56
Motorická ploténka
QI
v
'/\I
•..Q.
Přenos vzruchu z motoneuronu na svalové
vlákno se uskutečňuje na motorické ploténce
(Mpl: --7 A), která je chemickou synapsí
(--7 str. 50 a další). Transmiterem je acetyIcholin
(ACh; viz též str. 82), který se váže na
N(nikotinergní)-choHnové receptory subsynaptické
membrány svalové buňky (=
sarkolema) (--7 A3). N-cholinové receptory
jsou ionotropní, tj. tvoří současně iontový
kanál (--7 A4). N-cholinový receptor Mpl
(typ NM) sestává z 5 podjednotek, 2 a alp,
y a O, z nichž jedna každá má 4 membránu
prostupující a-šroubovice (--7 str. 14).
Když se na obě a-podjednotky N-cholinového
receptoru naváže po jedné molekule
ACh, kanál se krátce otevře (--7 BI), průměrně
asi na 1 ms. Na rozdíl od napěťově řízených
kanálů pro Na" není tedy pravděpodobnost
otevření Po ACh-receptoru zvýšena
depolarizací, ale je určena koncentrací ACh
v synaptické štěrbině (--7 str. 50 a další).
Kanál je specifický vůči kationtům (Na", K+,
Ca
2
+), tj. při klidovém potenciálu asi -90 m V
dochází především k proudění Na: do buňky,
v opačném směru k (mnohem slabšímu)
efiuxu K+ (--7 str. 32 a další a str. 44) a tím
k depolarizaci: ploténkový potenciál (EPP).
Když se jedna vezikula spontánně vyprázdní
(= 1 kvantum ACh), aktivuje tisíce
N -cholinových receptorů (--7 B2) a proud
2,7 pA (--7 BI) jednotlivých kanálů se sečte
do miniaturního ploténkového proudu několika
nA. To však nepostačuje k postsynaptickérnu
vybavení akčního potenciálu (AP).
K tomu dojde teprve tehdy, když AP na
axonu motoneuronu vyprázdní asi sto takových
vezikul a následkem toho se otevře asi
200 000 kanálů: nervově indukovaný ploténkový
proud (lEP) asi 400 nA (--7 B3).
- na vodivosti jednotlivých kanálů y (asi
30 pS) a
- méně na membránovém potencíálu Em'
neboť elektrická hnací síla (Em- ENa,K;-> str.
32 a další) se při negativnún Emzmenšuje.
E"., je .spole<ný rovnovážný potenciál' pro Na+ a K+ a je asi O mV. Jť také
označován jako potenejál obratu, protože se směr IfP(= I•• + I,), který při
negativním Em směřuje dovnitř (proud Na+ dovnitř> proud K+ ven), obrací
(proud K' ven> proud Na+ dovniti). Z toho plyne:
Nervově navozený EPP na kosterním svalu
je mnohem větší (depolarizace asi 070 mY!)
než neuronální EPSP (několik málo m V;
--7 str. 50 a další), takže již každý AP axonu
motoneuronu je nadprahový. EPP se přitom
elektrotonicky šíří na přilehlou sarkolernu,
kde prostřednictvím napěťově řízených kanálů
pro Na" vyvolá svalový AP a následně
svalové trhnutí.
Ke zrušení synaptického přenosu dojde
tak, že ACh je v synaptické štěrbině 1. velmi
rychle rozložen acetylcholinesterázou subsynaptické
membrány a 2. difunduje ze štěrbiny
ven (--7 str. 82).
Mpl mohou blokovat jedy nebo farmaka:
výsledkem je svalová slabost nebo obrna. BotuJotoxin
např. inhibuje vyprazdňovaní vezikul
a c-bungarotoxín (jed kobry) blokuje otvírání
kanálů. Při chirurgických operacích
jsou k zajištění svalové relaxace používány
substance příbuzné kurare, např. (+)-tubokurarin.
Vytlačují ACh z vazebného místa (kompetitivní
inhibice), nemají však samy žádný
depolarizujid účinek. Tuto inhibici lze zrušit
(dekurarizace) inhibitory cholinesterázy, např.
neostigminem. Zvyšují koncentraci ACh ve
štěrbině, čímž je kurare zase vytěsňováno.
Dostanou-Ii se však inhibitory cholinesterázy
do intaktní synapse,zpúsobí takto permanentně
zvýšená koncentrace ACh ohrnu v důsledku
trvalé depolarizace. Takový je také účinek látek
podobných ACh (např. suxametoniun1). Depolarizují
jako ACh, ale jsou pomaleji odbourávány.
Obrna pak spočívá v tom, že a+-kanály
sarkolemy jsou trvalou depolarizací
v okolí Mpl trvale inaktivovány (--7 str. 46).
,
/\I
>1/1
/\I
>•..QI
Z
Ploténkový proud lEP tedy závisí:
- na počtu otevřených kanálů (= počet
kanálů n krát pravděpodobnost otevřených
kanálů Po), přičemž Po závisí
- na koncentraci ACh v synaptické štěrbině
(až 1 mrnol/l),
A. Motorická ploténka ----------,~;:----: ••••;;;;;;;;::------------I
mye/inová pochva
3
-""!"'!r.. . :=:::=;:-::=".~_
·~~Iiilaf1e--2::::.
