Portál:Otázky z biochemie (1. LF UK, VL)/91. Otázka

			91. Otázka
			Kontraktilní aparát, řízení kontrakce hladké, kosterní a srdeční svaloviny.
			Otázky z biochemie (1. LF UK, VL)
			⏪️   ⏩️

Kontraktilní aparát

Spojení excitace a kontrakce je základem svalové činnosti. Svaly zajišťují veškeré pohyby umožňující lidskou práci, komunikaci prostřednictvím mimiky, mluveného slova, psaní a ovšem také cirkulaci krve, transport tráveniny GIT, činnost sfinkterů atd. Excitace je spojená se vznikem šířícího se akčního potenciálu, který je důsledkem přesunu iontů. Na excitaci navazuje kontrakce, která je přímou přeměnou chemické energie na mechanickou a projevuje se aktivní svalovou sílou či zkrácením svalu.

Stavba kosterní svaloviny

Sarkomera

Kosterní svalovina tvoří asi 40 % hmotnosti těla. Jednotlivé svaly jsou tvořeny svalovými snopci, které jsou složeny ze svalových vláken. Svalová vlákna obsahují velký počet myofibril, jež jsou tvořeny kontraktilními proteiny – aktinem a myosinem. Myofibrily jsou členěny na pravidelné úseky – tzv. sarkomery, což jsou základní strukturní a funkční jednotky. Sarkomera je vzdálenost mezi dvěma Z-liniemi. Do Z-linií jsou zakotvena tenká filamenta aktinu mezi nimi jsou tlustá filamenta myosinu. Aktinová a myosinová vlákna se částečně překrývají, tím vzniká typický mikroskopický obraz příčného pruhování, ve kterém se střídají anizotropní (A) a izotropní (I) části. A-proužek odpovídá délce tlustého filamenta, I-proužek je ta část, kde jsou jen tenká filamenta. H-proužek, střední část A-proužku obsahuje pouze tlustá filamenta.

Aktin a tropomyosin

Tenké filamentum – Aktin

Tenké aktinové vlákno je dvoušroubovice vláknitého F-aktinu, tvořené kulovitými jednotkami G-aktinu. Po obou stranách jsou připojeny molekuly tropomyosinu a troponinu. Tropomyosin za klidových podmínek kryje aktivní místa. Troponin je bílkovina v určitých vzdálenostech umístěná na aktinu a má 3 podjednotky: Tn-C, která váže ionty Ca²⁺, Tn-T spojující troponin s tropomyosinem a Tn-I měnící polohu tropomyosinu a tím odkrývá vazebná místa pro myosin.

Myosin

Tlusté filamentum – Myosin

Každé vlákno tvoří dvě molekuly myosinu, které se kolem sebe obtáčejí (ocas) a na konci se rozšiřují (hlavička). Část mezi hlavičkou a ocasem má schopnost ohybu (krček). Hlavička má ATP-ázovou aktivitu a váže se na aktivní místa aktinu. Tlusté filamentum je tvořeno mnoha molekulami myosinu. Ocasy vytváří osu filamenta, hlavičky ční do prostoru.

Excitace a kontrakce

Excitace a kontrakce mají několik na sebe navazujících fází:

Nervosvalové spojení (1. Axon, 2. Sarkolema, 3. Synaptické váčky, 4. Acetylcholinové receptory, 5. Mitochondrie)

Molekulární mechanismus svalové kontrakce

1. Nervosvalový přenos:
   • Presynaptický akční potenciál (AP).
   • Otevření Ca²⁺ kanálů.
   • Vzestup intracelulární koncentrace Ca²⁺ a axonu nervu.
   • Uvolnění ACH (vyšší koncentrace vyvolá přesun měchýřků s ACH k synaptické štěrbině).
   • Difuze ACH.
   • Vazba ACH na cholinergní receptory na postsynaptické membráně.
   • Otevření kanálů pro Na⁺ a K⁺.
   • Ploténkový potenciál (depolarizace dráždivé postsynaptické membrány).
   • AP svalového vlákna.
   • Rozklad ACH acetylcholinesterázou.

