KOSTERN SRDEN A HLADK SVAL KOSTERN SRDEN A

KOSTERNÍ, SRDEČNÍ A HLADKÝ SVAL

KOSTERNÍ, SRDEČNÍ A HLADKÝ SVAL Strukturální rozdíly Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikální vlastnosti svalů Stupňování a modulace kontrakce Přehled charakteristických vlastností kosterního, srdečního a hladkého svalu

KOSTERNÍ SVAL 30 m 20 m sarkolema SRDEČNÍ SVAL interkalární disky HLADKÝ SVAL 3 m (cévní systém, dýchací cesty, gastrointestinální a urogeniitální systém) 1

„GAP JUNCTIONS“ ZÁKLADNÍ STRUKTURÁLNÍ ELEMENTY FUNKČNÍHO SYNCYTIA CONEXON 1 „gap“ (mezera) (extracelulární prostor) CONEXON 2 MYOKARD HLADKÝ SVAL p. H [Ca 2+]i membránové napětí 1, 6 -2 nm 2

KOSTERNÍ, SRDEČNÍ A HLADKÝ SVAL Strukturální rozdíly Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikální vlastnosti svalů Stupňování a modulace kontrakce Přehled charakteristických vlastností kosterního, srdečního a hladkého svalu

REPOLARIZACE DEPOLARIZACE fáze 2 fáze 3 SRDCE pravidelný pacemaker (SA, AV uzel, . . ) -85 m. V KOSTERNÍ SVAL -90 m. V 200 ms 50 m. V INa ICa inakt. skupina K proudů KONTRAKCE pomalé rychlé INainakt. IK 20 ms ICa HLADKÝ SVAL ICa inakt. IK(Ca) -35 m. V -60 m. V pomalé vlny nepravidelná pacemakerová aktivita 200 ms 3

HLADKÝ SVAL MECHANICKÉ ODPOVĚDI mohou být spuštěny/modulovány různými typy elektrické aktivity ELEKTRO-MECHANICKÁ VAZBA vytvořením komplexu LIGAND-RECEPTOR FARMAKO-MECHANICKÁ VAZBA NEUROTRANSMITERY (acetylcholin, noradrenalin, …) HORMONY (např. progesteron, oxytocin, angiotesin II, adiuretin, … ) LOKÁLNÍ TKÁŇOVÉ FAKTORY (NO, adenosine, …) 5 a

0 m. V pomalé polarizační vlny s AP -50 0 1 tenze POMALÉ VLNY V KONTRAKCI (GIT) čas m. V 0 frekvence AP -50 tension tenze 2 m. V (většina viscerálních orgánů) čas 0 pomalé změny v polarizaci membrány -50 tenze 3 konstantní membránové napětí 4 -50 látka x látka y čas POMALÉ ZMĚNY V TONU SVALU (např. m. . ciliaris, svalovina krevních cév) čas m. V tenze TETANICKÝ STAH POMALÉ ZMĚNY V TONU (svalovina krevních cév) FARMAKO-MECHANICKÁ VAZBA vazba LIGAND-RECEPTOR 5 b

KOSTERNÍ, SRDEČNÍ A HLADKÝ SVAL Strukturální rozdíly Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikální vlastnosti svalů Stupňování a modulace kontrakce Přehled charakteristických vlastností kosterního, srdečního a hladkého svalu

PŘÍČNĚ PRUHOVANÝ SVAL základní složky kontraktilního aparátu MYOZINOVÉ FILAMENTUM 4 lehké řetězce C C 2 těžké řetězce N N 134 nm MOLEKULY G-AKTINU 2 hlavy MOLEKULA MYOZINU II vazebné místo pro AKTIN vazebné místo pro ATP TROPONIN C, T, I ATP → ADP + Pi AKTINOVÉ FILAMENTUM REGULAČNÍ PROTEINY TROPOMYOZIN 40 nm TROPOMYOZINTROPONINOVÝ KOMPLEX 6