..~-:=-~
:::--="-~.
~~-acety/cho/inová --....;;:;::
veziku!o presynaptická membrána
;; synaptická ftě~bina s ba~á/ní membránou
tf postsynapticka membrana Isarko/ema)
4
(zčásti podle Akerta a Pepera )
B.Ploténkovéproudy--------------------------------------------------~
57
JUJ1~LLLL023
čas (ms)
proud jednotlivým
kanálem
3
čas (ms)
3 ploténkový proud vyvolaný
akčním potenciálem
(podle Nehere a Sakmanna a podle Pepera a spol.)
2 O 23
čas (ms)
2 miniaturní ploténkový
proud
O
Motilita a druhy svalů
QI
v
'tU..Q.
iii
>11\
tU
>..QI
Z
Aktivní motilita (schopnost pohybu) různých
systémů organismu spočívá buď v interakci
motorických proteinů spotřebovávajících
energii (s ATPázovou aktivitou), jako
jsou rnyoziny, kineziny nebo dyneiny, s jinými
bílkovinami, např. aktinern, nebo spočívá
v polymerizaci a depolymerizaci aktinu
a tubu/inu. Příkladem motility buněk a organel
je dělení buněk (cytokineze), migrace
buněk (-t str. 30), intracelulární transport
vezikul a cytóza (-t str. 12 a další), pohyblivost
spermií (-t str. 306 a další), axonální
transport (-t str. 42), elektromotilita vláskových
buněk (-t str. 336), pohyblivost cilií
(-t str. llO) aj.
Svalstvo sestává z buněk, které se na
podnět mohou zkracovat. Kosterní svalstvo
slouží tělesné hybnosti a pohybu (lokomoci)
a také konvekci dýchacích plynů, srdeční
svalovina (-t str. 190 a další) zajišťuje cirkulaci
krve a hladké svalstvo (-t str. 70) je
"motorem" vnitřních orgánů a krevních cév.
Tyto druhy svalů se liší četnými, funkčně
významnými charakteristikami (-t A).
42). Počet svalových vláken inervovaných
jedním motoneuronem může být jen 25
(mimické svaly) nebo může značně
převyšovat 1000 (rn. temporalis).
Podle rychlosti svalového trhnutí lze
přitom rozlišovat tři typy vláken: pomalý typ
(typ S [slow) nebo 1), rychlý typ F (F [fast]
nebo 2) s dílčími typy FR (= 2A) nebo FF t=
2B). Protože každou motorickou jednotku
tvoří vždy jen jeden typ, vztahuje se toto
rozdělení i na ni. Vlákna typu S se málo
unaví, a uplatní se tedy při dlouhodobém
výkonu. Jsou vybavena hustou sítí kapilár
a četnými mitochondriemi a je v nich také
velký obsah tukových kapének (energeticky
bohaté zásoby substrátu) a myoglobinu
(červená barva) a mají silně vyvinutý oxidativní
metabolismus (-t str. 72). Vlákna typu
F slouží zejména krátkým, rychlým kontrakcím,
rychle se unaví (FF> FR), obsahují
hodně glykogenu (FF> FR) a málo myoglobinu
(FF « FR).
Distribuce typů je různá podle svalu:
v"červených" svalech (např. m. soleus: držení
polohy při stoji) převažují MJ typu S, v i.bflých"
svalech (např. m. gastrocnemius: rychlý
běh) převažuje typ F.Typy se mohou vzájemně
pieměnovat. Dojde-li např. ve vláknech
typu F v důsledku dlouhotrvající aktivace
k chronickému vzestupu koncentrace Ca2+,
přebudují se tato vlákna na typ S a naopak.
Odstupňování svalové aktivity je možné
jednak tak, že je aktivováno jednou víc a jednou
méně motorických jednotek (rozdílný
recruitment, tj. nábor, MJ). Čím větší počet
MJ sval obsahuje, tím jemněji může být kontrakce
odstupňována, ve vnějších okohybných
svalech (asi 2000 MJ) např. jemněji než
v m.lumbricalis (asi 100 MJ), a čím větší je
recruitment těchto MJ, tím je kontrakce silnější.
Na typu pohybu (jemná nebo hrubá,
intermitentní nebo trvalá kontrakce, reflexní
aktivita, volní námaha atd.) závisí, zda je
náborem aktivováno málo nebo hodně pomalých
nebo rychlých MJ. Navíc může být
sila každé MJ stupňována zvyšováním frekvence
nervových vzruchů itetanus kosterního
svalu; -t str. 67 A).
.'"
.'" cc Q) 'aJ
"O i': E'f'IJ .(1) Q)
>N > >u
c
'c
oo.
g
~><li
C
"O
oa.
->,
>
~ ""<li C
C !;>
->, o
E '5.
