než akčný potenciál • ešte dlhšie trvá jednotkové svalové trhnutie - nijaký akčný potenciál od iného než správneho motoneurónu - SUMÁCIA je ČASOVÁ a to na úrovni uvoľňovania Ca 2+ a superpozície svalových trhnutí

Svalové trhnutie – vlnitý a úplný tetanus MP (m. V) - Tetanická kontrakcia – motorická jednotka je stimulovaná vysokou frekvenciou akčných potenciálov z príslušného motoneurónu. F - Čas medzi stimulmi je kratší než svalové (N) trhnutie – málo času na relaxáciu – superpozícia svalových trhnutí a (ČASOVÁ) sumácia kontrakcie. - Sila kontrakcie sa zvyšuje – pridáva sa k predchádzajúcim trhnutiam. nekompletný (vlnitý) tetanus Akčný potenciál izometrické trhnutie čas (ms) kompletný (hladký) tetanus

Oproti sebe pôsobiace svaly sú agonista a antagonista (napr. flexia lakťa - biceps brachialis - agonista, triceps brachialis - antagonista). Antagonista nie je nikdy úplne relaxovaný kontrola a zmiernenie pohybu udržovaním tonusu proti agonistovi (excentrický pohyb)

Zhrnutie svalovej kontrakcie

Zhrnutie 4 • Aké je trvanie akčného potenciálu, zvýšenej intracelulárnej koncentrácie Ca++ a jednotkového svalového trhnutia? • Aký typ sumácie funguje pri svalovej kontrakcii? • Koľko motoneurónov môže stimulovať jednotlivé svalové vlákno? • Porovnajte frekvencie aktivácie svalu pri vlnitom a hladkom tetane? • Ako sa dosiahne maximálna možná kontrakcia svalu? • Ako pracujú svaly „zapojené“ opačne?

• Krátky oddych • Čas na premyslenie si a zorganizovanie informácii.

VLASTNOSTI SVALU • Elasticita alebo pružnosť - svaly obsahujú elastické elementy, ktoré zabezpečujú ich pružnosť (návrat do pôvodnej dĺžky) • Roztiahnuteľnosť - sval je možné natiahnuť viac než je jeho kľudová dĺžka • Excitabilita a schopnosť odpovedať - svalové tkanivo môže byť stimulované elektricky, fyzikálnymi, alebo chemickými podnetmi • Kontraktivita – premena chemickej energie na mechanickú prácu - pohyb - odpoveď svalového tkaniva na stimuláciu je kontrakcia (skrátenie) Svaly môžu len ťahať, nie tlačiť

Hladký sval • Hladký sval (viscerálny) - vo vnútorných orgánoch a cievach - žiadne priečne pruhovanie - vrstvy pod sliznicami v respiračnom a tráviacom systéme, kruhové vrstvy v stenách ciev, sfinktery (zvierače) • Svalové vlákna hladkých svalov – vretenovitý tvar (fuziformný - širší v strede a tenší na koncoch) - 20 -500 μm dĺžka • Pomer aktínu a myozínu ~ 6 : 1 v kostrovom svale, ~ 4 : 1 v srdcovom svale a ~ 16. 5 : 1 v hladkom svale • Vyššia elasticita a schopnosť sa natiahnuť, pričom sa stále zachováva kontraktilita, v porovnaní s priečne pruhovanými svalmi

Kruhové vrstvy okolo čreva vykonávajú kontrakciou segmentáciu Hladký sval čreva Longitudinálne vrstvy pozdĺž čreva vykonávajú vlnité kontrakcie

Kontrakcia hladkého svalu • Kontrakcia - posun myozínových a aktínových filamentov - hormóny, neurotransmitery, lieky atď. • Jednotkový hladký sval – tkanivo je spojené do syncytia - autonómny nervový systém inervuje jednu bunku vo vrstve či zväzku - akčný potenciál sa šíri cez spojenia typu „gap junctions“ na susedné bunky (a všetky sa kontrahujú spoločne). • Hladký sval sa môže kontrahovať spontánne - je myogénny (dynamika iónových kanálov alebo pacemakrovým bunkám – intersticiálne Cajal -ove bunky gastrointestinálneho traktu). Peristaltika potrava ezifágus Cirkulárne svaly kontrakcia Potrava pehltnutá predtým Cirkulárne svaly relaxované Sfinkter Žalúdok

