BIOF YZIKA SVALOVEJ KONTRAKCIE

1. BIOFYZIKASVALOVEJ KONTRAKCIE Ivan Poliaček

2. VLASTNOSTI SVALU • Kontraktivita– premena chemickej energie na mechanickú prácu - pohyb - odpoveďsvalového tkaniva na stimuláciu je kontrakcia (skrátenie) • Excitabilitaaschopnosť odpovedať - svalové tkanivo môže byť stimulované elektricky, fyzikálnymi, alebo chemickými podnetmi • Elasticitaalebo pružnosť - svaly obsahujú elastické elementy, ktoré zabezpečujú ich pružnosť (návrat do pôvodnej dĺžky) • Roztiahnuteľnosť - sval je možné natiahnuť na dlhší, než je jeho kľudová dĺžka • Svaly môžu len ťahať, nie tlačiť

3. TYPY SVALU • Kostrový sval - priečne pruhované svalové tkanivopod kontrolou somatického nervového systému (voluntárna kontrola) • Srdcový sval - špeciálne priečne pruhované svalové tkanivo pracujúce automaticky a s moduláciou autonómnym nervovým systémom • Hladký sval - tkanivo bez priečneho pruhovaniastimulované autonómnym nervovým systémom, hormonálne, alebo jednoducho natiahnutím

4. Kostrový sval • upevnený ku kostiam kvôli pohybu • niekoľko typovvlákien (rýchlosť, výdrž, únava, sila, veľkosť motorickej jednotky, štruktúra...) • bunky - dlhéviacjadrové cylindrické – dĺžka niekoľko mm (bunka ľudského kostrového svalu), priemer typicky 100 - 150 μm • cytoskeleton – podporuje tvar bunky

5. Oproti sebe pôsobiace svaly súagonistaaantagonista(napr. flexia lakťa - biceps brachialis- agonista, triceps brachialis- antagonista). Antagonista nie jenikdy úplne relaxovaný - kontrola a zmierneniepohybu udržovaním tonusuproti agonistovi (excentrický pohyb)

6. Štruktúra kostrového svalu Cieva Kosť Obklopuje každý zväzok Svalové vlákno bunka cell Zväzok - svalový snopec Šľacha - zväzok kolagénových vlákien Fascia sa stáva svalovým obalom, ktorý prechádza do šľachy Obklopuje každú bunku

7. Hlboká štruktúra kostrového svalu medzi vláknami Sarkolema Sarkoplazma Myofibrila Jednotlivé svalové vlákna Jadro

8. Svalovévlákno = svalová bunka • Sarkolema – membránasvalovej bunky (kostrového, srdcového ahladkého svalu) – vedie signál skutočná membrána (plazmatická membrána) + vonkajší obal (tenká vrstva polysacharidov s kolagénovými vláknami), ktorý prechádza do vlákien šľachy • Sarkoplazma - cytoplazmas organelami • Myofibrily - cylindrické organely – kontraktilné elementy (myofilamenty) aktínové a myozínovévlákna – špecifická akonštantnádĺžka (niekoľkýchμm) - organizované do opakujúcich sa podjednotiek pozdĺž myofibrily – sarkoméry • Sarkoplazmatické retikulumsT-tubulárnym systémom – vnútorný vodivý systém

9. Svalové vlákno Sarkoplazmatické retikulum Štruktúra svalovej bunky Myofibrila Myozín Aktín Sarkoméra H- pás I- pás Sarkoméra A- pás Z- doštička Z- doštička M- čiara

10. Mikroskopickáfotografia a schéma sarkoméry Z-doštička Z-doštička Hrubé vlákno Tenké vlákno I-pás I-pás A-pás

11. Nervo-svalová platnička Motorickájednotka miecha • Svalové bunky sú izolované spojivovým tkanivom - každámusí byť stimulovaná axónommotoneurónu. • Motorická jednotka - všetkysvalové bunky inervované týmistým motoneurónom – kontrahujú sa naraz. • Väčšinou je v svalezmes motorických jednotiek rozličnej veľkosti. veľké jednotky >100 buniek (najmä pomalé posturálnesvaly) maléjednotkyokolo 10 buniek (presná kontrola rýchlych svalov – napr. okohybných) telo motoneurónu axón motoneurónu Svalové vlákna (bunky)

12. Rekruitment (nábor) motorickýchjednotiek Zvyšujúca sa centrálna (moto-neurónová) aktivita – postupná aktiváciamotorických jednotiek s vyšším prahom. miecha Motorická jednotka 1- nízkoprahová (aktivuje sa skôr) Motorická jednotka 2 Motorická jednotka 3- vysokoprahová (aktivuje sa neskôr)

13. Motorické vlákna(axóny motoneurónov) v motorickom nerve vedú akčné potenciálydo nervo-svalovej platničky. • Akčný potenciál • na presynaptickej membráne aktivuje napätím riadené Ca kanály – Ca2+ influx – vezikuly s neuro-transmiterom-acetylcholín (ACh)- výlučnýtransmiter nervo-svalovej platničky – uvoľnia ACh • do synaptickejštrbiny.