PŘÍČNĚ PRUHOVANÝ SVAL MOLEKULÁRNÍ MECHANIZMUS KONTRAKCE konformace s vysokou energií klidový stav ε Ca 2+ ADP Pi disociace komplexu aktin–myozin komplex troponin C Ca 2+ε ATP PŘÍČNÝ MŮSTEK ADP. Pi rigor mortis ATP ADP stav kontrakce konformace s nízkou energií KONTRAKCE Ø přítomnost ATP Ø [Ca 2+ ]i lehké řetězce myozinu uvolnění ADP and Pi Pi vazebná místa pro aktin vazebné místo pro ATP RELAXACE Ø přítomnost ATP Ø [Ca 2+ ]i 7

PŘÍČNĚ PRUHOVANÝ SVAL MOLEKULÁRNÍ MECHANIZMUS KONTRAKCE Vazba Ca 2+ na TROPONIN C posun troponin-tropomyozinového komplexu vazebná místa na aktinu pro myozin jsou odkryta Utváření PŘÍČNÝCH MŮSTKŮ mezi aktinem a myozinem: A M. ADP. Pi . Konformační změna molekuly myozinu uvolnění ADP a Pi sklon hlavy myozinu posun aktinových podél myozinových filament ZKRÁCENÍ SARKOMERY A . M 8 a

Vazba ATP na myozin nízká afinita myozinu k aktinu disociace komplexu AKTIN–MYOZIN A M. ATP-ázová aktivita myozinové hlavy částečná hydrolýza ATP, získaná energie je užita pro napřímení hlavy myozinu (analogie natažené pružiny). Afinita myozinu k aktinu je vysoká, ale vazba je znemožněná. A M . ADP. Pi TRVAJÍCÍ KONTRAKCE je výsledkem opakujících se cyklů při [Ca 2+]i a v přítomnosti ATP RELAXACE svalové buňky vzniká v přítomnosti ATP a při [Ca 2+]i (Ca ionty jsou nasávány zpět do SR a vytěsňovány ven z buňky) 8 b

PŘÍČNĚ PRUHOVANÝ SVAL Ca 2+ myozin ATP Mg 2+ Animace modelu interakce hlavy myozinu a aktinového filamenta („ pádlování“ ) komplex troponin–tropomyozin 8 c

vchlípeniny membrány HLADKÝ SVAL SR Pomalá aktivita Ø myozinové ATPázy Ø transportních systémů Ca 2+ ORGANIZACE CYTOSKELETU A MYOFILAMENT intermediární filamentum DT tenká filamenta - AKTIN u membrány DT silná filamenta - MYOZIN DT - denzní tělíska (analogie Z linií) BUŇKA 2 elektrické spoje BUŇKA 1 mechanická spojení mezi buňkami MYOZIN II 2 těžké řetězce 4 lehké řetězce P REGULAČNÍ PROTEINY tropomyozin kalmodulin (TNC) MLCK kaldesmon kalponin 9

HLADKÝ SVAL ÚLOHA KOMPLEXU Ca-KALMODULIN lehké řetězce myozinu MYOZIN KALMODULIN kaldesmon kalponin AKTIN KLIDOVÝ STAV komplex Ca-kalmodulin KINÁZA LEHKÉHO ŘETĚZCE MYOZINU Ca-kalmodulin-MLCK P ↑[Ca 2+]i komplex Ca 2+-KALMODULIN-MLCK FOSFORYLACE LEHKÝCH ŘETĚZCŮ MYOZINU P INTERAKCE MYOZINU S AKTINEM 10

KONTRAKCE BUŇKY HLADKÉHO SVALU 1 FÁZOVÁ SLOŽKA KONTRAKCE - režim opakovaných cyklů čas 2 TONICKÁ SLOŽKA KONTRAKCE - zablokovaný můstek čas 11 a

