ší šířen Kontakty vyučujících Úvod do předmětu fyziologie Fyziologie svalstva Literatura. Trojan, Ganong, Guyton?

Transkript

1 Kontakty vyučujících Úvod do předmětu fyziologie MUDr. Vladimír Riljak, Ph.D. tel.: MUDr. Kateřina Jandová, Ph.D. tel.: RNDr. Martina Nedbalová, Ph.D. tel.: Fyziologický ústav 1. LF UK Albertov Praha 2 Spoj: tram 18 a 24 do zastávky Albertov ústav se nachází na konci areálu vysokých škol po levé straně Semestr: (14 výukových týdnů) - 12 přednášek k dispozici na intranetu (učební ál) Velikonoční pondělí výukový týden - zkouškový test (multiple choice) Literatura. Trojan, Ganong, Guyton? Fyziologie svalstva ál 1

2 Úvod Sval mechanický převaděč Svalstvo patří mezi excitabilní tkáně Schopnost kontrakce/relaxace Kontrakce navazuje na excitaci a projevuje se: Tenzí Zkrácm Svaly (všech typů) zajišťují: Aktivní tenzi a veškerý pohyb Lidská práce, komunikace (mimika), psaní Cirkulaci krve Transport tráveniny GIT Aby byl účinný musí splňovat několik požadavků: Trvalá dodávka chemické energie (u obratlovců je to ATP a kreatinfosfát) Musí existovat prostředky k regulaci mechanické aktivity (k měnění rychlosti trvání a síly kontrakce) Svalový aparát musí být spojen s operátorem (CNS) Musí existovat cesta jak převaděč (stroj) vrátit do původního stavu Sval je stroj,který táhne, netlačí, proto musí být každý sval antagonisován (jinými svaly, gravitací) Energie - regulace restaurace Klasifikace svalové tkáně Podle struktury/funkčních vlastností Kosterní svalovina Hladká svalovina Srdeční svalovina Myoepitel Stavba svalu Na svalu popisujeme: Začátek (origo) Kraniálněj, proximálněj Nebo ta méně pohyblivá Bříško (venter) Někdy oddělena ještě hlava (i více, triceps) Úpon (insertio) Vykonává většinu funkce svalu Kosterní svalovina 40% tělesné hmotnosti 95% všech svalů tvořen buňkami ve formě vláken (obsahují více jader) um široká, až 20 cm dlouhá povrchová membrána sarkolema (elektricky drážditelná) cytoplazma sarkoplazma (enzymy, glykogen, ATP, fosfokreatin) mitochondrie sarkosomy Tvary svalů Vřetenovitý (m.fusiformis) Biceps, triceps Plochý (m.planus) Svaly břišní stěny Kruhovitý (m.orbicularis) Kolem úst, očnice Svěrač (m.sphincter) Obtáčí nějaký vývod Svěrač močové trubice ál 2

3 Morfologie kosterního svalu Sarkomera Sval Epimysium Svazek svalových vláken Endomysium Sarkolema Sarkoplasma Myofibrila Perimysium Svalové vlákno Jádro Šlacha Funkční jednotka kosterního svalu Opakují se ve směru podélné osy vlákna po úsecích cca nm Na koncích ohraničena Z-disky (v mikroskopu patrné Z-linie) Ve struktuře Z-linií ukotvena tenká filamenta (aktinová) Paralelně s těmito vlákny (a s osou buňky) jsou umístěna silná (myozinová) filamenta Jejich středy spojeny bílkovinou tzv. M-linií (kolmo na podélnou osu buňky) Aktinová a myozinová vlákna se částečně překrývají, typický obraz příčného pruhování. Střídají se tak Izotropní a Anizotropní oblasti (I, A) I-proužky rozděleny Z-liniemi A-proužky mají tzv. vnitřní H-zónu Svalová filamenta Tlustá, myozinová filamenta Tvoří proužek A Průměr asi 16 nm Na přičném řezu uspořádána hexagonálně Tenká, aktinová filamenta V prouźku I, zanořující se i do proužku A Sekundárně exagonálně uspořádané Systém třetích filament Titin Molekuly obrovské a sahají od Z-disku až po M-linii Ostatní bílkoviny Regulace a říz kontrakce Každé tenké filamentum leží symetricky mezi třemi tlustými filamenty Každé tlusté filamentum je obklopeno šesti tenkými ál aktin myozin 3

