CHEMICKÁ PODSTATA REGULACE

Transkript

1 MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA ÚSTAV BOTANIKY A ZOOLOGIE CHEMICKÁ PODSTATA REGULACE SVALOVÉ ČINNOSTI Bakalářská práce Petra Pelechová Vedoucí práce: Mgr. Jiří Pacherník, Ph.D. Brno 2012

2 Bibliografický záznam Autorka: Název práce: Studijní program: Studijní obor: Vedoucí práce: Petra Pelechová Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita Ústav botaniky a zoologie Chemická podstata regulace svalové činnosti Chemie Biologie a chemie se zaměřením na vzdělávání Mgr. Jiří Pacherník, Ph.D. Akademický rok: 2011/2012 Počet stran: 62 Klíčová slova: Přičně pruhované svaly; srdce; hladká svalovina; aktin; myozin; Ca 2+, Na + a K + ionty; myofibrila; ATP; akční potenciál; acetylcholin

3 Bibliographic Entry Author: Title of Thesis: Degree programme: Field of Study: Supervisor: Petra Pelechová Faculty of Science, Masaryk University Department of botany and zoology Principles of chemical regulation of muscle works Chemistry Biology and Chemistry view to Education Mgr. Jiří Pacherník, Ph.D. Academic Year: 2011/2012 Number of Pages: 62 Keyword: striated muscle; heart; smooth muscle; actin; myosin; troponin; Ca 2+, Na + a K + ions; myofibrils; ATP; action potential; acetylcholine

4 Abstrakt: Tato bakalářská práce zpracovaná formou literární rešerše poskytuje stručný přehled o svalech a jejich regulaci. První kapitola se zabývá typy svalových tkání. Následující dvě kapitoly se zabývají regulací svalové činnosti, jednak na nervové úrovni a poté i chemismem regulace svalové činnosti na úrovni molekulární a buněčné. V další kapitole se nachází přehled o neurotransmiterech v těle. Další témata, kterými se tato práce zabývá, jsou svalová únava a její příčiny a pufrační systémy. Závěrečná kapitola pojednává o využití v medicíně a sportu, konkrétně o regeneraci po svalové únavě a také o srdečních chorobách. Abstract: This bachelor thesis formed as a literary search shortly provides a summary about the muscles and their regulation. The first chapter deals with the types of the muscle tissue. The next two chapters deal with the regulation of muscle activity, both on the neural level and then on the chemical conditions of muscle activity regulation on the molecular and cellular level. The next chapter provides an overview of neurotransmitters in the human body. Further, muscle fatigue and its causes and buffering systems are dealt in this search. The final chapter discusses the utilization in medicine and sport, specifically the recovery after muscle fatigue and heart diseases.

5

6

7 Poděkování Na tomto místě bych chtěla poděkovat Mgr. Jiřímu Pacherníkovi, Ph.D. za pomoc, odborné vedení, cenné rady a za čas, který věnoval této práci. Dále bych ráda poděkovala doc. RNDr. Martinu Váchovi, Ph.D. za ochotu a čas, který mi věnoval. Také bych chtěla poděkovat rodině a blízkým za podporu. Prohlášení Prohlašuji, že jsem svoji bakalářskou práci vypracovala samostatně s využitím informačních zdrojů, které jsou v práci citovány. Brno 30. dubna 2012 Jméno a příjmení

8 OBSAH 1 Úvod Typy svaloviny v těle Kosterní svalovina Struktura kosterního svalu Typy svalových vláken Hladká svalovina Struktura hladkého svalu Srdeční svalovina Stavba srdečního svalu Regulace činnosti svalů Regulace činnosti kosterní svaloviny Regulace činnosti hladkého svalu Autonomní nervy Nepřímé řízení pomocí hormonů, prostřednictvím hypofýzy Regulace činnosti srdečního svalu Vliv autonomního nervstva Chemismus svalové kontrakce Adenosintrifosfát=ATP Regenerace ATP z kreatinfosfátu Regenerace ATP anaerobní glykolýzou Regenerace ATP aerobní oxidací glukózy a mastných kyselin Svalová kontrakce příčně pruhované svaloviny Kontrakce hladké svaloviny Kontrakce srdečního svalu Neurotransmitery Systém acetylcholinu... 31

9 5.1.1 Acetylcholin Acetylcholinové receptory (ACHR) Agonisté a antagonisté acetylcholinu Chemismus krve a tkáňového moku v regulaci svalové činnosti Svalová únava a její ovlivnění Vliv acidózy neboli poklesu ph pod fyziologickou mez Vliv anorganického fosfátu P i Pufrační systémy Využití v medicíně a ve sportu Regenerace po svalové činnosti a únavě vzniklé při sportu Srdeční onemocnění Ischemická choroba srdeční (ICHS) Ateroskleróza (askl.) Infarkt myokardu (IM) Tzv. Fetal reprogramming, neboli plodové naprogramování Závěr Seznam použitých zkratek Seznam použité literatury Seznam obrázků Seznam tabulek... 62

10 1 ÚVOD U obratlovců rozlišujeme tři základní typy svalové tkáně. Srdce zprostředkovává především proudění krve tělem. Hladké svalstvo je součástí vnitřních orgánů a díky tomu se podílí na fungování těla a procesech, které v něm probíhají. Stejně důležitá je i svalovina příčně pruhovaná, která zprostředkovává pohyb. V rámci první kapitoly se zaměřuji na stavbu těchto svalových tkání. Co se týče příčně pruhované svaloviny, popisuji zde nejen stavbu vlákna, ale i proteiny zprostředkující kontrakci a regulující kontrakci, tedy aktin, myozin, tropomyozin a troponin. Uvádím zde i typy vláken, tedy pomalá červená a rychlá bílá vlákna. Kapitola regulace svalové činnosti se zaměřuje na řízení svalů pomocí nervové soustavy, tedy díky sympatiku a parasympatiku a také hormonů v případě hladké svaloviny. Dále se zabývám chemismem svalové kontrakce. Pro svalovou kontrakci je nezbytný adenosintrifosfát neboli ATP, který slouží jako zdroj energie. Popisuji zde tedy jeho vznik a regeneraci. ATP vzniká těmito třemi procesy, jedná se o štěpení kreatinfosfátu, aerobní a anaerobní glykolýzu a aerobní oxidaci mastných kyselin. V této kapitole dále najdeme podstatu vzniku akčního potenciálu (AP) na neuronech, který se šíří k presynaptickým zakončením. Tam je nezbytný pro uvolnění Ca 2+ iontů, které podmiňují nejen uvolnění acetylcholinu, což je důležitý neurotransmiter. Popisuji zde i podstatu, jak se uvolněný vápník váže na kontrakční proteiny, izoformy myozinu a jejich vliv na kontrakci a samozřejmě podstatu kontrakce samotné. Neurotransmitery jsou chemické látky, které přenášejí signál z neuronu na cílové buňky, v našem případě na svalové vlákno, proto informace o nich jsou nezbytnou součástí mé práce. Následuje vliv krve a tkáňového moku v regulaci svalové činnosti. Zde popisuji, jaká je podstata únavy svalu při nadbytku laktátu, změně ph a vlivu anorganického fosfátu. Dále také následují pufrační schopnosti tělních tekutin živočichů, kde se věnuji i jednotlivým pufračním systémům. V závěrečné kapitole se zaobírám využitím těchto poznatků v medicíně a ve sportu. Nejprve popisuji regeneraci svalů po únavě a poté poruchy srdce. Konkrétně ischemickou chorobu srdeční, která vzniká i díky ateroskleróze. Následkem těchto dvou onemocnění může dojít k infarktu myokardu. V poslední části této kapitoly se věnuji tzv. fetal reprogramming, neboli plodovému naprogramování. Tato bakalářská práce je zpracována formou literární rešerše. Cílem je poskytnout nejen přehled o známých faktech, ale snažila jsem se ukázat i nová a zajímavá fakta. 10

