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

1 KOSTERNÍ SVAL SRDEČNÍ SVAL HLADKÝ SVAL sarkolema interkalární disky (cévní systém, dýchací cesty, gastrointestinální a urogeni-itální systém) 3 m 1

ZÁKLADNÍ STRUKTURÁLNÍ ELEMENTY FUNKČNÍHO SYNCYTIA „GAP JUNCTIONS“ ZÁKLADNÍ STRUKTURÁLNÍ ELEMENTY FUNKČNÍHO SYNCYTIA CONEXON 1 CONEXON 2 „gap“ (mezera) (extracelulární prostor) pH [Ca2+]i membránové napětí MYOKARD HLADKÝ SVAL 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

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

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

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

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

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

MOLEKULÁRNÍ MECHANIZMUS KONTRAKCE PŘÍČNĚ PRUHOVANÝ SVAL MOLEKULÁRNÍ MECHANIZMUS KONTRAKCE konformace s vysokou energií klidový stav ε komplex Ca2+- troponin C Ca2+ ADP Pi ATP disociace komplexu aktin–myozin PŘÍČNÝ MŮSTEK ε ADP. Pi rigor mortis Pi ADP uvolnění ADP and Pi konformace s nízkou energií stav kontrakce přítomnost ATP  [Ca2+ ]i RELAXACE vazebná místa pro aktin lehké řetězce myozinu přítomnost ATP  [Ca2+ ]i KONTRAKCE vazebné místo pro ATP 7

MOLEKULÁRNÍ MECHANIZMUS KONTRAKCE PŘÍČNĚ PRUHOVANÝ SVAL MOLEKULÁRNÍ MECHANIZMUS KONTRAKCE Vazba Ca2+ 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 8a

Vazba ATP na myozin  nízká afinita myozinu k aktinu  disociace komplexu AKTIN–MYOZIN A M . ATP 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  [Ca2+]i a v přítomnosti ATP RELAXACE svalové buňky vzniká v přítomnosti ATP a při  [Ca2+]i (Ca ionty jsou nasávány zpět do SR a vytěsňovány ven z buňky) 8b

komplex troponin–tropomyozin PŘÍČNĚ PRUHOVANÝ SVAL myozin Ca2+ ATP Mg2+ Animace modelu interakce hlavy myozinu a aktinového filamenta („ pádlování“ ) komplex troponin–tropomyozin 8c

ORGANIZACE CYTOSKELETU A MYOFILAMENT HLADKÝ SVAL vchlípeniny membrány SR Pomalá aktivita myozinové ATPázy transportních systémů Ca2+ Ca2+ ORGANIZACE CYTOSKELETU A MYOFILAMENT intermediární filamentum DT u membrány tenká filamenta - AKTIN silná filamenta - MYOZIN DT DT - denzní tělíska (analogie Z linií) BUŇKA 1 BUŇKA 2 mechanická spojení mezi buňkami elektrické spoje REGULAČNÍ PROTEINY tropomyozin 2 těžké řetězce MYOZIN II 4 lehké řetězce P kalmodulin (TNC)  MLCK kaldesmon kalponin 9

ÚLOHA KOMPLEXU Ca-KALMODULIN HLADKÝ SVAL ÚLOHA KOMPLEXU Ca-KALMODULIN lehké řetězce myozinu MYOZIN KLIDOVÝ STAV KALMODULIN kaldesmon ↑[Ca2+]i komplex Ca-kalmodulin AKTIN kalponin KINÁZA LEHKÉHO ŘETĚZCE MYOZINU MLCK komplex Ca2+-KALMODULIN-MLCK Ca-kalmodulin-MLCK P FOSFORYLACE LEHKÝCH ŘETĚZCŮ MYOZINU INTERAKCE MYOZINU S AKTINEM 10

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

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

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

13 Vazba Ca2+ na KALMODULIN  komplex Ca-KM HLADKÝ SVAL Vazba Ca2+ 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 IMK IZOMETRICKÁ kontrakce KONSTANTNÍ DÉLKA měří se změny v TENZI ITK IZOTONICKÁ kontrakce KONSTANTNÍ TENZE měří se změny DÉLKY KLIDOVÝ STAV KOSTERNÍ SVAL PE, SE -paralelní a sériové elastické komponenty (fibrózní tkáň, elastické vlákno TITIN spojující M a Z disky v sarkomeře) PE SE KE KE - kontraktilní elementy AUXOTONICKÁ kontrakce SRDEČNÍ SVAL IZOVOLUMICKÁ FÁZE (IZOMETRICKÁ) EJEKČNÍ FÁZE (IZOTONICKÁ) AUXOTONICKÁ TONICKÁ složka kontrakce FÁZOVÁ složka kontrakce HLADKÝ SVAL 15