14. acetylcholín • ACh sa viaže nanikotínové receptorypostsynaptickej membrány (nervo-svalovej platničky) svalovej bunky – aktiváciaNa kanálov – depolarizácia = jednotkový platničkovýpotenciál - PP nikotínový ACh receptor

15. Aj bez stimulácie môže náhodne vezikulus uvoľniť ACh do synaptickej štrbiny, čo vyvoláminiatúrny EPSP (miniatúrny platničkový potenciál). Akčný potenciálna zakončenívyvolá úplný platničkový potential (PP),ktorývždy dosiahne firing level (prahovú úroveň) a vyvolá akčný potenciál na svalovej bunke. Akčný potenciál sa rozšíri pozdĺž sarkolemy a cezT-tubulárny systémsvalovej bunkyna sarkoplazmatické retikulum. • Acetylcholínje eliminovaný (zo synaptickej štrbiny) rozkladom acetylcholín-esterázou.

16. Intracelulárnyzáznamzo svalovej bunky Nervový impulz na axónovom zakončení uvolní ACh do nervo- svalovej platničky. ACh vyvolá EPSP= platničkový potenciál (PP) nasubsynaptickej membráne platničky(pod zakončením) (na grafeA), ale nie ďalej od platničky (B). Keď PP dosiahne prahovú hodnotu (okolo −50 mV), vznikne akčný potenciál, ktorý sa šíri pozdĺž vlákna (na grafe od AkB). elektródy Akčný potenciál PP stimul na nervo-svalovej platničke stimul na nerve čas (ms)

17. depolarizačná fáza repolarizačná fáza prah prah depolarizácia depolarizácia čas (ms) čas (ms) Počas depolarizačnej fázy AP sa MP zmení z približne -85 mV na asi +20 mV. Počas fázy repolarizácie dochádza k postupnému návratu na hodnotu kľudového membránového potenciálu asi -85 mV. Depolarizácia je zmena membránového potenciálu na plazmatickej membráne bunky, kedy sa stáva vnútro bunky menej negatívne (vonkajšok bunky menej pozitívne) nabité.

18. Tvar a niektoré parametre akčného potenciálu svalového vlákna snímaného intra-versus extra-celulárne. intracelulárny hypopolarizácia čas (ms) extracelulárny Stimulačný artefakt vrchol latencia trvanie

19. Extracelulárne snímanie EMG z parasternálneho svalu – 2 rozdielne motorické jednotky boli detekované 200 μV 10 ms

20. Akčný potenciál • naT–tubuloch a sarkoplazmatickom retikule aktivujenapätím riadené • Ca kanály na týchto štruktúrach – uvoľnenie (prienik) – influx Ca2+ do intracelulárnehopriestorusvalového vlákna • Ca2+ – je iniciátor • svalovej kontrakcie Sarkoplazmatické retikulum obklopuje myofibrily a obsahuje zásobu Ca2+ iónov. Priečny T – tubulárny systém je cestou pre akčný potenciál, aby sa tento dostal na sarkoplazmatické retikulum. sarkolema myofibrily terminálne cisterny T - tubuly A-pás I-pás sarkoplazmatické retikulum Z línia mitochondria jadro

21. Membrána Myofibrila Ca kanál T-tubuly sformované z preliačenia plazmatickej membrány Sarkoplazmatické retikulum Proteín citlivý na potenciál Depolarizovaná membrána T-tubula Membrána T-tubula Akčný potenciál Membrána sarkoplaz. retikula Uvoľnenie Ca iónov

22. relaxovaná maximálnakontrakcia sarkoméryje okolo 30% kontrahovaná

23. Svalová kontrakcia sa deje interakciou • AKTÍN-ových(tenké) a MYOZÍN-ových (hrubé)vlákien. • Tropomyozínv kľudeprekrývaväzobné miesta aktínu. tenký filament tropomyozín troponín myozín hrubého filamentu

24. Ca2+ sa viaže na troponín, mení sa tvar (konformácia) • tropomyozínu, ktorýodkryje väzobné miesta • naaktíne aktínového vlákna. • Svalová kontrakcia vyžaduje aj ATP.