HLADKÝ SVAL 1 FÁZOVÁ SLOŽKA KONTRAKCE - režim opakovaných cyklů KLIDOVÝ STAV Ca-kalmodulin KINÁZA MYOZINU AKTIVNÍ Pi ATP Ca. CM-MLCK disociace komplexu aktin–myozin FOSFORYLACE LEHKÝCH ŘETĚZCŮ MYOZINU JE PŘEDPOKLADEM opakovaných cyklů konformace s nízkou energií MLCP FOSFATÁZA MYOZINU ADP P konformace s vysokou energií P ε KLIDOVÝ STAV P ADP. Pi Ca. CM-kaldesmon P P P ATP P P čas ε ADP. Pi PŘÍČNÉM ŮSTKY Pi ADP stav kontrakce 11 b

HLADKÝ SVAL 2 TONICKÁ SLOŽKA KONTRAKCE - zablokovaný můstek KLIDOVÝ STAV ATP čas MLCP Ca. KM - MLCK ↑FOSFATÁZA MYOZINU ve stavu kontrakce DEFOSFORYLACE LEHKÝCH ŘETĚZCŮ MYOZINU ε P KLIDOVÝ STAV P P P ATP ε P TONICKÁ KONTRAKCE zablokovaný můstek “latch bridge” MLCK / MLCP ATP MLCP P P stav kontrakce 12

HLADKÝ SVAL Vazba Ca 2+ na KALMODULIN komplex Ca-KM Aktivace KINÁZY LEHKÉHO ŘETĚZCE MYOZINU Ca-KALMODULIN-MLCK FOSFORYLACE lehkých řetězců myozinu; při současné změně regulačních proteinů pomocí Ca-KM utváření příčných můstků Konformační změny myozinu SKLON HLAVY myozinu KLUZNÝ POHYB aktinu po myozinu zkrácení „sarkomery“ OPAKOVANÉ CYKLY lehké řetězce myozinu zůstávají fosforylovány TONICKÁ KONTRAKCE mechanizmem zablokovaných můstků „latch bridge“, lehké řetězce myozinu jsou defosforylovány ve stavu kontrakce Spotřebovává se ATP Šetří se ATP 13

KOSTERNÍ, SRDEČNÍ A HLADKÝ SVAL Strukturální rozdíly Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikální vlastnosti svalů Stupňování a modulace kontrakce Přehled charakteristických vlastností kosterního, srdečního a hladkého svalu

IZOMETRICKÁ A IZOTONICKÁ KONTRAKCE KLIDOVÝ STAV KOSTERNÍ SVAL IMK IZOMETRICKÁ kontrakce KONSTANTNÍ DÉLKA měří se změny v TENZI ITK KE IMK ITK PE SE IZOTONICKÁ kontrakce KE - kontraktilní elementy KONSTANTNÍ TENZE PE, SE -paralelní a sériové elastické komponenty měří se změny DÉLKY AUXOTONICKÁ kontrakce SRDEČNÍ SVAL HLADKÝ SVAL (fibrózní tkáň, elastické vlákno TITIN spojující M a Z disky v sarkomeře) IZOVOLUMICKÁ FÁZE (IZOMETRICKÁ) EJEKČNÍ FÁZE (IZOTONICKÁ) AUXOTONICKÁ složka kontrakce FÁZOVÁ složka kontrakce 15

ZÁVISLOST TENZE NA PROTAŽENÍ SVALU KOSTERNÍ SVAL tenze svalu CELKOVÁ TENZE AKTIVNÍ TENZE PASIVNÍ TENZE klidová délka in vivo prodloužení svalu (cm) PASIVNÍ TENZE měření při postupném natahování nestimulovaného svalu (ELASTICKÁ KOMPONENTA) CELKOVÁ TENZE měření IZOMETRICKÉ kontrakce stimulovaného svalu při postupně se prodlužující počáteční délce AKTIVNÍ TENZE rozdíl mezi CELKOVOU a PASIVNÍ tenzí - tenze tvořená interakcí KONTRAKTILNÍCH elementů 16