ZÁVISLOST TENZE NA PROTAŽENÍ SVALU KOSTERNÍ SVAL 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 tenze svalu PASIVNÍ TENZE měření při postupném natahování nestimulovaného svalu (ELASTICKÁ KOMPONENTA) klidová délka in vivo prodloužení svalu (cm) 16

fyziologická pracovní oblast AKTIVNÍ TENZE příčně pruhovaného svalu v závislosti na POČÁTEČNÍ DÉLCE (PROTAŽENÍ) SARKOMERY fyziologická pracovní oblast KOSTERNÍ SVAL SRDCE aktivní tenze (%) oblast maximální tenze SRDEČNÍ SVAL senzitivita aktinových filament k Ca2+ závislá na protažení 2,05 2,2 1,9 počáteční délka sarkomery [m] 1,65 3,65 STARLINGŮV ZÁKON autoregulace kontrakce u srdce 18

HLAVNÍ CHARAKTERISTICKÉ RYSY 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. 19a

PLASTICITA HLADKÉHO SVALU CYSTOMETROGRAM objem tlak spuštění reflexu mikce 3 2 IZOLOVANÁ BUŇKA (jejunum člověka) T tenzometr 1 LAPLACEŮV ZÁKON P = 2T/r délka tenze čas ? aktivace Ca2+-KANÁLŮ závislých na natažení „stretch-activated channels“ m. napětí depolarizace repolarizace čas  [Ca2+]i ICa DEPOLARIZACE PLASTICITA  TONUS aktivace K-KANÁLŮ řízených [Ca2+]i IKCa REPOLARIZACE  [Ca2+]i  TONUS 19b

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 20 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 21 ZÁVISLOST KONTRAKCE NA FREKVENCI STIMULACE IZOLOVANÁ SVALOVÁ BUŇKA OBLAST SUMACE ? TETANICKÝ STAH hladký tetanus vlnitý (neúplný) tetanus Krátká refrakterní doba AN buňky kosterního svalu dovoluje kopírovat aktivitu motorického neuronu při  frekvenci síla kontrakce Sumace frakčních množství uvolněného Ca2+ ze SR Příliš krátký časový interval pro návrat Ca2+ do SR  [ Ca2+]i svalová trhnutí s úplnou relaxací frekvence stimulace (Hz) 1 Hz = 1 impuls/sec 21

SRDEČNÍ SVAL 22 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, …) ↑ [ Ca2+]i 22

HLADKÝ SVAL 23 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  ↑ IP3) Protažení svalových buněk  otevření Ca2+ 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

HLAVNÍ CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI 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) motorická jednotka 5-1000 Sumace kontrakcí (tetanus) Aktivita pod volní kontrolou 25

TYPY MYOCYTŮ KOSTERNÍCH SVALŮ TYP I ČERVENÝ - POMALÝ TYP II BÍLÝ - RYCHLÝ 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 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

HLAVNÍ CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI 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 refrakte-ritu akčního napětí Aktivita nezávislá na vůli 27

HLAVNÍ CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI HLADKÝ SVAL HLAVNÍ CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI Málo vyvinuté sarkoplazmatické retikulum Jednojaderné vřetenovité buňky variabilní délky (50-200 m) Nepravidelné uspořádání myozinu a aktinu 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

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

K+ kanál aktivovaný Ca2+ a membránovým napětím TETRAMERNÍ STRUKTURA část citlivá na Ca2+ Ca2+

NEUROHUMORÁLNÍ MODULACE KONTRAKCE (TONU) 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 (PO2, PCO2, adenozin, pH, kyselina mléčná, NO, endotelin, …) … Zcela rozdílný účinek u plícních a periferních arteriol !!

RELAXACE HLADKÉHO SVALU uvolnění Ca2+ z komplexu Ca-kalmodulin  MLCK je opět inaktivní Relaxace v důsledku [Ca 2+]i Relaxace nezávislá na [Ca 2+]i Většina Ca2+ 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 [Ca2+ ]i (“Ca2+– activated potassium channels”) K kanály aktivované cestou ligand-receptor-G protein (β-receptory, …) Fosforylace MLCK  ↓ senzitivity MLCK ke komplexu Ca2+-kalmodulin Relaxace závislá na cAMP Relaxace závislá na cGMP (↑ NO) Defosforylace lehkých řetězců myozinu v důsledku ↓ MLCK / MLCP mimo stav kontrakce

NOREPINEFRIN ROZDÍLNÁ ODPOVĚĎ SVALOVÝCH BUNĚK CÉV A GIT HLADKÁ SVALOVINA CÉV HLADKÝ SVAL INTESTINA α - adrenergní receptory ↑ IP3  ↑ [Ca 2+]i  ↑ DAG  ↓ IK  depolarization  ↑ ICa  ↑ [Ca 2+]i PLC α  VAZOKONSTRIKCE  β- adrenergní receptory AC β   ↑ IK  hyperpolarizace  ↓ ICa  ↓ [Ca 2+]i ↑ cAMP  fosforylace MLCK  ↓ senzitivity ke Ca2+ RELAXACE STŘEVNÍ SVALOVINY 

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