11 2 TYPY SVALOVINY V TĚLE Rozlišujeme tři základní typy svaloviny. Je to svalovina příčně pruhovaná neboli kosterní, svalovina hladká a svalovina srdeční neboli myokard. Tyto tři typy svaloviny se od sebe značně liší. Je to především stavbou, ale např. i centrem řízení. Hladká a srdeční svalovina jsou si podobné v tom, že jsou ovlivňované autonomním nervstvem, zatímco kosterní svalovina je ovladatelná naší vůlí. 2.1 Kosterní svalovina Kosterní sval představuje hybnou složku pohybového systému. Až 45% hmotnosti člověka může tvořit zhruba 450 svalů. Metabolismus svalové tkáně může představovat 45% veškerého metabolismu lidského těla. Inervace kosterních svalů je zajišťována míšními a mozkovými nervy, bez nichž by nedocházelo ke svalové činnosti (Dylevský, 2009) Struktura kosterního svalu Základem kosterní svaloviny jsou příčně pruhovaná svalová vlákna. Svalová vlákna neboli myofibra jsou mnohojaderné svalové buňky, jejichž tloušťka se pohybuje kolem μm, ale délka může dosahovat až několika centimetrů. Mají válcovitý tvar, který je na konci kuželovitý. Většina svalových vláken tvoří celý sval, od jeho začátku, až k jeho konci. U dlouhých svalů jsou však svalová vlákna spojena v sérii za sebou (Dylevský, 2009). Povrch svalového vlákna tvoří tzv. sarkolema=cytoplazmatická membrána svalové buňky. Sarkolema je v klidu nabitá elektrickým nábojem stejně jako membrána neuronu a také se po ní síří vzruchy jako po neuritu. Uvnitř vlákna se nachází sarkoplazma=cytoplazma svalové buňky, ve které se kromě jader a dalších organel nacházejí i myofibrily=vlákénka svalové buňky. Kolem každé myofibrily se nacházejí mitochondrie. Další důležitou organelou je sarkoplazmatické retikulum, ve kterém je velká koncentrace vápníkových a hořečnatých iontů. Mikroskopicky na nich lze rozlišit střídání tmavých a světlých úseků. Tmavé představují anizotropní A úseky a ty světlé izotropní I úseky. To způsobuje příčně pruhované žíhání. Izotropní úsek je rozdělen Z linií na tzv. sarkomery. Ty představují kontraktilní jednotku svalu. Sarkomeru tvoří silná myozinová a tenká aktinová vlákna. Jsou to bílkoviny, které zprostředkovávají kontrakci, čímž dochází ke stahu myofibril a následně ke změně délky svalového vlákna. Regulační úlohu v sakromeře hrají tropomyozin a troponin (Dylevský, 2009). 11

12 Myozin Molekula myozinu má charakteristický tvar. Tvar je protáhlý a má dvě hlavy na jednom konci. Je tvořen z těžkého a lehkého meromyozinu. Ten těžký se skládá z dvojdílné hlavy a krčku, někdy také označované jako příčný můstek. Zhruba 360 molekul myozinu tvoří silná filamenta, která jsou uspořádána do podélných svazků a hlavy se nachází na obou jeho koncích. Zatímco střední segment tvoří ocasní část myozinu, která představuje lehkou část. Aktin Tato bílkovina je v sarkoměře zastoupena ve větší míře než myozin. Jejich poměr se pohybuje od 4:1-6:1. Je to globulární protein, z jehož asi 400 molekul G-aktinu (G-globulární monomer) vzniká řetězec F-aktinu (F-fibrilární polymer). Tyto dva stočené řetězce tvoří dvojitou šroubovici, která představuje tenké filamentum (Silbernagl & Despopoulos, 2003; Dylevský 2009). Tropomyozin Je to protein v podobě filamenta, který se točí kolem aktinového vlákna a váže se na molekulu troponinu. Kolem sedmi molekul aktinu je rozprostřena jedna molekula tropomyozinu. Ten se během kontrakce zasouvá do aktinového filamenta a vytváří tak místo pro můstek mezi aktinem a myozinem. Troponin Na rozdíl od tropomyozinu váže ionty Ca 2+. Skládá se ze 3 proteinů a to z troponinu C, I a T. Troponin T se váže na tropomyozin. Troponin I brání vzniku můstků mezi aktinem a myozinem a troponin C po nasycení Ca 2+ deaktivuje troponin I a tím umožní vznik můstků mezi aktinem a myozinem (Greaser, M. L. & Gergely, J., 1971; Silbernagl & Despopoulos, 2003; Dylevský 2009). Viz obr.4. Jak již bylo řečeno, lze na sarkomeře rozlišit Z linii, tj. destičku, která určuje konce sarkomery, to znamená, že sarkomera má 2 Z linie. K Z linii je aktinové filamentum upevněno v jeho středu a to tak, že obě poloviny tohoto filamenta zasahují na každé straně do jiné sousední sarkomery. Tento úsek tvořený pouze tenkými filamenty se nazývá proužek I. Tzv. proužek A tvoří silná myozinová vlákna. V tomto proužku se obě filamenta překrývají. Proužek H představuje samotné myozinové vlákno. Tento proužek se nachází ve středu A proužku. Také se zde nachází M linie, která představuje střed sarkomery (Trojan, 1994; Silbernagl & Despopoulos, 2003). 12

13 Obr. 1: Sarkomera (převzato z Balínová) a)relaxed- uvolněný stav; b) partially contracted- částečná kontrakce; c) Maximally contracted- úplná kontrakce; Z disc-z linie; Thin filament-tenká vlákna; Thick filament-silná vlákna; I band- proužek I; A bandproužek A; H zone- proužek H; Typy svalových vláken Rozeznáváme bílá a červená svalová vlákna a to jak z hlediska morfologického, funkčního i histochemického (Malínský et al., 2002). Červená - Mají řidší příčné pruhování, více jader, myoglobinu a mitochondrií. Jejich kontrakce je pomalá, ale trvalejší. Bíla - Nachází se u nich hustší příčné pruhování, méně jader, myoglobinu i mitochondrií. Mají rychlou kontrakce, ale rychleji se unaví (Seliger et al., 1983; Dylevský, 2009). 2.2 Hladká svalovina Hladká svalovina se od té kosterní značně liší. Je to především strukturou, funkcí, regulací a tím, že hladká svalovina není ovladatelná naší vůlí. Hladká svalovina je součástí především vnitřních orgánů, jako jsou močový měchýř, děloha, mužské i ženské reprodukční orgány, dýchací a trávicí cesty, cévy a další Struktura hladkého svalu Hladká svalovina je tvořena myocyty, což jsou svalové buňky vřetenovitého tvaru, jejichž délka může být od 15 do 500 μm. Zakončení těchto buněk je různé, může být ostré až roztřepené. Jádro je centrálně uložené, zatímco ostatní organely se nacházejí na okrajích 13