4 Mechanické vlastnosti neaktivovaného svalu Neaktivovaný sval je pružný, klade odpor deformaci při prodlužování nad klidovou délku Při zvětšování síly s protažm vzrůstá i elastická síla až přetrž Elastická síla má: Statickou složku Dynamickou složku (roste s rychlostí protahování) Pevnost svalu Propoj excitace a kontrakce Vlákna kosterního svalu jsou přímo řízena nervovým systémem Axony míšních nervů vytvářejí spolu se sarkolemou nervosvalovou ploténku Nervosvalová ploténka Modifikovaná chemická synapse CNS Mediátorem Ach Aktivuje nikotinové receptory Ty přímo řídí sodné kanály Takto vyvolaný akční postenciál se rychle ří na celou povrchovou membránu včetně T-systému (vchlípeniny povrchové membrány) Masivní uvolnění vápenatých iontů z EPR Kontrakce (viz dál) Vyplav vápenatých iontů Zásobárnou je sarkoplazmatické retikulum Nutné rychlé vyplav Signály, které vedou k vyplav Ca2+: Depolarizace T-tubulů (elektrotonické působ) Reakce sarkoplazmatického retikula na signální molekulu (jejíž hladina se zvý depolarizací membrány, Ca2+, jiný second messenger) Molekulární podstata kontrakce Teorie posuvu filament Teorie molekulárních generátorů síly Při kontrakci se sarkomera zkracuje, filamenta se zasunují do sebe Pohyb a síla jsou důsledkem cyklické interakce myozinových hlav (generatorů síly) s aktinovými filamenty Interakce je umožněna vyplavm Ca2+ do cytosolu T-tubuly V oblasti I-proužku Kolmo na dlouhou osu buňky Vchlípeniny sarkolemy (transverzální tubuly) Kolmo na ně sarkoplazmatické retikulum vytváří longitudinální tubuly, na konci rozřené v terminální cisterny Transverzální tubulus + 2 přilehlé terminální cisterny vytvářejí tzv. triádu ál 4

5 Odstranění Ca2+, vápníková pumpa Intracelulárně je velmi nízká koncentrace Ca2+, stoupne-li tato koncentrace aktivují se mechanismy, které hladinu Ca2+ sníží Vápníková pumpa účinně pumpuje Ca2+ do tubulů a cisteren 1ATP za 2 ionty Ca2+ Předpokládá se antiport jednoho iontu Mg2+ proti 2 iontům Ca2+ Vlastní kontrakce, tlustá vlákna Interakce submikroskopických struktur (systému filament) Tlusté vlákno se skládá z asi 150 molekul myozinu tvořících svazek Z něj vyčnívají směrem k aktinu části označované hlava a krk (těžký meromyozin) Ke každé vláknité části připadá vždy jedna hlava, která je zářezem rozdělena na 2 části Hlavy jsou orientovány na svazku myozinového vlákna na obou stranách od M-linie v opačném směru V klidu je na hlavách vázána molekula ATP Vlastní kontrakce, tenká vlákna Aktinové vlákno je dvoušroubovice tvořená kulovitými monomery aktinu Vypadá dvě přetočené šnůry korálků Na jednu otočku připadá 14 monomerů aktinu blízko stěrbiny se vyskytují vláknité molekuly tropomyozinu Ke každé molekule tropomyozinu se váže jedna molekula troponinu Průběh kontrakce na molekulární úrovni Depolarizace povrchové membrány Vzestup Ca2+ v cytosolu Konformace troponinu a zpřístupnění vazebných míst pro hlavy myozinu Aktivace ATPázy hlav myozinu Štěp ATP a rotační pohyb hlavy myozinu v podélné ose sarkomery Hlava myozinu se na aktin váže v úhlu přibližně 90 st., následně se v krčku ohne o 45 st., miniaturní páka Z aktomyozinového komplexu se uvolní ADP a spoj se stabilizuje rigorový komplex (rigor mortis) Spoj se uvolní až po navázání ATP Celý děj se podobá činnosti veslice (vlákno myozinu), kdy se vesla (hlavy myozinu) opřou o vodu (aktin) Troponin Molekula troponinu má 3 podjednotky Tn-C (kde probíhá vazba vápenatých iontů) Tn-T (spojuje troponin s tropomyozinem) Tn-I (v klidu brání tvorbě můstků mezi aktinem a myozinem, tento blokující účinek je odstraněn vazbou Ca2+) Kontrakce ál 5