S ~ o
<li "O C
co",
o
o
N
o
o
o
'D
E
o
o
er
o
o
N
o
:I
čij
><II
o
::
c
Q;
•..<II
o.:.:
ra
o
::
c
'vQj
"EII>
<5
s:
'Qj
.:.:
"'C
ra
::i:
Qj
v
.:.:
e
.2
ra
ra..c
>ra•..VI
ci
Qj
v
.:.:
c
.2
ra
ra..c
>ra•..VI
.'"C
"O
.'"_ >N
c
'c
oa.
g
Motorická jednotka kosterního
svalu
58
Na rozdíl od části hladkých svalů (jednotkový
typ; -t str. 70) a srdečního svalu, jejichž
vlákna (= svalové buňky) jsou spolu elektricky
propojeny prostřednictvím gap junctions
(= nexus) (-t A a str. 16 a další), nejsou
(kontraktilní) vlákna kosterního svalu aktivována
prostřednictvím sousedních buněk,
ale prostřednictvím příslušného motorického
neuronu (motoneuron) (obrna po přerušení
nervu).
Jednotlivý rnotoneuron tvoří se všemi
svalovými vlákny, která inervuje, tzv.
motorickou jednotku (MJ). Svalová vlákna
jedné jediné MJ mohou být rozložena po
větších oblastech CI cm-) průřezu svalu.
Tomu odpovídá rozvětvení motoneuronu do
četných kolaterál, které se dále větví (-t str.
.'"-"''''v-'".;::c
B~
o o
Eo.
'Vi
'"
-+---18
o o
N 'D
> I I
E
,..c
í
c
o
~<li
"O
~,s
:J
"O
o
E
ro
-'"
Itl
~+->
o
C
\J
.~
,Itl
~U
.;::
O+->
o
E
o::l
Itl
>Vl
c-,
s:
2
O
O
•...
!"II
.J:i
{!
oo
N
+
o
N
I
o
<t
I
:-5
I
59
>
E
•..
~)~
>"'C
00
Q.Q.
"'Cra
oe
Kontraktilní aparát příčně
pruhovaného svalového vlákna
ClI
v
'1\1
•..Co
Svalová buňka je vlákno (-? A2) o průměru
okolo 10-100 urn a v kosterním svalu
o délce až 15 cm. (Prostým okem rozpoznatelná
"vlákna masa" jsou vlastně svazky
vláken o průměru 100-1000 um, -? AI).
Buněčná membrána svalového vlákna (buňky)
se nazývá sarkolema a obklopuje sarkoplazmu
(cytoplazmu), větší množství buněčných
jader, mitochondrie (tzv. sarkosomy),
látky pro zajišťování energie a O2 (-? str. 72)
a také stovky myojibril.
Každou myofibrilu (-? A3) rozdělují tzv.
Z-disky na asi 2 urn dlouhé oddíly zvané
sarkomery (-? B). Na nich lze při (dvourozměrném)
mikroskopickém pozorování rozpoznat
střídající se světlé a tmavé pruhy
a linie (proto piičně pruhované svalstvo),
které jsou způsobeny uspořádáním (tlustých)
myozinových (myozin II) a aktinových filament
(-? B; myozin I-? str. 30). Sarkomera
leží mezi dvěma Z-liniemi nebo, trojrozměrně,
Z-disky (destičkové proteiny, -? B).
Asi 2000 aktinových filament sarkomery je
uprostřed fixováno na Z-disku, tj. vždy jedna
polovina filamenta vyčnívá do sousední
sarkomery. V blízkosti Z-disků sestává sarkomera
pouze z aktinových filament: proužek I
(-? B). Oblast, kde se aktinová a myozinová
filamenta překrývají, je viditelná jako proužek
A. H-zóna obsahuje pouze myozinová filamenta
(asi 1000/sarkomeru); tlustší střed
(centrum sarkomery) tvoří M-linii (M-disk).
Na sarkolemě jsou aktinová filamenta zakotvena
bílkovinou dystrofinem.
Myozinové filamentum tvoří svazek asi
300 dimerických molekul myozinu II
(-? B). Každá z nich má dvě globulární
hlavy, které jsou spojeny prostřednictvím
ohebného krčku (po proteolýze hlava + krček
= subfragment Sl) s vláknitou částí
molekuly (subfragment S2 = 2 vzájemně
obtočené c-šroubovice) (-? C). Každá hlava
má motorickou doménu s nukleotidovou
kapsou (ATP nebo ADP + P) a vazebné
místo pro aktin. Ke krčku této těžké molekuly
(220 kDa) přiléhají dva lehké bílkovinné
řetězce (light chaini, jeden regulační
(20 kDa) a jeden esenciální (17 kDa). "Překlopeni"
hlavy při interakci s aktinem
umožňují konformační změny v části hlava-krček
(posuv filament; -? str. 62).
Aktin je globulární bílkovinná molekula
(G-aktin), a vždy 400 G-aktinů vytvoří polymer
uspořádaný jako šňůra perel, F-aktin.
Dvě taková vzájemně obtočená protofilamenta
vytvářejí aktinové filamentum
(-? B), které je osazeno stejně dlouhým
proteinem nebulinem.