14 buňky. Množství myozinu je v hladké svalovině menší než množství aktinu. Dalším rozdílem od kosterní svaloviny je, že v hladké svalovině není vidět žádné pruhování a není zde přítomný troponin, ale kalmodulin. Dalšími kontraktilními bílkovinami jsou tropomyozin, kalponin a kaldesmon (Seliger et al., 1983; Dylevský, 2009). 2.3 Srdeční svalovina Obr. 2: Hladký sval (převzato z Ritchison) Srdce je dutý orgán, který svým střídáním systoly (stah komor a proudění krve) a diastoly (relaxace komor a plnění se krví) zajišťuje proudění krve nebo hemolymfy tělem. Díky tomu slouží i k přenosu plynů, živin i odpadních látek. Dá se říci, že je jakýmsi přechodným svalem. Má totiž vlastnosti shodné s kosterním svalem, což je příčné žíhání, ale i se svalem hladkým. (Seliger et al., 1983) Stavba srdečního svalu U savců je srdce uloženo v přední části hrudi a dělí se na dvě síně a dvě komory. Vnitřní výstelka neboli endokard je blanka, která pokrývá vnitřní prostor síní i komor. Mezi pravou síní a pravou komorou vytváří trojcípou chlopeň a mezi levou síní a komorou chlopeň dvoucípou=mitrální. Střední část srdce tvoří myokard. Je tvořen příčně pruhovanou svalovinou. Jednotlivé srdeční buňky jsou spojeny tzv. interkalárními disky, které zajišťují větší soudružnost srdce a přenos vzruchů po srdci. Poslední, vnější vrstvou je epikard, který tvoří povrch srdce a pozvolna přechází v perikard-osrdečník. Mezi nimi se nachází malé množství tekutiny, které brání tření. Jak už bylo zmíněno, v srdci se nacházejí chlopně. Jsou to již zmíněné cípaté chlopně a potom chlopně poloměsíčité. Ty se nacházejí při ústí dolní a horní duté žily do pravé síně a u výstupu plicnice a aorty z komor (Štejfa, 2007). 14

15 Obr. 3: Myokard (přavzato z Developmental biology: Muscle Tissue [online]) 1-buňka srdečního svalu; 2- buněčná jádra; 3- interkalární disky 3 REGULACE ČINNOSTI SVALŮ 3.1 Regulace činnosti kosterní svaloviny Kosterní svalstvo je ovládáno somatickou nervovou soustavou, tedy mozkem a míchou z nichž vycházejí nervy. Tyto nervy regulují svalovou činnost a ta je řízena jako funkční celek. Zároveň jsou hierarchicky uspořádané a každá hierarchická úroveň má definovanou funkci. Jejich vzájemná koordinace a návaznost funkcí zajišťuje funkceschopnost hybného systému (Trojan et al., 2005; Kittnar 2009). Významnou roli zde hraje mozeček neboť je koordinačním centrem a centrem rovnováhy. Činnost mozečku je podvědomá. Základ regulace činnosti svalů představuje reflexní oblouk. Je to regulační obvod, ve kterém se nachází eferentní složka vedoucí vzruch z centrální nervové soustavy (CNS) ke svalu a aferentní složka, která je opakem eferentní. Motoneurony jako konečné články reflexního oblouku se nacházejí v jádrech hlavových nervů a v páteřní míše. Inervují svalové vřeténko a tím způsobují jeho kontrakci a fungují jako regulátory svalů. (Trojan et al., 2005; Kittnar 2009) Tzv. nervosvalová ploténka vzniká spojením mezi svalovým vláknem a nervovým zakončením. Dochází zde k přenosu akčního potenciálu z nervu na sval. Funguje tedy jako chemická synapse. Jako neurotransmiter zde působí acetylcholin (ACH), který se ukládá do 15

16 synaptických váčků. Po příchodu akčního potenciálu na presynaptickou membránu neuronu se otevřou kanály pro Ca 2+, ty vniknou dovnitř a vyvolají vylití acetylcholinu do synaptické štěrbiny. Na postsynaptické membráně svalu jsou umístěny acetylcholinové receptory, na něž se ACH váže a vyvolá tím akční potenciál ve svalu a jeho kontrakci (více viz kapitola 4.2.) (Silbernagl & Despopoulos, 2003; Trojan et al., 2005). Spojením jednoho motoneuronu a několika svalových vláken vzniká motorická jednotka, což je nejmenší část hybného systému. Ta je dvojího typu a to jednotka rychlého a pomalého. Počet aktivovaných motorických jednotek určuje aktivitu svalu. Čím více těchto jednotek je aktivováno, tím vyšší může být napětí svalu (Silbernagl & Despopoulos, 2003; Trojan et al., 2005). 3.2 Regulace činnosti hladkého svalu Řízení hladké svaloviny rozlišujeme na řízení autonomním nervstvem a na řízení prostřednictvím hormonů. Toto tzv. nepřímé řízení je uskutečňováno pomocí hypofýzy (podvěsku mozkového) Autonomní nervy Autonomní nervstvo zahrnuje sympatikus, který má aktivační charakter a parasympatikus, který má naopak charakter tlumivý. Většina tkání má inervaci oběma. Tato inervace může být protichůdná nebo souběžná. Krevní cévy však řídí především nervy sympatické. Činnost sympatiku i parasympatiku je řízena spinální míchou, mozkovým kmenem, hypotalamem a mozkovou kůrou. Sympatikus Vystupuje v hrudní a bederní oblasti páteřní míchy. Pregangliová vlákna vedou do ganglií, která jsou jednak párová a jednak nepárová. Odtud vedou postgangliová vlákna k cílovým orgánům. Cesta může být velmi dlouhá. Po příchodu informace na místo dojde k synaptickému přenosu signálů. Konce axonů jedné buňky vedou signál skrz synapse k dendritům druhé buňky. Tato první buňka=presynaptická buňka pošle neurotransmiter synaptickou štěrbinou a tím aktivuje buňku druhou=postsynaptická buňka. Takto se signál přenese až na cílové místo. Acetylcholin působí jako neurotransmiter v gangliích a noradrenalin v cílových orgánech. Sympatický nervový systém je aktivován při stresu a zátěžových situacích (Dokládal & Páč, 2000; Silbernagl & Despopoulos, 2003). Parasympatikus Začíná v křížové části páteřní míchy a v jádrech třetího, sedmého, devátého a desátého hlavového nervu. Stejně jako u sympatických neuronů, tak 16

17 i u parasympatických neuronů jsou zde pre- a para- gangliová vlákna. Rozdíl mezi nimi je ten, že se pregangliová vlákna přepojují v gangliích, která leží v blízkosti inervovaných orgánů. Tzn., že pregangliová vlákna mohou být velmi dlouhá, zatímco postgangliová jsou naopak velmi krátká. Přenos informací je zde také uskutečňován pomocí synapsí. Parasympatický nervový systém je zodpovědný především za odpočinek a anabolické děje v organismu ( Dokládal & Páč, 2000; Silbernagl & Despopoulos, 2003). Tab. 1: Porovnání vlivu sympatiku a parasympatiku (převzato z Netušil). Funkce nebo orgán Vliv sympatiku Vliv parasympatiku oběhová soustava zrychlení činnosti zpomalení činnosti myokard zesílení stahů zeslabení stahů krevní tlak zvýšení kr.tlaku snížení kr.tlaku kožní cévy, cévy břicha Zúžení bez vlivu cévy srdce a mozku Rozšíření Zúžení svalové cévy zúžení při sval. práci rozšíření bez vlivu hladké sv. - trávicí s. Ochabnutí Stahy průdušky Rozšíření Stah žlučový měchýř Ochabnutí Stahy močový měchýř bez vlivu Stahy děloha při porodu Stah bez vlivu zornice Rozšíření Zúžení žlázy žaludku a slinivky bez vlivu Vyměšování potní žlázy Vyměšování bez vlivu játra rozpad glykogenu bez vlivu dřeň nadledvin Vyměšování bez vlivu tělesná teplota Zvýšení Snížení C 6 H 12 O 6 v krvi Zvýšení bez vlivu pohlavní úd Ejakulace Erekce Nepřímé řízení pomocí hormonů, prostřednictvím hypofýzy Hormony jsou produkovány v endokrinních žlázách a řídí cílové orgány tzv. endokrinní regulací. K těmto cílovým orgánům se dostávají prostřednictvím krve, do které jsou uvolňovány z endokrinních žláz. Buňky orgánů rozpoznávají jednotlivé hormony, které 17

