BIOCHEMIE SVALU Tomáš Kuˇ cera tomas.kucera@lfmotol.cuni.cz Ústav lékaˇrské chemie a klinické biochemie 2. lékaˇrská fakulta, Univerzita Karlova v Praze 2014
STRUKTURA KOSTERNÍHO SVALU svazky svalových vláken svalová vlákna mnohojaderné buňky tloušt ka 20 100 µm délka v cm (až jako sval) myofibrily průměr 1 2 µm, kolem 1000 / vlákno délka až jako svalové vlákno filamenta tlustá (15 nm) a tenká (7 nm)
PROTEINOVÉ SLOŽENÍ MYOFIBRILY hlavní kontraktilní proteiny myosin (> 50 % bílkovin myofibrily) aktin regulační proteiny troponiny tropomyosin modulační proteiny M-proteiny aktininy C-proteiny titin
SARKOMERA PROČ JSOU SVALY PRUHOVANÉ? Obsahují pruhované myofibrily přesně v zákrytu. PROČ JSOU MYOFIBRILY PRUHOVANÉ?
TLUSTÉ FILAMENTY Myosin molekulární motor (energie ATP mechan. práce) 60 70 % svalových bílkovin přítomny téměř ve všech buňkách obratlovců 2 (1 těžký + 2 lehké řetězce) HC 200 000, LC 20 000, celkem cca 500 000 těžký řetězec fibrilární a globulární domény
TLUSTÉ FILAMENTY
TLUSTÉ FILAMENTY
MYOSIN V RŮZNÝCH ORGANISMECH
TENKÉ FILAMENTY aktin 20 25 % bílkovin myofibrily nízká iontová síla G-aktin (42 000) normálně polymeruje do F-aktinu pravotočivá dvojšroubovice jádro tenkých filament(ů) polární útvar s vázanými S1 hlavičkami myosinu orientované šipky vysoce konzervativní
TENKÉ FILAMENTY
TENKÉ FILAMENTY tenký filament: tropomyosin heterodimer, superhelix (s S S můstkem) délky asi 40 nm každá jednotka spojuje 7 aktinových molekul troponin TnC homologní ke kalmodulinu, vazba Ca 2+ (18 kda) TnI váže aktin, inhibice vzniku aktomyosinu (23 kda) TnT váže tropomyosin v místě kontaktu jeho dvou molekul, váže i Tm a Tn dohromady (38 kda)
SVALOVÝ STAH
SVALOVÝ STAH
REGULACE SVALOVÉHO STAHU
REGULACE SVALOVÉHO STAHU
DALŠÍ PROTEINOVÉ SLOŽKY
DALŠÍ PROTEINOVÉ SLOŽKY TITIN největší známý polypeptid (M r téměř 4 000 000) C 169 723 H 270 464 N 45 688 O 52 243 S 912 doménová struktura svalová pružina po kontrakci vrací filamenta do relaxované polohy ochrana před přílišným natažením svalu TELETHONIN váže dvě molekuly titinu (N-konec) k Z-disku podílí se na odolnosti titinu vůči natažení
DALŠÍ PROTEINOVÉ SLOŽKY
DALŠÍ PROTEINOVÉ SLOŽKY NEBULIN 600 900 kda v pásu I pravítko pro aktin AKTININ vazba aktinu k Z-disku zarovnání sarkomer
DALŠÍ PROTEINOVÉ SLOŽKY DESMIN lešení kolem Z-disku propojení myofibril navzájem a s cytoskeletem v cytoplazmě intermediární filament VIMENTIN intermediární filament TROPOMODULIN vazba na špičatý konec aktinu zamezení elongace vyžaduje tropomyosin a nebulin
DALŠÍ PROTEINOVÉ SLOŽKY DYSTROFIN & SPOL. nejdelší lidský gen (2 400 000 párů bází) součást komplexu kotvícího cytoskelet myocytu (aktin) k ECM chyba v regulaci nebo funkci svalové dystrofie
HLADKÝ SVAL 2 3 menší poměr myosin/aktin místo TnC váže Ca 2+ kalmodulin fosforylace LC primárním regulačním mechanismem
HLADKÝ SVAL receptor adrenalinu R 2C 2 Proteinkinasa (inaktivní) ATP adenylátcyklasa camp Hormonálně modulovaný svalový stah R 2(cAMP) 4 2C proteinkinasa (aktivní) kinasa lehkých řetězců myosinu ATP P i ADP P-kinasa lehkých řetězců myosinu (inaktivní) H 2O fosfatasa lehkých řetězců myosinu Svalový stah spouštěný Ca 2+ Ca 2+ -kalmodulin kalmodulin + Ca 2+ Ca 2+ -kalmodulin-kinasa lehkých řetězců myosinu (aktivní) Myosin (relaxovaný) ATP ADP P-Myosin (kontrahovaný) P i H 2O fosfatasa lehkých řetězců myosinu
SRDEČNÍ SVAL pruhovaný kardiomyocyty cca 15 100 µm mnoho mitochondrií Ca 2+ z extracelulárního prostoru
ENERGETICKÝ METABOLISMUS SVALU regulace glykolýzy odlišná od jaterní kosterní sval camp-dependentní kinasa bez vlivu na PFK-2 srdeční sval PFK-2 aktivována fosforylací nesyntetizují se mastné kyseliny ACC-2 pouze reguluje vstup MK do mitochondrií MCD regulace obou vyvážená oxidace Glc a MK
KOSTERNÍ SVAL zásobní formy energie fosfokreatin nejdůležitější pohotový zdroj ATP glykogen zdroje energie mastné kyseliny ketolátky aminokyseliny Ala, Asp, Glu, Val, Leu, Ile glukosa acetát