25. Sval sa kontrahuje, keď sa myozínové hlavy viažu s aktínom(priečne mostíky) a myozínové hlavy sa ohnú, čím potiahnu aktínové filamenty hlbšie medzi myozínové filamenty. cyklus : väzba– ohnutie – uvoľnenie 1 záber – 10-12 nm

26. Väzba priečnymi mostíkmi Schémamyozínovej hlavy kuracieho svalu. Pohyb je zrejme v skutočnosti oveľa plynulejší a rozložený aj na aktínovo-myozínové rozhranie. (Rayment et al. Science 261: 50-58, 1993) Každá myozínová molekula obsahuje 2 peptidy ťažkých reťazcov, ktoré boli enzymaticky zviazané do myozínového ramena a 2 globulárnych hláv či priečnych mostíkov. Ťažký reťazec hlavy má oblasť ramena (modré) obalenú 2 menšími peptidmi. Tieto peptidy predstavujú ľahký reťazec (žlté a červené), ktorý stabilizujea niekedy sa podieľa na regulácii myozínu.

27. Na uvoľnenie ohnutých myozínových hláv z väzbyk aktínu a na ich vyrovnanie je potrebné ATP. Myozín hydrolyzuje ATP (rozklad na ADP afosfát),čím získa energiu.

28. Myozínovévláknos myozínovými hlavamikaždých 14,5 nm. 294 myozínových molekúl je nahrubom vlákne (588 ATP-ázovýchväzobnýchmiest).

29. Kým je Ca2+ a ATP prítomné (priaktíne a myozíne), cyklus : väzba s aktínom, ohnutie, uvoľnenie a vyrovnanie myozínových hlávpokračuje (kontrakcia). • Ca2+ je neustále„pumpované“ (Ca pumpou – ATP-ázou)nazad do sarkoplazmatického retikula (a T-tubulov). • Ca2+ koncentráciasa udržuje vysoká jeho uvoľňovaním zosarkoplazmatického retikulaďalšími akčnými potenciálmi. • Bez Ca2+ sa tropomyozín vráti do tvaru (konformácie),ktorý blokujeväzbové miesta aktínového vlákna – zastavenie kontrakcie. • Keďže jeATP nevyhnutné na uvoľnenieväzby aktínu a myozínu – bez ATP : RIGOR MORTIS.

30. Svalové trhnutie • zvýšená intracelulárna koncentrácia Ca2+ (uvoľnené zo sarkoplazmatického retikula a T – tubulov) trvá dlhšienež akčný potenciál • eštedlhšie trvá jednotkové svalové trhnutie - keďže má kostrový sval krátku refraktérnu periódu(a akčný potenciál na sarkoleme sa rozšíri z nervo-svalovej platničky pozdĺž celej membrány, T – tubulov a sarkoplazmatického retikula) SUMÁCIAjeČASOVÁ a to na úrovni uvoľňovania Ca2+a superpozície svalových trhnutí

31. MP (mV) Svalové trhnutie – vlnitý aúplný tetanus Akčný potenciál • Tetanická kontrakcia – motorická jednotka je stimulovaná vysokou frekvenciou akčných potenciálov z príslušného motoneurónu. • Čas medzi stimulmi je kratší než svalové trhnutie – málo času na relaxáciu. • Sila kontrakcie sa zvyšuje – pridáva sa k predchádzajúcim trhnutiam - maximálna kontrakcia. F (N) Izometrické trhnutie čas (ms) čas (ms)

32. Vysokofrekvenčné stimuly (akčné potenciály) vyvolajú superpozíciusvalových trhnutí a (časovú) sumáciukontrakcie. Nekompletný (vlnitý) tetanus Kompletný (hladký) tetanus

33. Zhrnutiesvalovejkontrakcie

34. Porovnanie vlastností kostrového, srdcového a hladkého svalu

35. Hladký sval • Hladký sval (viscerálny) - vo vnútorných orgánoch a cievach - žiadne priečne pruhovanie - vrstvy pod sliznicami v respiračnom a tráviacom systéme, kruhové vrstvy v stenách ciev, sfinktery (zvierače) • Svalové vlákna hladkých svalov – vretenovitý tvar (fuziformný - širší v strede a tenší na koncoch) - 20-500 μm dĺžka • Pomer aktínu a myozínu ~ 6 : 1 v kostrovom svale, ~ 4 : 1v srdcovom svale a ~ 16.5 : 1 v hladkom svale • Vyššia elasticita a schopnosť sa natiahnuť, pričom sa stále zachováva kontraktilita, v porovnaní s priečne pruhovanými svalmi

36. Kruhové vrstvy okolo čreva vykonávajú kontrakciou segmentáciu Hladký sval čreva Longitudinálne vrstvy pozdĺž čreva vykonávajú vlnité kontrakcie