K aktinovému filamentu přiléhají svými
konci (end-to-end) spojené molekuly tropomyozinu
(po 40 nrn), přičemž každých asi
40 nm je připojena molekula troponinu
(-? B). Troponin sestává ze tří podjednotek:
- TN-C má na aminoskupinovém konci
dvě regulační vazebná místa pro Ca2+,
- TN-I zamezuje v klidu posuvu filament
(-? str. 62),
- T -T vzájemně reaguje s TN-C, T -I
a aktinem.
Sarkomera obsahuje ještě další systém filament
(-? B), více než 1000 nm dlouhý
protein tvaru vlákna, titin (= connectin).
Svými asi 30000 aminokyselinami (Mr>
3000 kDa) je nejdelším známým polypeptidovým
řetězcem a představuje 10 % hmoty
svalu. Titin je svým karboxylovýrn koncem
zakotven v M-disku a aminoskupinovým
koncem v Z-disku (funkce; -? str. 66).
Sarkolema je na mnoha místech hadicovitě
vychlípena kolmo dovnitř ke svalovými
fibrilám: transverzální tubuly nebo-li T-systém
(-? str. 63 A). Také endoplazmatické retikulum
(-? str. 10 a další) má ve svalové buňce
zvláštní tvar a nazývá se sarkop/azmatické retikulum
(SR) (-? str. 63 A). Vytváří uzavřené
cisterny (bez spojení s intra- a extracelulárním
prostorem), které probíhají především podél
svalových fibril: longitudinální tubuly (-? str.
63 A). V kosterním svalu jsou více vyvinuté
než v myokardu a představují rezervoár pro
ionty Ca2
+. T-systém probíhá v těsném sousedství
mezi konci dvou sousedících longitudínálních
tubulů (triády; -? str. 63 A, B).
,
1\1
>11\
1\1
>•..ClI
Z
60
A. Struktura příčně pruhovaného svalového vlákna --------------
o
C
..\<:
'm
">
'OJ
>
O
m
>V\
'OJ
c
ro
>
O..c
2c,
'OJ
c
!~
a:
1'< .o.;.;.~
14 [••1'--'
to-joo um
2 svalové vlákno (= buňka)
liJm
3 myofibrila
B. Struktura sarkomery ------------------------l
aktin trapomyozin
troponin aktinové
fi/amentum
•...•...
N
.ci
{!!.
sarkomera
ploténka Z
lOnm
61
C. Molekula myozinu II --------------------=------
doména
vazby
aktinu
kapsa
nukleotidu
(ATP, popř.
ADP)
2
nm
P
regulační lehký řetězec
esenciální lehký řetězec
krček
násada (150 nm) (ohýbatelný)
·~--------~--~------__..1~4~-~.~1·~4----~.1
14 ~ 20nm .1
(podle D. M. Warshawal
Kontrakce příčně pruhovaného
svalového vlákna
Podráždění svalového vlákna. Je-li v motorické
ploténce uvolněn acetylcholin, vzniká
zde ploténkový proud, jehož elektrotonické
šíření v sarkolemě aktivuje napěťově řízené
kanály pro Na+ (~ str. 56). Takto vyvolané
akční potenciály se šíří po sarkolerně přes
celé svalové vlákno (2 mis) a podél T-systému
rychle pronikají do hloubky vlákna
(~A).
Převedeni tohoto AP na kontrakci se
označuje jako elektromechanické spřažení
(~ B). V kosterním svalu začíná tím, že AP
podráždí v oblasti triád napěťově řízené dihydropyridinové
receptory (DHPR) sarkolemy.
DHPR jsou uspořádány do řad a jim
přímo naproti jsou v sousedící membráně
sarkoplazmatického retikula (SR) usazeny
rovněž řady kanálů pro Ca2+, tzv. ryanodinové
receptory (kosterní sval: RYR1), z nichž
každý druhý je asociován s jedním DHPR
(~ B2). RYRl se otevřou, když přímo (mechanicky)
"dtí" konformační změnu DHPR,
kterou vyvolal AP. Naproti tomu je v sarkolemě
myokardu DHPR částí napěťově řízeného
kanálu pro Ca2
+, který se otevře vlivem
AP a kterým vnikne dovnitř něco málo extracelulárních
Ca2+, které pak otevřou myokardiální
RYR2 (tzv. spouštěcí účinek Ca2+ =
Ca2
+-"zážeh"; ~ B3). Otevřeným RYRl,
příp. RYR2 pak proudí do cytosolu Ca2+
skladované v SR, takže se zde zvýší koncentrace
Ca2
+ ([Ca2
+L) z klidových hodnot asi
0,01 umel/I na více než Iumol/l (~ Bf ).
V kosterním svalu postačuje podráždění
DHPR na jednom místě k (mechanickými
vazbami?) koordinovanému otevření celé
skupiny RYR1, což zvyšuje spolehlivost přenosu.
Vzestup [Ca2
+L nasytí na troponinu C
vazebné místo pro Ca2
+, což zruší troponinem
zprostředkovaný inhibiční vliv tropornyozinu
na posuv filament (~ D). Není
jasné, zda se zrušení inhibice týká vazby
aktinu s myozinem nebo uvolnění ADP a P,
(viz dále).