18 interagují s odpovídajícími buněčnými receptory. Tyto receptory poté spouští v cílovém orgánu řadu reakcí, které vedou k typické hormonální reakci. Receptory se mohou vyskytovat v různém počtu i v různé citlivosti pro daný hormon. Přednostně však hormon působí na buňky s nejvyšší citlivostí. Hypofýza neboli podvěsek mozkový patří právě mezi endokrinní žlázy, kterým je podřízena většina ostatních žláz s vnitřní sekrecí. Dělí se na adenohypofýzu=přední lalok hypofýzy a neuhypofýzu=zadní lalok hypofýzy. Adenohypofýza slouží jako řídící žláza pro další endokrinní žlázy. Vylučuje růstový somatotropní hormon (somatotropní hormon, STH), který působí např. na játra a ledviny a růst kostí; luteotropní hormon (prolaktin, LTH) např. stimuluje rozvoj mléčných žláz; tyreotropní hormon (TSH) je hormon stimulující štítnou žlázu; folikuly stimulující hormon (FSH) je pohlavní hormon stimulující růst vaječníkových váčků u žen a u mužů vyvolává tvorbu spermií; luteinizační hormon (LH) způsobuje u žen ovulaci a u mužů ovlivňuje produkci testosteronu; adrenokortikotropní hormon (ACTH) stimuluje růst kůry nadledvinek; endorfiny se vyplavují při stresu a svalové zátěži, hrají významnou roli při regulaci teploty. Hormony neurohypofýzy jsou antidiuretický hormon (vasopresin, ADH), který zužuje vlásečnice a tepny v ledvinách; oxytocin je důležitý při rozmnožování a porodu. Laloky hypofýzy jsou však pod vlivem hypotalamu (Navrátil, 2008). 3.3 Regulace činnosti srdečního svalu Stejně jako u hladkého a kosterního svalstva, je i zde kontrakce podmíněna akčním potenciálem a realizována kontraktilním aparátem, který je složen z aktinových a myosinových filament. Regulace síly kontrakce myokardu závisí na počtu interakcí mezi aktinem a myozinem a ten je určován množstvím cytosolového vápníku i délkou sarkomery (Wilhelm, 2003; Kittnar & Mlček, 2009). Srdeční sval, stejně jako hladká svalovina, je ovládán autonomním nervstvem. Toto nervstvo ovlivňuje celou řadu parametrů činnosti myokardu. Jsou to srdeční frekvence, jejíž ovlivnění se nazývá chronotropie. Pokud se jedná o zvýšení frekvence, hovoříme o pozitivní chronotropii, pokud o snížení frekvence, mluvíme o negativní chronotropii. Dalším parametrem je síla srdeční kontrakce. Její ovlivnění nazýváme inotropie. Jako v předchozím případě opět pozitivní i negativní. Dále, ovlivnění síňokomorových převodů označujeme dromotropie. Zrychlení převodu vzruchů nazýváme pozitivní, naopak zpomalení převodu negativní dromotropie. Posledním parametrem je vzrušivost myokardu, jejíž ovlivnění se nazývá bathmotropie. Opět pozitivní a negativní. Ale nejdůležitější veličinou, která vyjadřuje funkci myokardu je minutový srdeční výdej. To je množství krve, které je přečerpáno z jedné komory za minutu: minutový výdej = tepový objem * srdeční frekvence 18

19 Při řízení srdeční činnosti nejprve probíhají změny tlakové frekvence a až potom se mění objem (Štejfa, 2007) Vliv autonomního nervstva Sympatikus - Sympatikus má pozitivně chronotropní účinek, stejně tak i pozitivně inotropní, dromotropní a bathmotropní. Tato vlákna přicházejí k srdci z 5-6 horních hrudních a 1-2 dolních krčních segmentů míchy, spolu s eferentními vlákny vagu a aferentními vlákny ze srdce a velkých cév. Sympatická vlákna jsou rovnoměrně rozložená mezi síně a komory. Předsíně jsou pod vlivem sympatiku i parasympatiku, zatímco komory jen sympatiku. Je zde však asymetrie, pravostranný sympatikus inervuje předsíně a jeho účinek je pozitivně chronotropní, levostranný sympatikus potom inervuje hlavně komory a jeho účinek je pozitivně inotropní. Účinek sympatiku je zprostředkováván mediátorem noradrenalinem. Ten způsobí v buňkách myokardu aktivaci alfa adrenergních receptorů. Toto vede ke snížení toku K + iontů z buněk a tím dochází ke stimulaci sodíkového kanálů, tedy proudu Na + iontů do buněk. Tento mechanismus zrychlí diastolickou depolarizaci a zvýší se tím srdeční frekvence. Sympatikus totiž aktivuje vstup Ca 2+ a Na + do buňky sinoatriálního uzlu a tím zrychluje depolarizaci a tepovou frekvenci. Parasympatikus Naopak parasympatikus má negativně chronotropní účinek, stejně tak i negativně inotropní, dromotropní a bathmotropní. Parasympatická vlákna vedou k srdci jako rami cardiaci nervi vagi. Tato vlákna vedou k synapsím s postgangliovými buňkami. Tyto synapse se nacházejí v epikardu a v srdeční stěně. Pravostranný vagus pokračuje do pravé předsíně a koncentruje se v sinoatriálním uzlu a má účinky negativně chronotropní. Zatímco levostranný vagus vede k atrioventrikulárnímu uzlu a jeho účinek je negativně dromotropní. Na rozdíl od sympatiku je účinek parasympatiku zprostředkováván pomocí acetylcholinu. Ten se uvolňuje ze zakončení postgangliových vláken. Cholinergní receptory na něj v srdeční tkáni odpovídají. Dráždění těchto receptorů vede k aktivaci K + kanalů a tím se zpomaluje průběh spontánní diastolické depolarizace (Ošťádal, 2003; Štejfa, 2007). 19

20 4 CHEMISMUS SVALOVÉ KONTRAKCE 4.1 Adenosintrifosfát=ATP Nezbytnou součástí pro svalovou kontrakci je dostatečné množství adenosintrifosfátu neboli ATP. Svalová kontrakce totiž využívá jeho energii. Adenosintrifosfát je makroergická sloučenina, která při svém rozkladu na ADP (adenosindifosfát) a P i (anorganický fosfor) uvolňuje velké množství energie. Jeho svalová zásoba je však velmi malá, proto je třeba ho neustále regenerovat. Pro regeneraci se v podstatě používají 3 procesy. Je to štěpení kreatinfosfátu, aerobní a anaerobní glykolýza a aerobní oxidace mastných kyselin. Pro jeho tvorbu je proto nezbytné i velké množství glukózy a v podstatě i kyslíku Regenerace ATP z kreatinfosfátu Tento proces je využíván především k rychlé akci svalu, která je však jen krátkodobá. Když dojde z rozštěpení ATP na ADP, tak je tento ADP přeměňován na ATP a to pomocí kreatinkináz. Kreatinfosfát se totiž během zátěže hydrolyzuje, přičemž uvolňuje fosfátovou skupinu, která se váže na ADP za vzniku ATP. Naopak, když je sval v klidu, předává ATP svůj fosfát kreatinu a tím vzniká vysokoenergetická zásoba kreatinfosfátu pro další krátkodobou, avšak velice výkonnou činnost Regenerace ATP anaerobní glykolýzou Základem anaerobní i aerobní glykolýzy je přeměna glukózy na pyruvát. Prvním krokem této reakce je přeměna glukózy na glukózu-6-fosfát, přičemž se spotřebovává molekula ATP. Poté je tato sloučenina izomerací přeměněna na fruktózu-6-fosfát. Ta podléhá druhé fosforylaci za vzniku fruktózy-1,6-bisfosfátu. V tomto kroku poskytuje fosforylovou skupinu také ATP. V dalším kroku dochází k rozštěpení této fruktózy na glyceraldehyd-3- fosfát a dihydroxyacetonfosfát (DHAP). Glyceralhedyd-3-fosfát je zpracován za vzniku první makroergické sloučeniny glykolýzy a to 1,3-bisfosfoglycerátu. Ten reaguje s ADP a předává mu fosfátovou skupinu za vzniku první molekuly ATP a 3-fosfoglycerátu. 3-fosfoglycerát je přeměněn na 2-fosfoglycerát, který je dehydratací přeměněn na fosfoenolpyruvát. V posledním kroku dochází k hydrolýze fosfoenolpyruvátu a uvolněná energie je využita ke vzniku další molekuly ATP a pyruvátu. Touto cestou tedy vznikají 2 molekuly ATP. Celkově to jsou však 4 molekuly ATP, neboť při rozložení šestiuhlíkatého cukru na dva tříuhlíkaté se 20