   Nervosvalový přenos – McGraw Hill (animace, anglicky)

2. Vazba mezi excitací a kontrakcí:
   • Nervosvalový přenos.
   • AP svalového vlákna.
   • Šíření AP po svalovém vlákně.
   • Uvolnění vápníku ze SR.
   • Vazba vápníku na troponin C.
   • Aktivace kontraktilního aparátu.
   • Kontrakce svalového vlákna.
3. Kontrakce:
   • Vazba ATP na hlavu myosinu.
   • Rozštěpení ATP na ADP a fosfát.
   • Vznik příčného můstku mezi aktinem a myosinem.
   • Uvolnění fosfátu.
   • Pohyb hlavy myosinu, uvolnění ADP.
   • Vazba nové molekuly ATP na myosin.
   • Odpojení myosinové hlavy od aktinu.
   • Rozštěpení ATP na ADP a fosfát.
   • Napřímení myosinové hlavy.
   • Opakování cyklu.

   Kontrakce – McGraw Hill (animace, anglicky)

4. Relaxace:
   • Odčerpání Ca²⁺ do SR (SERCA).
   • Uvolnění Ca²⁺ z troponinu C.
   • Zakrytí aktivních míst tropomyosinem.

   SERIOVÁ ELASTICITA – je zajišťována bílkovinou titinem, která vrací sarkomeru do původní délky.

5. Farmaka:
   • ACH efekt – metacholin, sukcinylcholin (jejich pomalá odbouratelnost způsobuje trvalou depolarizaci).
   • Blokátory ACHE (blokují degradaci ACH).
   1. Krátkodobé – fyzostigmin, neostigmin (léčivo při nedostatku ACH).
   2. Dlouhodobé – organofosfáty, neurotoxiny (2. sv. válka).
   • Blokátory přenosu – kurare, bungarotoxin (blokují N-receptory).
   • Blokátory uvolnění ACH – botulotoxin, Mg²⁺, odebrání Ca²⁺ (experimentálně).
   • Blokátory vychytávání cholinu – hemicholinium (experimentálně).

Kontrakce srdečního svalu

Kontrakce srdečního svalu vytváří sílu potřebnou k udržení průtoku krve tkáněmi. Základní mechanismy kontrakce srdečního a kosterního svalu jsou založené na stejném principu. Jejich podstatou je interakce kontraktilních elementů – aktinových a myozinových vláken

Stavba srdečního svalu

Základní stavební jednotkou příčně pruhované svalové tkáně srdeční je kardiomyocyt (srdeční svalová buňka) – elongovaná rozvětvující se buňka s jedním či dvěma jádry a velkým množstvím mitochondrií. Kardiomyocyty jsou vyplněny myofibrilami, které jsou paralelně uspořádány. Myofibrila se skládá z tenkých aktinových filament a tlustých myozinových filament.

cardiac muscle

Tenká myofilamenta

• dlouhá 1 mm, průměr 8 nm;
• složení: aktin, tropomyozin, troponin;
• uspořádání: dvojitá šroubovice F-aktinu (polymerizace z G aktinu: globulární (průměr: 5,6 nm), má vazebné místo pro myozin) – zakotvena do telofragmy;
• tropomyozin (tenký, dlouhý 40 nm, 2 polypeptidové řetězce (obtočeny kolem sebe), spojí se longitudinálně) – obtočí aktin, má vazebné místo pro troponin;
• troponin (proteinový komplex: 3 subjednotky: TnT – váže komplex k tropomyozinu, TnC – váže Ca²⁺, TnI – inhibuje vazbu aktin+myozin) – váže se na specifické místo na každém tropomyozinu;
• poměrové uspořádání: 7 G-aktinů + 1 tropomyozin + 1 troponin.

Tlustá myofilamenta

• dlouhá 1,6 mm, průměr: 15 nm;
• složení: myozin (několik stovek v jednom svazku);
• proteolýzou se štěpí na: lehký meromyozin (tyčinkovitá část) a těžký meromyozin (zahnutá část tyčinky a globulární část);
• globulární část vykazuje aktivitu ATPázy, obsahuje místo pro ATP a místo pro aktin.