Itl
>III
Itl
>•..Q/
Z
62
Posuvfilament. Pro posuv filament a tím
pro svalovou kontrakci je nezbytné ATP
(~ str. 72), přičemž motory jsou hlavy myozinu
(~ str. 60) se svou ATPázovou aktivitou
("proteinové motory"). Filamenta myozinu
II a aktinu jsou v sarkomeře (~str. 60) uspořádána
tak, že se mohou vzájemně posouvat.
Hlavy myozinu se přitom pod určitým úhlem
spojují s aktinovým filamentem (~ CI).
Prostřednictvím koriformační změny probíhající
v oblasti vazebného místa myozinu pro
nukleotid (~ str. 61 C), jejíž prostorový
rozsah je zesilován současným pohybem
v oblasti krčku, se hlava myozinu "nakloní"
a táhne přitom s sebou tenké filamentum po
dráze asi 4 nm (~ C2). (Případně přitom
druhá hlava táhne sousední aktinové filamentum.)
Pak se hlava uvolní, znovu "se
napřímí", aby při obnovení vazby na aktin
provedla další "úder veslem" (~ C3).
Na rozdíl od jiného proteinového motoru,
kinezinu (~ str. 42 a 58), který se pohybuje
po mikrotubulu pomocí svých dvou hlav
jako při tažení za lano "ruka po ruce" (vždy
08 nm) (50 % doby cyklu je pracovní: "duty
ratio" = "služebnÍ úvazek" = 0,5), a musí tak
vykonávat vše sám, myozin TI v kosterním
svalu "sáhne" mezi dvěma připojeními k aktinu
dopředu 36 nm až (při rychlém trhnutí)
400 nrn, aby dosáhl na další (resp. desáté nebo
dvanácté) "výše" ležící vazebné místo aktinu
(~ C3b). Během tohoto skoku musí nejméně
10-100 veslovacích úderů (po 4 nm)
uskutečnit jiné myozinové hlavy, které na
tomto filarnentu pracují, tj. pracovní podíl
jedné myozinové hlavy je 0,1-0,01. Tato
"dělba práce" myozinových hlav také zajišťuje,
že je vždy jistá část z nich připravena
k rychlému záběru.
Během posuvu se Z-disky k sobě př ibližují
a oblast překrytí tlustých a tenkých filament
se zvětšuje. (Délka filament se nemění.)
Proužek I a zóna H (~ str. 60) se tak zkracují.
Když nakonec konce tlustých filament
narazí na Z-disk, je sval maximálně zkrácen,
přičemž se konce tenkých filament již překrývají
(~ str. 67 C). Ke zkracování sarkoB.
Ca2
+ jako prostředník mezi elektrickým podnětem a kontrakcí ---------,
I-systénv
=~- F-~~~~ __~ ••iiZkii tCa!!!:§ ~
..,.....,~~"jj- mitochondrie
sarkoplaz-
matické
retikulum
~::--::-
2 kosterní
sval
cytosol
3 myokard
C. Posuv filament --------------------:-------1
vazba aktin-myozin II
I-- silná --I-- slabá -r- silná -
4nm
2 pracovní krok
(asi 10 % času)
1 silná vazba
1-- ----I
3 pracovní pauza (asi 90 % času; v této době
jsou aktivní jiné myozinové hlavy)
N
•...
N
.ri
~
63
I
III
I
mery dochází tedy na obou koncích myozinového
svazku, ale opačným směrem.
QI
V
'IV•..c..
Kontrakční cyklus ("-7 CaD). Obě myozinové
hlavy (M) molekuly myozinu II vážou
po jednom ATP ve své vazebné kapse
pro nukleotid. V této podobě vytvářejí (M-ATP-komplex)
se zbývající částí myozinového
filamenta ("-7 str. 61 C) úhel asi 60°.
Vazba s aktinem je v tomto stavu jen slabá.
Působení Ca2
+ na troponin-tropomyozinový
komplex má za následek, že aktin (A) aktivuje
ATPázu myozinu, takže je ATP navázaný
na myozin rozštěpen (ATP "-7 ADP + P;).
Vznikne tedy komplex (A-M-ADP-PJ
("-7 DI). Uvolní-li se z komplexu P; (anorganický
fosfát), zvětší se konformační změnou
asociační konstanta aktin-myozin o 4
řády (nyní velmi silná vazba) a myozinové
hlavy se sklopí o 40° ("-7 D2a), což má za
následek, že se aktin ová a myozinová filarnenta
vůči sobě posunou. Uvolnění ADP
nakonec vrátí myozinové hlavy do jejich
původní polohy (45°; "-7 D2b). Přetrvávající
komplex A-M je stabilní ("rigorový komplex")
a může být převeden zpět do slabé
vazby jen novou vazbou ATP na myozinové
hlavy ("změkčující účinek" ATP). Snadná
protažitelnost svalu v klidu je např. důležitá
pro plnění srdce nebo pro poddajnost extenzorů
při rychlém pohybu. Je-li ATP vázán na
myozin, umožňuje tato nyní volnější vazba
aktin-myozin opětné napřímení myozinových
hlav (45° "-7 90°; "-7 D4), což je přednostní
postavení komplexu M-ATP. Je-li i nadále
[Ca
2
+); > 10-6
mol/i, což závisí především
na příchodu dalších akčních potenciálů,
začne cyklus DI-D4 znovu. Všechny myozinové
hlavy táhnoucí jedno filamentum
nejsou přitom současně v záběru (malý
"služební úvazek", viz výše), což také zabraiíuje
trhavému průběhu kontrakce.