6 Zevní projevy kontrakce Činnost svalu se projevuje změnami Strukturními Mechanickými Chemickými Tepelnými Elektrickými Vztah mezi silou stahu a výchozí délkou svalu Sarkomera vyvine největ sílu tehdy vytvoří-li se optimální počet můstků mezi aktinem a myozinem Je-li sarkomera příliš protažena nedostatečné množství můstků Jeli příliš zkrácena nevhodná konformace Gordonova křivka empirické vyjádř vztahu mezi délkou sarkomery a maximem aktivní tenze při izometrické kontarkci Gordonova křivka Izomet.napětí (%) 2,2um Kontrakce svalu Přirozená kontrakce svalu má formu tetanického stahu Při dostatečné frekvenci opakovaného dráždění (salvy akčních potenciálů) nasedá na předcházejí kontrakci dal kontrakce V sestupné fázi záškubu superpozice vlnitý tetanus Ve vzestupné fázi záškubu sumace hladký tetanus Formy kontrakce svalu Na jediný akční potenciál odpovídá sval svalovým trhnutím Průběh trhnutí n u všech svalů stejně rychlý: Svaly pomalé (konají statickou práci, posturální svaly) Svaly rychlé (oční svaly) Tetanický stah ál 6

7 Kontrakce svalu Izotonická Mění se délka svalu Izometrická Sval se nemůže zkracovat (pokus o zvednutí příliš těžkého břemene) Auxotonická Narůstá síla a sval se současně zkracuje (balistické pohyby) Energetika činnosti svalu Bezprostředním zdrojem ATP Zdrojem ATP aerobní oxidativní fosforylace Krátkodobě anaerobní glykolýza (sprint) Zásoba ATP malá a může být něna reakcí ADP s krestinfosfátem (ten je defosforylován) Je ňován z volných mastných kyselin Vysoké výkony glukóza Teprve při extrémních nárocích začíná sval využívat vlastní glykogen Při svalové práci vzniká únava Fyzická Psychická Synaptická (běh na 800m) Říz činnosti svalu Kontrakce příčně pruhovaného svalu je řízená motoneurony míšních a hlavových nervů Je řízená časoprostorovou aktivitou motoneuronů: počtem aktivních motoneuronů (tj. motorických jednotek; 1 motorická jednotka = všechna svalová vlákna ovládaná jedním motoneuronem) frekvencí akčních potenciálů motoneuronů Již při frekvenci kolem 30 Hz dochází k maximální možné kontrakci Při frekvenci Hz se sval nejrychleji stahuje I v klidu měříme jisté napětí svalu nesouvisející s pohybem. Tento svalový tonus má dvě složky pasivní elastický tonus (podmíněn elastickými vlastnostmi svalu) reflexní tonus podmíněn klidovou aktivitou motoneuronů (řízen gama-systémem) Jednotkový hladký sval Buňky vzájemně spojeny (gap junction) Elektrická vazba buněčných membrán, umožnění ř depolarizace Soubuní (hlavně cirkulární svalovina GIT) V hladké svalovině mnoha orgánů se vyskytují tzv. pacemakerové buňky, které rytmicky vytvářejí akční potenciály (udržují tonus hladkého svalstva) Hladká svalovina Tvoří stěny útrob (s výjimkou kapilár) Nejeví příčné pruhování Buňky men než u svalu kosterního Jedno jádro, vřetenovitého tvaru Dva typy hladkých svalů: Jednotkový hladký sval Vícejednotkový hladký sval Vícejednotkový hladký sval Buňky nejsou vzájemně propojeny Vlna depolarizace se neří Vyskytuje se předevm tam, kde je třeba jemného, cíleného pohybu (m.ciliaris) Vlastnosti v mnohém podobné svalovině kosterní, ale neovladatelný vůlí ál 7