21 odehrává vše zdvojeně. Díky tomu, že pro iniciaci glykolýzy jsou potřeba 2 molekuly ATP, je celkový výsledný čistý zisk z célé reakce ale jen 2 molekuly. Poté se pyruvát vydává anaerobní cestou. Tam je pomocí nikotinamid adenin dinukleotidu (NADH) redukován na laktát a NAD +. Laktát je přenášen od jater, kde je oxidován na pyruvát a ten se opět přemění na glukózu. Jeho hromaděním se zvyšuje pokles ph a zvyšuje se množství H +, což způsobuje svalovou únavu. I když touto cestou vznikají pouze 2 molekuly ATP, svaly ji využívají, neboť je tato cesta regenerace asi 100krát rychlejší než aerobní Regenerace ATP aerobní oxidací glukózy a mastných kyselin V tomto případě se pyruvát vydává aerobní cestou. Při aerobním štěpění se pyruvát oxidační dekarboxylací nejprve mění na Acetyl-CoA a ten vstupuje do citrátového cyklu a poté do oxidativní fosforylace. Celková bilance aerobního štěpení je 36 ATP/glukózu. Pomocí β-oxidace tuků vznikne během jednoho cyklu molekula FADH 2 a NADH. Ty jsou deoxidací v dýchacím řetězci přeměněny na 5 molekul ATP. Odštěpený Acetyl-CoA se potom aerobně štěpí za vzniku 12 molekul ATP. Celkový výtěžek vzniklých ATP pak závisí na počtu uhlíků v kyselině. Počet ATP se vypočítá z rovnice ATP = 5(n/2-1)+12(n/2)-2, kde n je počet uhlíků. Příkladem může být mastná kyselina palmitová s 16 uhlíky, kde počet ATP=5(16/2-1)+12(16/2)-2= 129 molekul ATP. 4.2 Svalová kontrakce příčně pruhované svaloviny Jak již bylo řečeno výše, spojením svalu a nervu vzniká motorická ploténka. Nervová zakončení zapadají do motorické ploténky a mezi nervem a svalem tak vzniká synaptická štěrbina. V těchto nervových zakončeních se nacházejí váčky s acetylcholinem (ACH). Na začátku k nervu dojde signál v podobě akčního potenciálu (AP), který se šíří po axonu až k synapsím. Když je buňka v klidu, je zde klidový membránový potenciál (KMP), který má hodnotu asi -70mV. Tento klidový potenciál zajišťuje Na + -K + -ATPázová pumpa, která už zde spotřebovává ATP na svou činnost (Hyman & Nestler, 1993). Při podráždění například podnětem zvenčí se tato negativita KMP snižuje. Dochází ke vzniku tzv. prahového potenciálu a tím dojde k aktivaci napěťově řízených kanálů pro Na +. Napěťově řízené sodíkové kanály propouštějí velké množství iontů Na + dovnitř buňky a tyto ionty jsou základem rychlého vzniku akčního potenciálu na neuronech ( Raman & Bean, 1997). Vzrůstá i vodivost g Na pro Na + a dochází k depolarizaci membrány, otevírání více sodíkových kanálů a tím vzniku AP. Hodnota potenciálu dosáhne hodnoty až +30mV. Ionty Na + tekoucí dovnitř 21

22 axonu neuronu během AP se po tomto axonu šíří a depolarizují další části axonové membrány. Je-li tato depolarizace dostatečně silná, vyvolá zde další AP, které se šíří až k synapsím (Hodgkin, 1937). V tuto chvíli je vodivost g Na inaktivována a Na + kanály jsou uzavřeny a otevírají se K + kanály. Díky tomu se nitro buňky zbaví kladného náboje a dojde k repolarizaci, někdy až hyperpolarizaci, kdy KMP je až -90mV. Poté se KMP vrací na normální hodnotu -70mV (Hyman & Nestler, 1993). Tento akční potenciál postupuje až k presynaptickému zakončení a zvyšuje prostupnost Ca 2+ iontů, které podmiňují uvolnění ACH. Dá se tedy říci, že depolarizace axonu spouští uvolňování neurotransmiteru ACH do synaptické štěrbiny (Golding et al, 2001). Na presynaptickém zakončení zapříčiňuje akční potenciál otevření napěťově řízených kanálů pro Ca 2+ a tím influx iontů vápníku do cytosolu. Vápník je vyplavován z endoplazmatického retikula, ve kterém je uložen. Na této presynaptické membráně se nacházejí vezikuly s acetylcholinem. Zvýšená koncentrace Ca 2+ iontů v cytosolu způsobuje vylití ACH z vezikul do synaptické štěrbiny (Hyman & Nestler, 1993). Na postsynaptické membráně se nacházejí nikotinergní-cholinové receptory, na něž se ACH váže. Tyto receptory současně fungují i jako iontové kanály. Ty se otevírají v závislosti na koncentraci ACH. Tento kanál je citlivý na ionty K +, Na + a Ca 2+. Zde dochází k influxu Na + a zčásti i Ca 2+ do buňky a efluxu K + z buňky a tím dochází k depolarizaci a vzniku ploténkového potenciálu (Llinás et al, 1981). AP na postsynaptické membráně vzniká po vyprázdnění obrovského množství těchto vezikul s ACH a tento AP převedený na kontrakci svalu se nazývá elektromechanické spřažení (Hyman & Nestler, 1993; Silbernagl & Despopoulos, 2003). Tento AP podráždí napěťově řízené receptory sarkolemy. Ty jsou v sousedství s kanály pro Ca 2+ na sarkoplazmatickém retikulu. Toto podráždění způsobí otevření Ca 2+ kanálů a tímto otevřením vápníkových kanálů se zvyšuje koncentrace vápníku v cytosolu. Tato zvýšená koncentrace Ca 2+ zahajuje kontrakci a to tím, že se Ca 2+ váže na troponin C. Součástí aktinového vlákna je troponin-tropomyozinový komplex, který reguluje aktin tím, že na něm blokuje vazebná místa pro myozin ( Szent-Gyorgyi, 1975). Jak vyplývá z názvu, součástí tohoto komplexu je regulační protein tropomyozin a troponin, který je tvořen 3 podjednotkami. Troponin C, který váže vápník, troponin I, inhibiční protein a troponin T vážící se na tropomyozin (Ebashi & Kodama, 1965; Ohtuski et al, 1967; Greaser, M. L. & Gergely, J., 1971). Po příchodu troponinu T, troponin-i + C zůstávají spojeny s aktintropomyosinem a to v přítomnosti i nepřítomnosti vápníku (Hitchcock, 1975). Troponin I je navázaný na aktinu a tropomyozin blokuje vazebná místa pro myozin a díky tomu je sval v klidu. Klidový stav je udržován tak, že brání interakci mezi myozinem a aktinem a úkolem 22