lonty Ca2+ uvolněné ze SR jsou opět do
něj zpětně čerpány za spotřeby ATP (aktivní
transport prostřednictvím Ca2+-ATPáza;
"-7 str. 17 A a str. 26). Když uvolňování Ca2+
skrze RYR ustane, klesne tím [Ca2+); rychle
pod 10-6
mol/I a posuv filament ustane (klidové
postavení; "-7 D).
Relaxace svalu po krátkých záškubech je
urychlována parvalbuminem. Tento druh
bílkoviny se vyskytuje v cytosolu svalových
vláken typu F(2) (-) str. 58); váže Ca2+ (výměnou
za Mg2+) s větší afinitou než troponin,
ale nižší než Ca2+-ATPáza, a účinkuje
tak jako "pomalý" kalciový pufr.
Průběh cyklu posuvu platí v popsané
formě zejména pro izotonická trhnutí, tj.
pro skutečné zkracování svalu. Při přísně
izometrické kontrakci (zvýšení svalového
napětí bez vnějšího zkrácení) napíná proces
posuvu, tzv. sériovou elastickou složku svalu,
a brzy se zastavuje. Komplex A-M-ATP
("-7 D3) pak pravděpodobně přímo přechází
v komplexA-M-ADP-P; ("-7 Dl). Ve svalu
mrtvého organismu se již žádné ATP netvoří.
To znamená, že ani nernůže být Ca2+
pumpováno zpět do longitudinálních tubuILI,
ani není k dispozici ATP k uvolnění stabilního
komplexu A-M: nastává mrtvolná
ztuhlost; uvolní se až při rozložení aktinových
a myozinových molekul,
IV
>III
IV
>•..QI
Z
64
D. Pracovní cyklus při posunu filament (izotonická kontrakce) . 2+
DHPR bez (sval), popr. s Ca
akční .. RYR -kanálem (srdce)
potenclál !Z2
:0
(Ca'+),
~l urnol/l
uvolnění vazby
aktin-myozin
("změkčující účinek" ATP),
napřímeni myozinových hlav
bez ATP
stabilní "rigorový komplex"
zůstává trvalý:
rigir mortis
.-----
(J)
U
..::t:.
~+-'
c
O..::t:.
O
C
..::t:.
'ro
">'(J)
>O
ro
>Vl
'(J)
C
ro
>
O
.c
2Q.
>(J)
C
>u
;c:o,
M
'":
N
.ci
~
longirudindlní
tubu/us
\ 1 vazba aktin-myozin,
~ štěpení ATP
_.~--
sklopení
myozinových hlav
odevzdáním Pj
2b konečné postavení hlav
způsobené odevzdáním ADP 65
66
Mechanické vlastnosti kosterního
svalu
<li
U
'ta•..Co
Akční potenciál (AP) vyvolaný ve svalu zvyšuje
cytosolovou koncentraci Ca2+ [Ca2+L
a vybaví tak kontrakci (kosterní sval-t str. 63
B, myokard -t str. J 94). Odstupňování síly
kosterního svalu je dosaženo jednak rozdílným
náborem motorických jednotek (-t str.
58), jednak změnou frekvence akčních potenciálů.
Jednotlivý podnět vede vždy k maximálnímu
uvolnění Ca2+ a tím také k maximálnímu
jednotlivému trhnutí vlákna
kosterniho svalu (pravidlo "vše nebo nic").
Přesto nevede jednotlivý podnět k maximálně
možnému zkrácení svalového vlákna,
protože trvá příliš krátce, než aby udržel posuv
fiJament v chodu až do konečné polohy.
Zkracování pokračuje pouze tehdy, když
v průběhu tohoto jednoho trhnutí přijde
další podnět. Takto opakované podněty vedou
ke stupňovité mechanické sumaci (superpozici)
jednotlivých trhnutí (-t A). Je-li
sled podnětů dále zvyšován (na 20 Hz u pomalu
reagujících, na 60-100 Hz u rychle reagujících
svalů; -t str. 58), nastane maximálně
možná kontrakce motorické jednotky: tetanus
(-t A). Ve srovnání s jednotlivým trhnutím
se síla svalu zvětší maximálně až na čtyřnásobek.
Koncentrace Ca2+,která u superpozice
mezi podněty znovu klesá, zůstává při tetanu
zvýšená.
Od tetanu je třeba odlišit rigor (-t str. 64)
a další trvalou kontrakci svalu,kontrakturu.