VZNIK KREATINU
KLIDOVÝ STAV závisí na plasmatických koncentracích Glc, AK, MK VYSOKÉ HLADINY GLUKOSY glukosa glykogen rychlý metabolismus větvených AK FA Ac-CoA energie vyvážená oxidace glukosy a MK regulace monitorováním cytoplasmatické koncentrace citrátu HLADOVĚNÍ nízká koncentrace glukosy nízký insulin nízký GLUT4 nízké využívání glukosy šetří energii pro jiné tkáně (erythrocyty a nervový systém)
PŘEMĚNY BCAA V KOSTERNÍM SVALU
PŘEMĚNA BCAA NA GLUTAMIN
ALANINOVÝ CYKLUS
SVALOVÁ NÁMAHA potřeba ATP i 100 vyšší než v klidu je třeba rychá aktivace dodávky ATP glykolýza aerobní či anaerobní anaerobní glykolýza důležitá zejména na počátku námahy v rychlých glykolytických vláknech (typ IIb) při nízkých hladinách hexokinasy Glc jen z glykogenolýzy během intenzívní námahy oxidační metabolismus běží na maximum kapacity může být potřeba ještě více ATP hromadění AMP aktivace PFK-1 a glykogenolýzy dodatečné ATP anaerobně dodatečný pyruvát laktát
SVALOVÁ NÁMAHA mírná až středně intenzívní aktivita může být provozována delší dobu aerobní oxidace Glc a MK krevní Glc jako zdroj energie zhruba 5 g stačí na pár minut nutný stálý přísun jaterní glykogenolýza, postupně nahrazována glukoneogenezí
SVALOVÁ NÁMAHA dlouhodobá mírná až středně intenzívní aktivita uvolňování laktátu klesá s rostoucí oxidací Glc a FFA doplňování krevní Glc játry podobně jako u hladovění glykogenolýza a glukoneogeneze z lac., AK a glyc. obojí stimulováno adrenalinem přes camp nejvíce Glc je třeba (a je játry exportováno) při velmi intenzívní zátěži (větší podíl na anaer. metabolismus) do cca 40 minut většina Glc z jaterní glykogenolýzy delší trvání větší podíl Glc z glukoneogeneze 40 240 minut výstup Glc z jater klesá využití MK (aktivované adrenalinem) příjem Glc roste s AMP ATP AMP-PK ( GLUT4) delší trvání větší podíl ATP z FFA FFA preferovaný zdroj energie (kromě postprandiálního stavu)
SVALOVÁ NÁMAHA preference mastných kyselin proti glukose závisí na dostupnosti MK v krvi (rychlost uvolňování pomocí HSL aktivováno insulinem, glukagonem, (nor)adrenalinem, kortisolem) produkty oxidace MK glykolýza PDH inhibována Ac-CoA, NADH, ATP AMP ATP PFK-1 transport Glc do svalových buněk GLUT4 významně vzrůstá s insulinem oxidace ketolátek během námahy závisí na rychlosti jejich tvorby (nikdy hlavní palivo přednost mají MK) pro využití MK musí být ACC-2 neaktivní AMP-PK fosforylace (inaktivace) ACC-2
ROZVĚTVENÉ AMINOKYSELINY max. 20 % ATP ve svalu v klidu funkce: tvorba ATP tvorba a uvolňování Gln max. rychlost oxidace BCAA při acidose vyšší poptávka po Gln (přenos NH 3 do ledvin) pufrace exkretovaných protonů jako NH + 4
CYKLUS PURINOVÝCH NUKLEOTIDŮ námaha zvyšuje jeho aktivitu NH 3 použit jako pufr fumarát recyklován (např. k tvorbě Gln)
TYPY SVALOVÝCH VLÁKEN Typ I SO (také zvaná pomalá, pomalá oxidační, odolná vůči únavě typu I nebo červená typu I) velké množství myoglobinu mnoho mitochondrií mnoho krevních vlásečnic generují ATP aerobním systémem oxidativní vlákna pomalé štěpení ATP pomalé kontrakce odolné vůči únavě hojně zastoupeny v posturálních svalech potřebné pro aerobní aktivity jako vytrvalostní běh
TYPY SVALOVÝCH VLÁKEN Typ IIa FOG (také zvaná rychlá typu A, rychlá oxidační glykolytická, odolná vůči únavě typu II nebo červená typu II) velké množství myoglobinu mnoho mitochondrií mnoho krevních vlásečnic vysoká kapacita oxidační fosforylace velmi rychlé štěpení ATP vysoká rychlost kontrakce odolné vůči únavě (méně než typ I) potřebné pro činnosti jako běh na střední tratě či plavání
TYPY SVALOVÝCH VLÁKEN Typ IIb FG (také zvaná rychlá typu B, rychlá glykolytická, unavitelná nebo bílá) nízký obsah myoglobinu málo mitochondrií málo krevních vlásečnic velká množství glykogenu velmi rychlé štěpení ATP snadná únava potřebné pro činnosti jako běh na krátké tratě (sprint)
KONEC KONEC Děkuji za pozornost!