8 Propoj excitace a kontrakce U hladké svaloviny n popisováno propoj typu neuromuskulární ploténky V průběhu nervových vláken se vyskytují tzv.varikozity, vyplněné synaptickými váčky (mediátory: Ach, neuropeptidy) Šíř podráždění v hladké svalovině je zajišťováno: Gap junction, elektrotonicky Postupným řm vlny zvýšené koncentrace mediátoru v mezibuněčném prostoru (peristaltické pohyby) Propoj excitace a kontrakce Na vzniku akčních potenciálů se podílí proud (směřující intracerlulárně): Sodíkových iontů (aplikace tetrodotoxinu snižuje amplitudu AP) Vápenatých iontů (kobaltový ion snižuje amplitudu AP, kobalt navíc brání i vzniku kontrakce) Hladká svalovina nemá tak výrazné sarkoplazmatické retikulum (zásobárna Ca2+), pro svalový stah musí rozhodující podíl Ca2+ přicházet z extracelulárního prostoru iontovými kanály Kontraktilní filamenta Aktin, myozin (tj. obvyklá filamenta) Vlákna jsou ukotvena v denzních tělíscích a páscích (analog Z-disku) Množství myozinu je 3x men Množství aktinu 2x vyš Vyš množství tropomyozinu (aktin:tropomyozin 6-7:1) Tenze a zkrác je vyvoláno vzájemnou interakcí těchto filament Ale: filamenta nevytvářejí tak vysoce uspořádanou strukturu je rozpětí délky při kterém je možná aktivní tenze daleko vět Hladký sval se může zkrátit až na 1/5 délky Možnost protaž je také mnohem vět Troponin C je nahrazen kalmodulinem Interakce aktinu a myozinu je řízena komplexem kalmodulin-ca2+ Zevní projevy kontrakce hladké svaloviny Většina aktivit je pomalejch než u příčně pruhovaných svalů Kontrakce nastupuje pomaleji a déle přetrvává Plastičnost, roztažnost (až 10x) Komplex kalmodulin-ca2+ působí na kinázu myozinu Ta katylyzuje fosforylaci hlavy myozinu (za využití camp) a aktivuje možnost vzniku aktomyozinového komplexu, generování síly a zkrác Při poklesu koncentrace Ca2+ se komplex kalmodulin-ca2+uvolní a uplatní se cytoplazmatická fosfatáza Fosfatáza defosforyluje myozin Následuje relaxace Kosterní sval Pruhovaný N syncitium SR dobře vyvinuto Plasmalema nemá mnoho hormonálních receptoru ECT Ca2+ nemá význma pro kontrakci Hladký sval Nepruhovaný Syncitium SR rudimentární Plasmalema má řadu receptorů ál ECT Ca2+ má zásadní význam pro kontrakci 8

9 Přehled mechnismů ňujících ATP ve svalu ATP je konstantní zdroj energie (zásoby ve svalu cca na 1-2 sekundy) Může být produkován: Glykolysou (glukosa z krve, svalový glykogen) Oxidativní fosforylací Z kreatinfosfátu Adenylátcyklásovou reakcí (ze 2 molekul ADP) Tyto mechnismy využívány různě v závislosti na funkčním typu svalových vláken Zdroje ATP ve svalu: Svalový glykogen Svalová fosforylasa Glukosa Glykolysa Oxidativní fosforylace Kreatin fosfokinaza Kreatin AMP Kreatin fosfát ATP ADP Myozinová ATPasa ADP+Pi Svalová kontrakce ADP Adenylátcykláza Typy vláken Typ I. (pomalá) Červená (obsahují myoglobin) Aerobní metabolismus Typ II. (rychlá) Nemají myoglobin Málo mitochodrií Bílá Anaerobní metabolismus Vzájemný podíl těchto vláken závisí na typu svalu a na tréninku Typ I stoupá u vytrvalců Typ II u sprinterů Sprinter vs. marathonský běžec Sprinter: Využívá vlákna typu II Kreatinfosfát je hlavním zdrojem energie během prvních 4-5 sekund Glukosa se získává ze svalového glykogenu a metabolisuje se anaerobní glykolysou Svalový glykogen je rychle vyčerpán Marathonský běžec: Využívá vlákna typu I ATP je hlavním zdrojem energie během závodu Zdrojem energie je hlavně krevní glukosa a volné mastné kyseliny Svalový glykogen se vyčerpává pomalu ál 9