Není způsobena akčními potenciály, ale buď
lokální trvalou depolarizaci, např. při zvýšené
extracelulární koncentraci K+ (K+-kontraktum),
nebo farmakologicky vyvolaným
uvolněním Ca2
+v buňce, např. kofeinem. Také
kontrakce tzv. tonických vláken (určitá
vlákna zevních okohybných svalů a svalových
vřeténeki-» str. 318) je kontraktura.
Tonická vlákna nereagují na podnět trhnutím
podle pravidla "vše nebo nic", ale kontrahují
se na základě velikosti depolarizace
(žádný AP!). Zde je rozsah kontrakce řízen
změnami [Ca2+L.
Všeobecný "tonus" (reftexní tonus)
kosterní svaloviny je naproti tomu vyvolán
normálními AP na jednotlivých motorických
jednotkách. Přitom nejsou patrná jednotlivá
trhnutí, protože motorické jednotky jsou
drážděny střídavě (asynchronně). Zejména
svaly pro udržování polohy jsou i při zdánlivém
klidu v tomto mimovolném stavu
napětí, který je řízen reflexně (-t str. 318
a další) a např. při zvýšené pozornosti se
zvyšuje.
Způsoby kontrakce (-t B). Kontrakce
svalu může být izometrická, tj. délka svalu
zůstává konstantní a mění se síla. (V srdce
se nazývá izovolumetrická, protože délka
svalu určuje síňový, resp. komorový objern.)
Kontrakce může být také izotonická (u srdce
také tzv. izobarická), tj. při konstantní síle se
mění délka (srdce: při konstantním tlaku).
Mění-li se obě veličiny současně, hovoříme
o auxotonické kontrakci, navazuje-li izometrická
kontrakce na izotonickou, jde
o nárazové trhnutí, při opačném sledu o podpůrnou
kontrakci.
Pružnost svalu. Sval v klidovém stavu,
obsahující ATP, lze protáhnout jako gumový
pás, k čemuž je zpočátku zapotřebí jen malá
síla (-t D, E, klidová pružná síla), která však
u silně protaženého svalu exponenciálně
vzrůstá: křivka klidové elasticity (-t D). Na
tomto elastickém odporu, který brání rozpojení
do sebe zasouvatelných sarkomer, se
podílí mj. pojivová tkáň (fascie); zejména to
však je pružné vlákno obrovské molekuly titinu
(= connectin; délka 1000 run, Mr = 3 až
3,7 MDa), která je zabudovaná přímo v sarkomeře
(6 molekul/myozinové filamentum).
V oblasti A-proužku sarkomery (-t str. 61 B)
je titin přiložen k myozinovérnu filamentu,
kde také slouží k udržování polohy rnyozinového
filamenta v centru sarkomery; v oblasti
I-proužku je elastický a účinkuje jako molekulární
"gumová pružina': která působí proti
pasivnímu protažení svalu a podstatně spoluurčuje
rychlost zkracování svalu.
.ta
~
ta
>•..<li
Z
A. Síla svalu při stoupajíci a klesajíci frekvenci podnětů
~ ~ ~ ~ ~ ~ H WHHU,lIIl1l1l1l11l1l1l11lll11l1l11l1l1l11l11l11l11l1l11l1l1l1ijUHHHH H ~ ~
f-- oblast sumace -----j
jednotlivá svalová: 't t -I I
r trhnutí , , r-' e anus "I4!AJM.A.v.!'\AM.AMvv,.lVo....A....A-"-''~
~ ~ podnět
2 6 84 10 čas (s)
B. Formy kontrakce -=======~----------------l
klidový izometrická 1 klidový izotonická
stav kontrakce 'I stav kontrakce
izometrická izotonická
křivka
klidové
O'--_=_~elasticity
O délka
nárazové
trhnutí
auxotonická podpůrné
trhnuti
C. Izometrická síla svalu v závislosti na délce sarkomery
100r-------,-
......
......oyr-LL-~-l--~~--~~---L--L--L--L-~--~r--
1,2 1,4 1,6 } .8' 2,0 2,2" 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 \
/// -: ~ ........•.•..................•• \
/" ,,/' l,nax I
// /' ~-~2,05 -~ ~-~2,20 _~ \/ / \
-: /,/ \
",
/' ~--~1,90 --~ oktin myozin \,
f- sorkomero-1
\./
~1,,5QO~\( délka sarkomery (urn) ~ ~ -{
r (kosterní sval) -)- ~ -{
(pqdle Gordona a spol.)
::>
<ti
~
.!2 60
'v;
~ro
.~ E
40~·x<li
EE
.§~ 20
80 1--+--1--+
kosterní sval
67
68
Q/
v
'III•..C.
~
Protažitelnost titinu na asi desetinásobek (kosterní sval, srdeční sval méně)
spočívá zejména na často opakovaném motivu PEVK(zkralka pro prolín-glutamál-valin-Iyzin).
Při značném protažení svalu (nejstrmější úsek křivky
klidové elaslicity; ~ O) se navíc rozvinou globulární komponenty řetězce
(Cl-domény imunoglobulinu), aviak to se děje přerývaně a tím nepoddajněji,
čím rychleji protahování probíhá (charakterislika,tlumiče nárazů').