23 vápníku je odstranit tuto inhibici (Szent-Gyorgyi, 1975). Tím, že se naváže Ca 2+ na podjednotku troponinu C se vazba troponinu I na aktin oslabí a tropomyozin se uhne. Takto se uvolní vazebné místo na aktinu a myozin se může navázat (Huxley, 1972). Myozin se skládá ze šesti podjednotek. Ze dvou těžkých řetězců (MHC-myosin heavy chain) a dvou párů lehkých řetězců myozinu (MLC-myosin light chain). Ty mohou existovat v různých izoformách, a to díky rozdílům obou jeho podskupin (MHC i MLC) (Bottinelli et al., 1991). Lehké se rozdělují na základní neboli alkalické (ELC-essential light chain) a regulační neboli fosforylovatelné (RLC-regulatory light chain) lehké řetězce. MHC obsahuje N-terminální hlavu nebo také subfragment S1 a C-terminální konec (Schaub et al., 1998). Na hlavě je vazebné místo pro nukleotid na opačné straně než vazebné místo aktinového řetězce (Rayment at al, 1993). Obr. 4: Schematické detail sarkomery s proteiny ovlivňující kontraktilitu (převzato z Schaub et al., 1998) AF-tenké aktinové vlákno; MF-silné myozinové vlákno; inhibiční (TnI), Ca 2+ vazané (TnC) a tropomyosin vázající TnT troponinové komponenty; S1-myozinový subfragment-1 (myosinová hlavová část); ELC a RLC-základní a regulační myozinové lehké řetězce; MyBP-C- lokalizace myozinu, který váže protein-c. M-line by měl být nalevo a Z-line na pravé straně. Existuje šest izoforem MLC, jsou to MLC1f, MLC3f a MLC2f (f-fast), které se nacházejí v rychlých svalech a MLC1sa, MLC1sb a MLC2s (s-slow) v pomalých typech svalů (Bottinelli et al., 1991). Sekvence aminokyselin (AMK) u MLC-1f a MLC-3f jsou totožné v posledních 141 C-terminálních zbytcích, ale liší se na N-terminálních koncích. MLC-1f má 49 AMK, zatímco MLC-3f jich má jen 8 (Schiaffino & Reffiani, 1996). Savčí svaly obsahují devět MHC izoforem. Jsou to MHC-β/slow a MHC-2A, MHC-2X, MHC-2B, MHC-emb 23

24 (emb pro embryonálních), MHC-neo (neo pro novorozence, také perinatální), MHC-α, MHCco (co pro extraocular) a MHC-m (m pro dolní čelisti nebo žvýkací svaly). První čtyři převládají v dospělých kosterních svalech. (Schiaffino & Reffiani, 1996). Byly zjištěny 4 hlavní druhy vláken v závislosti na složení MHC izorofem. Jsou to typ 1 odpovídající MHC- β/slow, což jsou pomalá vlákna a 2A, 2B a 2X patřící pod rychlá vlákna. (Bottinelli et al., 1991). Dva MHC se spojují se dvěma alkalickými lehkými řetězci v různých poměrech a dále se dvěma MLC2. Tyto poměry jsou LC1f: LC3f, LC1f: LC1f, LC3f: LC3f. (Bottinelli et al., 1991). Je všeobecně známo, že molekulární podstata kontrakce spočívá v interakci mezi myozinem a aktinem a je spojená s hydrolýzou ATP. Energie uvolněná štěpením ATP na ADP a P i je pak převedena na mechanickou práci. Myozin se chová jako enzym schopný katalyzovat hydrolýzu ATP a aktin působí jako aktivátor (Schiaffino & Reffiani, 1996). Jak již víme, myozin (M) má ATPázovou aktivitu, obě jeho hlavy vážou po jedné molekule ATP. Pokud se Ca 2+ naváže na troponin C, jak bylo popsáno výše, aktin (A) spouští ATPázovou aktivitu myozinu a dochází k rozštěpení ATP na ADP a P i. Tím vzniká komplex A-M-ADP-Pi (De La Cruz et al, 1999). Dále dochází k tomu, že se z komplexu uvolní Pi a vazba mezi aktinem a myozinem se stává pevnější. Vzniká komplex A-M-ADP (Dantzig et al, 1992; Takagi et al, 2004). Myozinové hlavy se sklopí do úhlu 40 a tím se posunou jednotlivá filamenta vůči sobě. Poté se uvolní i molekula ADP a myozin se vrací do původní polohy (45 ) (Llinás et al, 2012). Na myozinové hlavě vznikne opět volné místo, na které se může navázat další ATP. Tím vzniká další vazba mezi aktinem a myozinem, která je však slabší, volnější. Navázání ATP na myozin způsobuje opětovné napřímení myozinových hlav (z 45 na 90 ), právě díky té volnější vazbě a celý cyklus se stále opakuje při dostatku iontů vápníku i ATP. (Ganong, 2001; Llinás et al, 2012) Stanovení aktivity ATPázy ukazuje, že myozin má v rychlých svalech ATPázovou aktivitu vyšší než v pomalých svalech (Barany, 1967). Myozinové těžké řetězce se zdají být hlavním ukazatelem myozinové ATPázové činnosti. Katalytické místo se nachází na MHC hlavové části. Subfragment S1 bez regulačních a alkalických lehkých řetězců udržuje vysokou aktivitu aktivované ATPázové činnosti. Isoformy tvořené z MLC a MHC ukazují, že činnost ATPázy je odvozena od MHC (Wagner, 1981). Alkalické MLC izoformy hrají významnou regulační roli při určování aktinem aktivované ATPázové aktivity. ATPázová činnost S1-MLC-3f je dvakrát vyšší než S1-MLC- 1f. Ale MLC-1f má větší afinitu k aktinu než S1-MLC-3f (Vivarelli et al, 1988). 24

25 Svalová vlákna s rychlými MHC izoformami spotřebovávají ATP rychleji než pomalé izoformy. Štěpení ATP se liší nejen mezi rychlými a pomalými vlákny, ale i mezi jednotlivými typy rychlých vláken. 2B vlákna mají nejvyšší aktivitu, zatímco 2X ji mají nejnižší. Nejvyšší aktivita je tedy v 2B vláknech a nejnižší v pomalých vláknech (Schiaffino & Reffiani, 1996). Bylo zjištěno, že přítomnost rychlých MLC v pomalých vláknech či pomalých MLC v rychlých vláknech nevytváří rozdíly v rychlosti zkrácení svalu. Rozdíl mezi pomalými a rychlými vlákny tedy spočívá v rozmanitosti mezi MHC izoformami (Reiser et al, 1985). Regulační MLC-2 hraje důležitou roli při určování rychlosti zkracování a při jeho odstranění se snižuje rychlost stahování vláken (Moss et al, 1983; Hofmann et al, 1990). Nízká koncentrace intracelulárních iontů vápníku a zpětné hromadění je zprostředkováno působením vápníkové pumpy Ca 2+ -ATPázy, která izoluje ionty vápníku v sarkoplazmatickém retikulu. Zde je vápník skladován, dokud není uvolněn příchodem dalšího AP (Ebashi & Lipman, 1962). 4.3 Kontrakce hladké svaloviny Hladká svalovina je v trvalé kontrakci, která se nazývá tonus. Kontrakce může být velmi silná, ale i slabá. V případě jednotkového hladkého svalu jsou buňky propojeny pomocí gap junction a podráždění se tedy šíří z jedné buňky na druhou. Vznik tohoto podráždění je autonomní a vzniká v pacemakerech, což znamená, že není závislé na inervaci nervstvem. Naproti tomu jsou vícejednotkové hladké svaly regulovány autonomním nervstvem. Tato regulace je popsána v kapitole Na zvyšování tonu se podílejí i transmitery s hormony a depolarizace sarkolemy. Jejich vliv zvyšuje koncentraci Ca 2+ v cytosolu. Extracelulární vápník prochází vápníkovým kanálem L-typu, zatímco intracelulární, kterého je méně, pochází ze zásobáren sarkoplazmatického retikula, které je málo vyvinuté oproti příčně pruhované svalovině. Ca 2+ se váže na kalmodulin a tento komplex fosforyluje myozin II. Tato fosforylace aktivuje ATPázovou aktivitu myozinu a tím dochází k jeho aktivaci a interakci s aktinem za vzniku aktinomyozinového komplexu. Navázáním Ca 2+ na kaldesmon dojde k jeho uvolnění od aktin-tropomyozinového komplexu a může dojít ke kontrakci (Ganong, 2001). 25