Sarkomera

Každá myofibrila je po délce rozdělena na sarkomery (nekontrahovaná měří 2,5 mm), které oddělují Z-linie. Do těchto linií jsou ukotvena aktinová myofilamenta. Úsek mezi Z-linií a začátkem tlustých myofilament se nazývá proužek I (izotropní). Oblast myozinových filament je označována jako proužek A (anizotropní). Střed sarkomery tvoří proužek H, uprostřed níž je M-linie, do které jsou zakotvena myozinová filamenta.

Mechanismus kontrakce

Pokynem pro kontrakci myokardu je excitace buněk. AP se v buňce tedy musí „přeměnit“ na svalový stah. Mechanismus, který to zajišťuje, se nazývá spřažení excitace s kontrakcí a zabezpečuje spojení elektrické a mechanické činnosti srdce. Převedení vzruchu z aktivované buněčné membrány k myofibrilám uvnitř buňky zprostředkovávají Ca²⁺.

Synchronizovaná činnost kardiomyocytů je zajišťována pomocí specializovaných spojů mezi buňkami, interkalárních disků. Interkalární disky obsahují desmozomy (pevné spojení) a nexy (elektrické spojení). Díky interkalárním diskům je umožněno rychlé šíření elektrických vzruchů z jedné buňky na druhou, srdeční sval tak působí funkčně jako syncytium, přestože se skládá z jednotlivých buněk.

Vlna depolarizace se rychle šíří po sarkolemě a cestou systému T-tubulů se dostává i do nitra buňky. Během fáze plató se otevírají Ca²⁺ kanály (dihydropyridinové receptory) a Ca²⁺ ionty proudí ve směru svého koncentračního gradientu do buňky. Toto kalcium by ještě nestačilo vyvolat kontrakci, ale vzestup koncentrace Ca²⁺ iontů v cytosolu působí na Ca²⁺ dependentní ryanodinové receptory v sarkoplazmatickém retikulu a díky proudu Ca²⁺ iontů z SR se cytosolová koncentrace kalcia zvýší zhruba 100krát a může vyvolat svalovou kontrakci.

Mechanismus

ATP se naváže na myozin a štěpí se, avšak nedochází k uvolnění štěpných produktů. Jakmile se Ca²⁺ ionty dostanou ke kontraktilním elementům, začnou se vázat na troponin a změna konformace troponin-tropomyozinového komplexu odblokuje na aktinových filamentech aktivní místa pro vytvoření vazby s hlavicemi myozinu (konkrétně se vláknitý tropomyozin zanoří hlouběji do rýhy mezi obě aktinová vlákna, takže přestane aktivní místa překrývat). Výsledkem je uvolnění energie (aktin působí jako kofaktor pro uvolnění štěpných produktů) a následné ohnutí myozinové hlavice, které způsobí posun aktinových vláken po myozinových. Navázání další molekuly ATP na myozin oslabí aktinomyozinový můstek, cyklus se opakuje, dokud je k dispozici Ca²⁺.

Celý proces vyplavení Ca²⁺ do cytosolu a následné spuštění svalové kontrakce je velmi rychlý, od počátku depolarizace do zahájení stahu uplyne jen asi 60 ms.

Na konci fáze plató ustává proud Ca²⁺ iontů do buňky a Ca²⁺ kanály v SR se uzavírají, současně Ca²⁺ ATP-ázová pumpa ve stěně SR (SERCA 2) začne aktivně přečerpávat kalcium z cytosolu zpět do retikula. Část Ca²⁺ iontů je z buňky odstraněno prostřednictvím sarkolemového Ca²⁺–Na⁺ antipodu (sekundárně aktivní transport). Výsledkem je pokles cytosolové koncentrace Ca²⁺ a uvolnění Ca²⁺ iontů z vazby na troponin. Následuje zablokování aktivních míst tropomyozinem a relaxace (vyžaduje energii!).

Je zřejmé, že v kardiomyocytech musí fungovat koloběh kalciových iontů, které jsou střídavě k myofibrilám přiváděny a od nich čerpány. Pokud by se ionty k fibrilám nedostaly, byl by myokard trvale relaxován, pokud by nebyly odčerpávány, byl by trvale kontrahován.