AKTIVNÍ TENZE příčně pruhovaného svalu v závislosti na POČÁTEČNÍ DÉLCE (PROTAŽENÍ) SARKOMERY SRDEČNÍ SVAL senzitivita aktinových filament k Ca 2+ závislá na protažení 1, 9 1, 65 oblast maximální tenze aktivní tenze (%) fyziologická pracovní oblast 2, 05 KOSTERNÍ SVAL SRDCE 2, 2 počáteční délka sarkomery [ m] 3, 65 STARLINGŮV ZÁKON autoregulace kontrakce u srdce 18

HLADKÝ SVAL HLAVNÍ CHARAKTERISTICKÉ RYSY VÝRAZNÁ ROZTAŽNOST Protažení myocytů močového měchýře až na 200% a myocytů uteru (na konci těhotenství) až na 1000% ve srovnání s původní délkou svalové buňky. PLASTICITA Síla kontrakce/tonu není přímo závislá na protažení svalu; velikost kontrakce/tonu klesá i když protažení svalu zůstává konstantní. 19 a

PLASTICITA HLADKÉHO SVALU tlak CYSTOMETROGRAM IZOLOVANÁ BUŇKA (jejunum člověka) 1 2 spuštění reflexu mikce 3 P = 2 T/r objem délka ? tenzometr čas tenze T aktivace Ca 2+-KANÁLŮ závislých na natažení „stretch-activated channels“ ICa m. napětí čas TONUS depolarizace repolarizace čas DEPOLARIZACE [Ca 2+]i PLASTICITA ICa LAPLACEŮV ZÁKON IKCa aktivace K-KANÁLŮ řízených [Ca 2+]i IKCa REPOLARIZACE TONUS [Ca 2+]i 19 b

KOSTERNÍ, SRDEČNÍ A HLADKÝ SVAL Strukturální rozdíly Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikální vlastnosti svalů Stupňování kontrakce Charakteristické rysy kosterního, hladkého a srdečního svalu

KOSTERNÍ SVAL HLAVNÍ FAKTORY STUPŇOVÁNÍ KONTRAKCE Zvýšení FREKVENCE EXCITACÍ v motorickém neuronu FREKVENČNÍ SUMACE KONTRAKCE ve svalových buňkách (TETANICKÁ KONTRAKCE) ZVÝŠENÍ POČTU AKTIVOVANÝCH MOTORICKÝCH JEDNOTEK (POSTUPNÝ NÁBOR motorických jednotek ) PROSTOROVÁ SUMACE 20

KOSTERNÍ SVAL ZÁVISLOST KONTRAKCE NA FREKVENCI STIMULACE IZOLOVANÁ SVALOVÁ BUŇKA OBLAST SUMACE TETANICKÝ STAH ? síla kontrakce hladký tetanus vlnitý (neúplný) Krátká refrakterní doba AN buňky kosterního svalu tetanus dovoluje kopírovat aktivitu motorického neuronu při frekvenci Sumace frakčních množství uvolněného Ca 2+ ze SR Příliš krátký časový interval pro návrat Ca 2+ do SR svalová trhnutí s úplnou relaxací frekvence stimulace (Hz) 1 Hz = 1 impuls/sec [ Ca 2+]i 21

SRDEČNÍ SVAL HLAVNÍ FAKTORY STUPŇOVÁNÍ KONTRAKCE DIASTOLICKÁ NÁPLŇ KOMOR („preload“) kontrakce komor úměrná natažení kardiomyocytů na konci diastoly FRANK-STARLINGŮV ZÁKON FREKVENCE ELEKTRICKÉ AKTIVITY srdečních buněk (modulace pacemakerové aktivity SA uzlu při tonu sympatiku ) pozitivní FREKVENČNÍ EFEKT Vazba LIGAND-RECEPTOR s následující intracelulární sekvencí dějů ↑[Ca 2+]i (noradenalin, adrenalin, …) ↑ [ Ca 2+]i 22