26 Obr. 5: Regulace kontrakce hladké svaloviny kaldesmonem (CD) (převzato z Muscles-smooth [online]) Při nízkých koncentracích Ca 2+ (10-6 M)se kaldesmon váže na tropomyozin (TM) a aktin, což snižuje vazbu myosinu na aktin a také udržuje svaly v uvolněném stavu (relaxation). Při vyšších koncentracích Ca 2+, Ca 2+ - kalmodulin (Ca 2+ -CaM) komplex se váže na kaldesmon, který se uvolnil od aktinu; poté může myosin reagovat s aktinem a sval se může stáhnout, kontrahovat (contraction). Fosforylace několika kinázami, včetně MAP kinázy (mitogenem aktivované proteinkinázy) a defosforylace fosfatázami (phosphatase) také reguluje kaldesmonovou aktino-vazebnou aktivitu. Cannot bind to actin-nelze se navázat na aktin. 4.4 Kontrakce srdečního svalu Srdce je schopno pravidelně generovat vzruchy, které se jím šíří přes celý myokard díky gap junction a způsobují kontrakci. Za normálních podmínek vzniká podnět pro podráždění v sinoatriálním uzlu (SA uzel). Je tedy pacemakerem. Z něj se dále šíří na síně a dále do atrioventrikulárního uzlu (AV uzel). Poté putuje do obou komor. V SA uzlu je tzv. pacemakerový potenciál. Jeho maximální hodnota po repolarizaci je -70mV. Po dosažení této hodnoty nastává pomalá depolarizace a to do té doby, než dosáhne hodnoty -40mV, což odpovídá prahovému napětí a to vyvolá akční potenciál. Otevřou se Ca 2+ kanály a vápníkové ionty pronikají do buněk, což depolarizaci urychluje. To způsobuje vytékání K + a opětovnou repolarizaci.(ganong, 2001) AP způsobuje otevření napěťově řízených kanálů pro Ca 2+. Jejich otevřením se z extracelulárního (EXC) prostředí vlévá vápník do buňky. Tento vápník má vliv na uvolnění vápníku, který do cytosolu vtéká ze sarkoplazmatického retikula a poté způsobuje kontrakci (Luttgau & Niedergerke, 1958; Niedergerke, 1963). Jak již bylo řečeno, extracelulární vápník vyvolává vtok Ca 2+ ze SR do cytosolu. Tento mechanismus naznačuje, že malé množství EXC vápníku, které vstoupilo během depolarizace, není dostatečné pro zahájení kontrakce myokardu, a proto musí dojít k efluxu ze SR. Vápník se poté naváže na troponin a přes řadu 26

27 reakcí dojde ke vzniku aktino-myozinového komplexu a kontrakci myofibril. K relaxaci myokardu dochází teprve tehdy, když se snižuje koncentrace vápníku v oblasti myofilament. (Adams & Schwartz, 1980). Proto musí být Ca 2+ neustále přečerpáváno, aby nebyl sval v neustálé kontrakci při jeho přebytku nebo v neustálé relaxaci při jeho nedostatku. Existuje tzv. výměnný nosič Na + /Ca 2+, který zprostředkovává uvolnění vápníku z buněk myokardu do EXC prostředí. Jeho hnací silou pro vytlačení Ca 2+ je vtok Na + po jeho elektrochemickém gradientu. Dalším hnacím mechanismem je Ca 2+ -ATPáza. Ta se podílí na transportu vápníku jak do EXC prostředí, tak i zpět do SR (Reuter, 1974). I v srdci se nachází různé izoformy myozinu. Výše uvedené izoformy MHC-β/slow a MHC-α se také nacházejí v myokardu lidí. MHC-β převládá v komorách, zatímco MHC-α v síních (Lompre et al, (1984). Jsou zde také obě formy MLC, tedy základní (ELC) a regulační (RLC) lehké řetězce. V srdci jsou dva druhy ELC a RLC, které jsou charakteristické pro síňové a komorové tkáně. Jedná se o ALC1 pro síňové (atriové) a VLC1 pro komorové (ventrikulární) ELC. V případě RLC se jedná o ALC2 a VLC2 formy. V lidských srdcích jsou tedy α-mhc, ALC1 a ALC2 omezeny na síně, zatímco β-mhc, VLC1 a VLC2 se nacházejí v komorách (Schaum, 1998). Srdeční kontrakce je přímo závislá na typu převládajících myozinových izoforem (Schaum, 1998). Během kontrakčního cyklu se aktin kombinuje s myozinem a dochází k hydrolýze ATP. Strukturální i mechanické změny v kontrakčním cyklu jsou spojeny právě se sérií reakcí, které zahrnují i zmíněnou hydrolýzu (Eisenberg & Hill, 1985). Samotná kontrakce probíhá tak, že se ATP váže na myozin, ale neuvolňují se produkty hydrolýzy, tedy ADP a P i. ALC1 a VLC1se vážou na aktinové vlákno 50 AMK zbytků N-konce. Pohybují se kolem hlavy myozinu a bezprostředně komunikují s aktinovým monomerem (Milligan, 1996). Prvních 11 N-terminálních zbytků ALC1 jsou odpovědné za navázání na aktinový C-terminální konec (Timson & Trayer, 1997). Dále kontrakce probíhá takřka stejně, jako u příčně pruhované svaloviny. Až se Ca 2+ ionty dostanou k troponinu, dojde ke změně konformace troponin-tropomyozinového komplexu a na aktinu se uvolní vazebná místa pro myozin. Přitom se uvolní energie a ohnou se hlavy myozinu. To způsobí posun myofilament. Navázání dalšího ATP oslabí interakci mezi aktinem a myozinem a cyklus se opakuje. Srdeční kontraktilita je silně ovlivněna nejen ATPázovou činností, ale také např. změnami délky sarkomery a intracelulárními metabolity. Snížení intracelulárního ph a akumulace P i snižují citlivost pro Ca 2+. Citlivost k Ca 2+ pak zvyšuje rostoucí délka sarkomery (Allen et al, 1985). 27

28 Obr. 6: Kontrakční cyklus (převzato z Crossbridge cycle [online]) 1) Odpočívající vlákno; kontrakční cyklus není připojen k aktinu. 2) kontrakční cyklus se váže k aktinu. 3) energie zdvihu způsobuje klouzání vláken. 4) nová molekula ATP se váže na hlavu myozinu, což umožní jeho odpojení od aktinu. 5) ATP je hydrolyzováno, což vrátí kontrakčnímu cyklu původní orientaci. 5 NEUROTRANSMITERY Neurotransmitery (NT) jsou chemické látky, které přenášejí signál z neuronu na cílové buňky, v našem případě na svalové vlákno. Nacházejí se v synaptických vezikulech, které se po příchodu akčního potenciálu vylijí do synaptické štěrbiny, kde se vážou na specifické receptory na postsynaptické membráně. Receptory se nachází i na membráně presynaptické. Jsou to tzv. autoreceptory, které však spíše sekreci tlumí. Princip vylití na nervosvalové ploténce je popsán ve výše uvedené kapitole 4.2. Transmitery obecně vzato, jsou rozmístěny paralelně s výskytem jejich specifických receptorů a enzymů, které je syntetizují. Neurotransmitery lze rozdělit do skupin podle jejich chemického složení. Dělí se tedy na aminy, aminokyseliny a peptidy. Dále sem patří i některé plyny, jako jsou NO a CO a také purinové neurotransmitery (Ganong, 2001). 28