Mezi délkou (L) a sílou ("napětí", N) svalu
existují úzké vztahy (~ C, E). Celková síla je
součtem aktivní síly svalu a jeho klidové
elastické síly (viz výše). Aktivní síla je určena
celkovým rozsahem možných interakcí
mezi aktinem a myozinem a mění se tedy
s počáteční délkou sarkomery (~ C, D).
Největší aktivní (izometrickou) sílu No může
sval vyvinout při své klidové délce (Lmax;
délka sarkomery 2-2,2 um: ~ C). Zkrátí-li
se sarkomery (L < Lmax), tenká filamenta se
již částečně překrývají a může být vyvinuta
jen menší síla než No (~ C). Při L '" 70 %
délky Lmax (délka sarkomer 1,65 11m) narážejí
tlustá vlákna na Z-disky, takže N dále
klesá. Na druhé straně při značně prodloužené
délce (L > Lmax) může být rovněž vyvinuta
jen menší síla, protože přitom také
klesá možnost vytváření aktin-myozinových
můstků (-> C). Počínaje délkou 130 % Lmax
se stává klidová elastická síla podstatnou
složkou celkové síly (-> E). Křivce délka/síla
odpovídá u srdce diagram tlak/objem: místo
délky svalu je měřen objem naplnění komory,
místo síly komorový tlak (~ str. 202).
Vztah tlak/objem může být modifikován
koncentrací Ca2
+ v cytosolu (změna kontrakti1ity;
-) str. 203 B2).
protažení přídatně ovlivňuje citlivost troponinu
na Ca2
+ (strmější křivka v E2).
• AP srdečního svalu trvá déle než kosterního
(~ str. 59 A), protože po rychlé inaktivaci
kanálů pro Na" přechodně klesne gK
a gCaje po dobu 200-500 ms zvýšené. Takto
vyvolaný "pomalý" proud Ca2+ do buňky
způsobuje plató akčního potenciálu, takže
refrakterní perioda končí až tehdy, když
kontrakce téměř odezněla (~ str. 59 A). Na
rozdíl od kosterního svalu nelze u SS vyvolat
tetanus.
• V SS nejsou žádné motorické jednotky.
a rozdíl od KS se vzruch šíří celým rnyokardem
síní a komor: kontrakce" vše nebo
nic".
• Síla kontrakce SS může být měněna trváním
akčního potenciálu, což je řízeno proměnlivým
proudem Ca2+ do buňky.
Rychlost (izotonické) kontrakce je tím
menší, čím větší je zátěž (síla) (křivka
rychlost/síla; ~ Fl ).Maximální sílu (+ málo
tepla) sval vyvíjí, když nenastane žádné
zkrácení, Maximální rychlost (biceps: asi 7
mis) a hodně tepla vyvíjí nezatížený sval.
Lehká břemena lze proto zvedat rychleji než
těžká (~ F2). Celková spotřeba energie pro
práci + teplo je při izotonické kontrakci
větší než ph izometrické. Výkon svalu je síla
x rychlost zkracování (N· m . S-I", W (~Fl,
barevné plochy).
III
>III
III
>•..Q/
Z
Další funkční rozdíly mezi srdečním
a kosterním svalem jsou (viz též str. 59A):
• Kosterní sval (KS) je protažitelnější než
srdeční sval (SS), tj. při stejném protažení je
pasivní elastická síla SS větší než u KS
(~El, 2).
• Pracovní oblast KS je normálně v oblasti
plató křivky délka/síla, naproti tomu u SS je
to vzestupná část (hodnoty pod Lmax)jeho
křivky délka/síla, která nemá plató (~ C
a El , 2), takže srdce může - je-li myokard
při diastolickém plnění více protažen - vyvinout
větší sílu (Frankův a Starlingův mechanismus;
~ str. 204). U srdečního svalu
D. Aktivní a pasivní složka svalové síly (kosterní sval) -------------,
100
0~--~8-0---~9-0~~-~170~0--
I I I
aktivní síla
svalu
/
/
__ pasivní klidová
elastická
síla
relativní délka
svalu
(100 % = délka
při max. sne)
délka sarkomery (urn)1,6 1,8 2,2
200
celková
síla
E. Křivky délka/síla kosterního a srdečního svalu -----------------,
příčně pruhovaný sval
100
relativní délka svalu
(100 % = délka při max. síle, Lm,,)
2 srdeční sval
,,
,.-,e,>,0
,V,~,a.200
~'V;
'c
:;ij
E
'x
E 100
'c
>
~
'"~
relativní délka svalu
(100 % = délka při max. síle, Lm,,)
100 - __ maximální rychlost (V
max
)
F. Síla (resp. zátěž) svalu a rychlost zkracování -----------------,
výkon při
'-- __ -- malé zátěži
velkézátěži
OL--------------L----------~
zátěž = síla svalu
_-lehká
rychlé »řř
V .
/
pomale
/ ~_těžká
zátěž
'caJ
V
.'"~N ~ ._
čas
11\
•...
N
.ci
~
2
69