HLADKÝ SVAL HLAVNÍ FAKTORY STUPŇOVÁNÍ KONTRAKCE DEPOLARIZACE MEMBRÁNY (někdy i bez spuštění akčních napětí) aktivace Ca kanálů ↑ [Ca 2+]i BEZ PRIMÁRNÍCH ZMĚN V POLARIZACI MEMBRÁNY Vazba ligand-receptor s následující aktivační kaskádou ↑ [Ca 2+]i (např. aktivace PLC ↑ IP 3) Protažení svalových buněk otevření Ca 2+ kanálů citlivých na protažení membrány - „stretch channels“ ↑ [Ca 2+]i ↑ MLCK / MLCP (poměr aktivované kinázy a fosfatázy lehkého řetězce myozinu) … 23

KOSTERNÍ, SRDEČNÍ A HLADKÝ SVAL Strukturální rozdíly Elektrická a mechanická aktivita Molekulární mechanizmy kontrakce Biofyzikální vlastnosti svalů Stupňování kontrakce Přehled charakteristických vlastností kosterního, srdečního a hladkého svalu

KOSTERNÍ SVAL HLAVNÍ CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI Mnohojaderné dlouhé cylindrické buňky (max. 15 cm) Bohatě vyvinuté sarkoplazmatické retikulum Pravidelné uspořádání myozinových a aktinových filament (příčné pruhování) Aktivita silně závislá na nervovém zásobení (přenos vzruchu motorickou ploténkou) Svalová vlákna nejsou navzájem propojena (žádné „gap junctions“) Motorické neurony se větví pro inervaci většího počtu buněk motorické jednotky (5 -1000 buněk) Sumace kontrakcí (tetanus) Aktivita pod volní kontrolou motorická jednotka 5 -1000 25

TYPY MYOCYTŮ KOSTERNÍCH SVALŮ TYP I ČERVENÝ - POMALÝ např. zádové svaly Pomalé kontrakce (zajišťující většinou postoj těla) Pomalé motorické jednotky s motorickými neurony s nižší rychlostí vedení impulzů (menší průměr) Převážně AEROBNÍ METABOLIZMUS a ODOLNOST PROTI ÚNAVĚ TYP II BÍLÝ - RYCHLÝ např. svaly rukou Krátkodobé stahy pro jemné cílené pohyby Rychlé motorické jednotky s motorickými neurony s velkou rychlostí vedení vzruchů (větší průměr) ANAEROBNÍ METABOLIZMUS (glykolýza) a NÁCHYLNOST K ÚNAVĚ 26

SRDEČNÍ SVAL HLAVNÍ CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI Jednojaderné, větvené a vzájemně propojené buňky (max. délky 100 μm) Středně vyvinuté sarkoplazmatické retikulum Pravidelné uspořádání myozinových a aktinových filament (příčné pruhování) Excitace a kontrakce jsou nezávisle na nervovém zásobení (pravidelný „pacemaker“ v SA uzlu, AV uzlu) Funkční syncytium (elektrická spojení – „gap junctions“) Receptory pro neurotransmitery (uvolňované z nervových zakončení) a hormony (přiváděné cirkulací) Tetanická kontrakce nemůže vzniknout pro dlouhou refrakteritu akčního napětí Aktivita nezávislá na vůli 27