29 Tab. 2: Neurotransmitery v nervovém systému savců (převzato z Ganong, 2001) Neurotransmiter Acetylcholin Aminy Dopamin Noradrenalin Adrenalin Serotonin Histamin Excitační AMK Glutamát Aspartát Inhibiční AMK Glycin Kys. γ-aminomáselná (GABA) Plyny NO, CO Polypeptidy Substance P Vazopresin Oxytocin CRH TRH GRH Somatostatin GnRH Endoteliny Enkefaliny β-endorfin,ostatní deriváty proopiomelanokortinu Endomorfiny Funkce Zvyšuje tep a krevní tlak Zrychluje srdeční tep, roztahuje cévy kosterních svalů Zúžení periférních cév, rozšíření zornic Zvyšuje kontrakci hladkého svalstva a krevní srážlivost Zvyšuje kontrakce dělohy, snižuje krevní tlak Vliv na kognitivní funkce Podílí se na glukoneogenezi Inhibice v mozkovém kmeni a páteřní míše Inhibice v mozku NO-rozšíření cév, erekce penisu CO- rozšíření cév Stahy hladké svaloviny střeva Zvyšuje krevní tlak Stimulace bradavek Spouštěč porodu Stimuluje štítnou žlázu Stimuluje růst Tlumí uvolňování některých hormonů Odpovědný za uvolňován hormonů Zvyšují krevní tlak Snižují střevní motilitu Zmírňují bolest a nepříjemné pocity Regulují tlumivé a vzrušivé chování 29

30 Dynorfiny Cholecystokinin Vazoaktivní intestinální polypeptid Neurotenzin Peptid uvolňující gastrin Gastrin Glukagon Motilin Sekretin Neuropeptid Y Aktiviny Inhibiny Angiotenzin II FMRF amid Galanin Atriový natriuterický peptid Mozkový natriuretický peptid Puriny Adenozin ATP Lipidy Anandamid Stimuluje bolst Způsobuje uvolňování trávicích enzymů vazodilatace, zvyšuje sekreci pankreat. a střevní šťávy, snižuje sekreci žalud. šťávy Stimuluje motoriku trávícího ústrojí reguluje sekreci žaludeční kyseliny a motoriku Stimuluje sekreci žaludečních kyslin Odbourávání zásobního glykogenu na glukózu Stimuluje aktivitu žaludku Regulace kyselosti ve dvanáctníku Snižuje termoregulaci Zvyšuje syntézu folikuly stimulujícího hormonu a jeho sekreci Snižuje syntézu folikuly stimulujícího hormonu a jeho sekreci Způsobuj stažení cév Regulace srdeční činnosti Inhibice akčního potenciál na neuronech Snižuje krevní tlak, citlivost hladkých svalů cév Snižují centrální žilní tlak Vazodilatační účinek Uvolňuje energii potřebnou v buněčných pochodech Hraje roli při bolesti, depresi, plodnosti 30

31 5.1 Systém acetylcholinu Acetylcholin Acetylcholin je transmiter jak excitační, tak inhibiční. Acetylcholin a acetylcholinové receptory jsou přítomny na mnoha typech buněk včetně endoteliálních buněk a buněk imunitního systému (Wessler & Kirkpatrick, 2008). Jeho syntéza spočívá v reakci cholinu, který je syntetizován a vychytáván cholinergními neurony (neurony uvolňující ACH), s acetyl-coa. Tato reakce je katalyzována cholin acetyltransferázou. ACH je stabilní sloučenina a v synaptické štěrbině může přetrvávat velmi dlouho. Jeho eliminace je velmi pomalý proces a pro jeho odstranění ze synapse slouží acetylcholinesterázá. Ta ho rozštěpí na acetát a cholin. Cholin je poté přečerpáván zpět do cytosolu pomocí vysoce afinitních cholinových transportérů, obr. 4 (Pohanka, 2012). Jako jediný neurotransmiter je používán v somatické nervové soustavě. Dále má důležitou roli v posilování smyslových vjemů, když se probouzíme a pro udržení pozornosti (Himmelheber et al, 2000; Jones, 2005). Existují agonisté a antagonisté ACH. Agonisté zvyšují aktivitu receptorů, zatímco antagonisté ji snižují, o tom více dále. Obr. 7: Přehled cholinergní neurotransmise (převzato z Pohanka, 2012) ACH-acetylcholin, Ac-acetát, ACHE-acetylcholinesteráza, ACHR-acetylcholinové receptory, ChAT-cholinacetyltransferáza,ChT- cholinové transportéry, VAChT- vezikulární acetylcholinové transportéry, 1-axonální ukončení neuronu, 2-cílová buňka-např.svalová Acetylcholinové receptory (ACHR) Jsou známé dva druhy ACHR. Jedná se o receptory muskarinové a nikotinové. Jejich jména jsou odvozena od sekundárních metabolitů, které působí jako jejich agonisté (Pohanka, 31

32 2012). Oba typy jsou současně cholinergní receptory a kationtové kanály, tedy ionotropní receptory. Muskarinové receptory Muskarinové receptory zprostředkovávají funkce jak v parasympatickém, tak autonomním nervovém systému. Dále také ovlivňují činnost myokardu, žláz s vnitřní i vnější sekrecí, stahy cév a další (Vyskočil, 2009). Jsou rozděleny do dvou skupin. První skupina je stimulační, která je spjata s činností fosfolipázy C. Druhým typem jsou inhibiční receptory, které potlačují činnost adenylátcyklázy (Felder, 1995). Je známo 5 typů muskarinových receptorů: M1, M2, M3, M4 a M5. Typy M1, M3, M5 jsou spojeny s akumulací intracelulárního vápníku a s aktivací fosfolipáz (Tobin et al, 2009). Jsou spojeny přes protein G s adenylátcyklázou. Typy M1, M3 a M5 preferují spojení s proteiny G q a G 11 (Berstein et al, 1992; Falkenburger et al, 2010). Poslední dva podtypy, M2 a M4, blokují adenylátcyklázu přes proteiny G i a G z (Parker et al, 1991; Alfonzo et al, 1998). M1 se nachází v mozku, M2 v srdci, M3 a M4 se nacházejí v hladké svalovině (Ganong, 2001). Účinkem postsynaptických receptorů M4 se otevřou usměrňovače draselných iontových kanálů (Eggerman & Feldmeyer, 2009). Receptory M2 otevírají pomocí proteinu G i K + -kanály sinusového a AV uzlu. Nikotinové receptory Tyto receptory jsou přítomny jak v centrální, tak i periferní části nervového systému, dále také na nervosvalové ploténce. Nové poznatky také naznačují, že se nacházejí na nervech imunitního systému (Tracey, 2007). Nikotinové receptory se skládají z 5 podjednotek. Jsou to α1-α9, β2- β5, γ,δ a ε (Millar, 2009). Každá tato podjednotka obsahuje 4 transmembránové α-šroubovice, dále velké intracelulární domény, které se skládají z jedné α-šroubovice a extracelulární části s afinitou k acetylcholinu a také z jiných agonistů (Unwin, 2005). Jednotlivé podjednotky se mohou kombinovat v různé stechiometrii. Nejběžnější jsou (α7) 5, (α4) 2 (β2) 3, (α4) 3 (β2) 2 a (α4) 2 (β2) 2 α5 (Zhou et al, 2003; Yang et al 2010). Mechanismus aktivity nikotinových receptorů je vždy stejný, bez ohledu na podtypy (Pohanka, 2012). Hlavní rozdíl je v toku iontů přes receptory. Přítomnost polárních oblastí a podjednotky α3 umožní tok Na + a K + iontů. Nepolární oblast s afinitou k α7 zvyšuje specifitu pro Ca 2+ ionty (Corringer et al 1999). 32