Kontrakcia hladkého svalu Viacjednotkový hladký sval – autonómnym nervovým systémom sú inervované jednotlivé bunky (jemná kontrola a graduovaná odpoveď podobne ako pri skeletálnom svale) - trachea, elastické artérie, iris oka). Nie troponín, ale kalmodulín je regulačným proteínom v hladkom svale. Tropomyozín tiež nemá regulačnú funkciu, ako v priečne pruhovaných svaloch. Kontrakcia sa začína Ca-regulovanou fosforyláciou myozínu, nie Ca-aktivovaným troponínovým systémom. Tenké filamenty hladkého svalu obsahujú najmä aktín, tropomyozín, a kaldesmon.

Zhrnutie 5 • • • Čo je elasticita, roztiahnuteľnosť, excitabilita, a kontraktivita? Aké sú hlavné rozdiely medzi kostrovým a hladkým svalom? Čo to znamená syncytium? Čo predstavuje myogénna aktivita? S ktorou molekulou interaguje Ca++ v hladkom svale namiesto troponínu, ktorý je v kostrovom svale? • Ako sa spustí kontrakcia vo viacjednotkovom hladkom svale?

• Srdcový sval Interkalárne disky Priečne pruhovanie Jadrá Myocyty - oveľa kratšie bunky než kostrový sval - bunky srdcového svalu sú spojené - gap junctions - interkalárnymi diskami - elektrochemické impulzy prechádzajú na všetky prepojené bunky – syncytium (bunky pracujú ako celok) Mierne priečne pruhovanie - podobné, ale nie totožné usporiadanie myofilamentov, ako má kostrový sval. Mnohé bunky srdcového svalu sú myogénne - impulzy vznikajú vo svale, neprichádzajú z nervového systému – srdcový rytmus.

Schéma interkalárneho disku srdcového svalu cytozol gap junctions vytvárajú cytoplazmatické mostíky konexín proteín medzibunkový priestor bunková membrána • V myocytoch srdcového svalu, influx Na+ spustí Caindukované Ca 2+ uvoľnenie - Ca 2+ influx cez napätímriadené Ca kanály v sarkoleme, čo vedie k uvoľneniu Ca 2+ zo sarkoplazmatického retikula.

Monofázický akčný potenciál (srdcový sval) Fáza 2 Ca 2+ do bunky inicializácia kontrakcie Fáza 0 depolarizácia Na+ do bunky Fáza 3 K+ von z bunky repolarizácia Kľudový potenciál depolarizácia repolarizácia

Fáza 0 „Pace-makerový“ akčný potenciál Prepotenciál Fáza 3 Fáza 4

Monofázický akčný potenciál (srdcový sval) and its relation to the a jeho vzťah k ECG EKGwaveform krivke Fáza 1 Fáza 0 depolarizácia - Na+ influx Fáza 2 Fáza 3 repolarizácia K+ eflux Dlhotrvajúci akčný potenciál – dlhá refraktérna perióda – žiadna časová sumácia - žiadna tetanická kontrakcia

Vzťah elektrických a mechanických charakteristík srdcovej akcie tlak v aorte tlak v ľavej komore akčný potenciál ľavej komory EKG čas (s)

Šírenie sa elektrickej aktivity (akčného potenciálu) zo sinoatriálneho uzla do tkaniva srdcových predsiení a atrioventrikulárneho uzla a potom do tkaniva srdcových komôr so záznamom príslušného EKG.

Zhrnutie 6 • • • Aká je funkcia interkalárnych diskov v srdci? Ako sú aktivované kardiomyocyty? Čo znamená vápnikom indukované vápnikové uvolnenie? Aké to má dôslesdky? O koľko je dlhšie trvanie akčného potenciálu kardiomyocytu v porovnaní s neurónom?

Porovnanie vlastností kostrového, srdcového a hladkého svalu Vlastnosť Kostrový sval Srdcový sval Hladký sval Priečna pruhovanosť? áno nie Relatívna rýchlosť kontrakcie rýchly stredná rýchlosť pomalý Voluntárna kontrola? áno nie Refraktórna perióda membrány krátka dlhá jadier v bunke veľa jedno kontrola kontrakcie nervy spontánna, nervovo modulovaná nervy hormóny natiahnutie Bunky prepojené interkalárnymi diskami alebo Gap Junctions? nie áno