HLADKÝ SVAL HLAVNÍ CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI Jednojaderné vřetenovité buňky variabilní délky (50 -200 m) Nepravidelné uspořádání myozinu a aktinu Málo vyvinuté sarkoplazmatické retikulum Pomalý fázový (tetanický), tonický stah Nezávislost kontrakce (tonu) na nervovém zásobení (nepravidelná pomalá „pacemakerová“ aktivita) Četné receptory pro neurotransmitery (uvolňované z nervových zakončení) a hormony (přiváděné cirkulací). Modulace také lokálními chemickými mediátory (uvolňovanými ze sousedních buněk) Aktivita může být spuštěna natažením svalu (membránové kanály citlivé na protažení -„stretch-activated channels“) Aktivita nezávislá na vůli 28

TYPY HLADKÝCH SVALŮ JEDNOTKOVÝ (VISCERÁLNÍ) např. žaludek, střeva, uterus, ureter 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“) VÍCEJEDNOTKOVÝ např. arterioly, m. ciliaris, m. iris oka, … Autonomní „motorické jednotky“ (motorické neurony uvolňující acetylcholin, norepinefrin, …) Svalové buňky nejsou propojeny „gap junctions“; AN nevznikají Kontrakce jsou jemně stupňované a lokalizované synapse „en passant“ 29

K+ kanál aktivovaný Ca 2+ a membránovým napětím TETRAMERNÍ STRUKTURA Ca 2+ část citlivá na Ca 2+

HLADKÝ SVAL NEUROHUMORÁLNÍ MODULACE KONTRAKCE (TONU) NEUROMEDIÁTORY autonomních nervů (acetylcholin, norepinefrin, neuropeptidy, …) !! Zcela rozdílný účinek u vaskulárního, intestinálního a bronchiálního hladkého svalu HORMONY (estrogen, progesteron, oxytocin, epinefrin, angiotenzin, vasopresin, serotonin, …) MÍSTNÍ (HLAVNĚ METABOLICKÉ) FAKTORY (PO 2, PCO 2, adenozin, p. H, kyselina mléčná, NO, endotelin, …) !! … Zcela rozdílný účinek u plícních a periferních arteriol

RELAXACE HLADKÉHO SVALU Relaxace v důsledku [Ca 2+] uvolnění Ca 2+ z komplexu Ca-kalmodulin i MLCK je opět inaktivní Většina Ca 2+ je vypuzována z buňky, část nasávána do redukovaného SR HYPERPOLARIZACE jako důsledek aktivace specifických K kanálů působí uzavírání napětím řízených Ca kanálů § K kanály aktivované [Ca 2+ ]i (“Ca 2+– activated potassium channels”) § K kanály aktivované cestou ligand-receptor-G protein (β-receptory, …) Relaxace nezávislá na [Ca 2+]i Relaxace závislá na c. AMP Fosforylace MLCK ↓ senzitivity MLCK ke komplexu Ca 2+-kalmodulin Relaxace závislá na c. GMP (↑ NO) Defosforylace lehkých řetězců myozinu v důsledku ↓ MLCK / MLCP mimo stav kontrakce

NOREPINEFRIN ROZDÍLNÁ ODPOVĚĎ SVALOVÝCH BUNĚK CÉV A GIT HLADKÁ SVALOVINA CÉV α PLC ↑ IP 3 ↑ [Ca 2+]i ↑ DAG ↓ IK depolarization ↑ ICa ↑ [Ca 2+]i VAZOKONSTRIKCE HLADKÝ SVAL INTESTINA β AC α - adrenergní receptory ↑ c. AMP β- adrenergní receptory ↑ IK hyperpolarizace ↓ ICa ↓ [Ca 2+]i fosforylace MLCK ↓ senzitivity ke Ca 2+ RELAXACE STŘEVNÍ SVALOVINY

HLADKÝ A SRDEČNÍ SVAL ZAKONČENÍ AUTONOMNÍCH NEURONŮ Synapse v průběhu nervových zakončení („en passant“) difuzní vzdálenost 20 -40 nm axon DIFUZNÍ SYNAPSE NORADRENERGNÍ (vezikuly s norepinefrinem) vezikuly svalová buňka terminální varikozity CHOLINERGNÍ (vezikuly s acetylcholinem)