37. Kontrakcia hladkého svalu • Kontrakcia a relaxácia - posunmyozínových a aktínových filamentov - hormóny, neurotransmitery, lieky • Jednotkový hladký sval– tkanivo je spojené do syncytia - autonómny nervový systém inervujejednubunku vo vrstve či zväzku - akčný potenciál sa šíri cez spojenia typu „gap junctions“ na susedné bunky (a všetky sa kontrahujú spoločne). • Hladký sval sa môže kontrahovať spontánne - je myogénny (vďaka dynamike iónovýchkanálovalebo pacemakrovým bunkám – napr. intersticiálne Cajal-ovebunky gastrointestinálneho traktu). Peristaltika potrava ezifágus Cirkulárne svaly kontrakcia Potrava pehltnutá predtým Cirkulárne svaly relaxované Sfinkter Žalúdok

38. Kontrakcia hladkého svalu Viacjednotkový hladký sval – autonómnym nervovým systémom sú inervované jednotlivé bunky (jemná kontrola a graduovaná odpoveď podobne ako pri skeletálnom svale) - trachea, elastické artérie, iris oka). Žiadny troponín, ale namiesto neho jeKalmodulín regulačným proteínomv hladkom svale.Taktiež tropomyozín nemá regulačnú funkciu, ako v priečne pruhovaných svaloch. Kontrakciasa začína Ca-regulovanoufosforyláciou myozínu, nie Ca-aktivovaným troponínovým systémom. Tenké filamenty hladkého svalu obsahujú najmä aktín, tropomyozín, a kaldesmon.

39. Srdcový sval Interkalárne disky Priečne pruhovanie Myocyty • Srdcový sval - oveľa kratšie bunky nežkostrový sval - bunky srdcového svalu sa vetvia a spájajú spojeniami gapjunctions -interkalárnymidiskami - elektrochemické impulzyprechádzajúna všetkyprepojenébunky – funkčná sieťsyncytium (bunkypracujú ako celok). Jadrá Miernepriečne pruhovanie- podobné, ale nie totožné usporiadanie myofilamentov, ako má kostrový sval. Mnohé bunky srdcového svalu súmyogénne - impulzyvznikajú vo svale, neprichádzajú z nervového systému – srdcový rytmus.

40. cytozol Schéma interkalárneho diskusrdcového svalu konexín proteín gap junctions vytvárajú cytoplazmatickémostíky medzibunkový priestor bunková membrána • V myocytoch srdcového svalu, influx Na+spustíCa-indukovanéCa2+ uvoľnenie - Ca2+ influx cez napätím-riadenéCakanályv sarkoleme, čo vedie k uvoľneniu Ca2+zo sarkoplazmatického retikula.

41. Monofázický akčný potenciál (srdcový sval) Fáza 2 Ca2+ do bunky inicializácia kontrakcie Fáza 0 depolarizácia - Na+ do bunky Fáza 3 K+ von z bunky repolarizácia Kľudový potenciál depolarizácia repolarizácia

42. „Pace-makerový“ akčný potenciál Fáza 0 Prepotenciál Fáza 3 Fáza 4

43. Monofázický akčný potenciál (srdcový sval) a jeho vzťah k EKG krivke and its relation to the ECG waveform Fáza 1 Fáza 2 Fáza 0 depolarizácia - Na+ influx Fáza 3 repolarizácia K+ eflux Dlhotrvajúci akčný potenciál – dlhá refraktérna perióda – žiadna časová sumácia - žiadna tetanická kontrakcia

44. Vzťah elektrických a mechanických charakteristíksrdcovej akcie tlak v aorte tlak v ľavej komore akčný potenciál ľavej komory EKG čas (s)

45. Šírenie sa elektrickej aktivity (akčného potenciálu) zo sinoatriálnehouzlado tkanivasrdcovýchpredsienía atrioventrikulárnehouzla a potom do tkaniva srdcových komôrso záznamom príslušného EKG.

46. ZHRNUTIE • Základné vlastnosti svalov a svalového tkaniva • Kostrový, srdcový, hladký sval a rozdiely medzi nimi • Štruktúra svalu a svalovej bunky (myofibrila, sarkomera, aktín, myozín, ...) • Motorická jednotka, nervo-svalová platnička, acetylcholín, platničkový potenciál • T - tubuly, sarkoplazmatické retikulum, akčný potenciál svalového vlákna • Kontrakcia svalu, jej kontrola (tropomyozín), úloha Ca2+ iónov aATP • Svalové trhnutie, superpozícia, sumácia, tetanus (vlnitý, hladký), rigormortis • Jednotkový a viacjednotkový hladký sval, spojenie „gap junction“, syncytium • Štruktúra tkaniva srdcového svalu, interkalárne disky, Ca vyvolané uvoľnenie Ca2+ • Akčný potenciál srdcového svalu, jeho trvanie,sumáciakontrakcie http://entochem.tamu.edu/MuscleStrucContractswf/index.html