13.11.2013
Přednáška 5 Biomechanika svalu
ANATOMIE – MUDr. Vyšatová
ANATOMIE – MUDr. Vyšatová
Obecná myologie Svalová vlákna, myofibrily, proteiny, sarcomery, skluzný model svalového stahu, stavba kosterního svalu: svalové bříško, šlacha, tvar svalu, začátek a úpon svalu, uspořádání svalových vláken, zpeření svalu, svalová vlákna a vazivové stroma, endomysium, perimysium, synoviální a vazivová pouzdra šlach, fascie, osteofasciální prostory, terminologie svalů
Základní histologické dělení Sval je orgán umožňující pohyb vyšších živočichů včetně člověka. Podle mikroskopické stavby rozlišujeme tři typy svalů: Hladká svalovina (nazývána tak proto, že svalová vlákna se v mikroskopu jeví jednolitě) je součástí stěny mnoha vnitřních orgánů, kde slouží jako motorická jednotka, která umožňuje měnit průsvit dutých orgánů (cévy), posunovat obsah vnitřních orgánů určeným směrem (trávicí trubice, močové ústrojí), reflexně reagovat na zevní a vnitřní podněty (vzpřímení chlupů kůže v chladném prostředí) a tak dále. Aktivitu hladkých svalových vláken nejsme schopni ovládat vůlí, je to reflexní činnost. Příčně pruhovaná svalovina se v mikroskopickém obraze jeví jako střídání světlých a tmavších proužků, čemuž napovídá i název. Jedná se o svaly obklopující kostru, udržující vzpřímenou pozici a umožňující veškerý volně vykonávaný pohyb, který ovládáme vlastní vůlí a který je tedy řízen vědomou částí centrální nervové soustavy. Srdeční svalovina tvoří specifickou skupinu, protože co do stavby připomíná sval příčně pruhovaný (s určitými odchylkami), ale není možné ji ovlivnit vůlí, srdeční sval má vlastní automatickou aktivitu, kterou udržuje po celou dobu života a nervový systém je jenom modifikátorem této aktivity (ve stresu nebo při fyzické námaze srdeční frekvence i výdej stoupají, v klidu a ve spánku zase naopak klesají).
Stavba příčně pruhovaného svalu
Základní stavební jednotkou svalu je svalové vlákno. Svalové vlákno je souborem na sebe navazujících svalových buněk, které jsou pospojovány řadou komunikačních kanálků, které jim umožňují velmi rychlé odevzdávání informací, takže se svalové vlákno vlastně chová jako jediná buňka. Základní stavební složkou svalového vlákna jsou tzv. myofibrily, tedy jakási "svalová mikrovlákna". Jejich podstatnou součástí jsou bílkoviny aktin a myozin, které jsou elementárním mikroskopickým vykonavatelem veškerého volného pohybu lidského těla. Dalšími nepostradatelnými součástmi svalového vlákna jsou pak sarkoplazmatické retikulum a mitochondrie.
Stavba příčně pruhovaného svalu Svalová vlákna se sdružují do snopečků a ty pak do větších snopců, až jejich soubor tvoří konečnou podobu svalu. Ten je pak pokrytý na povrchu takzvanou fascií, což je tenká vazivová blána, která odděluje sval od okolních svalů a umožňuje tak i jejich poměrně nezávislý pohyb vedle sebe, protože účinně snižuje napětí a tření mezi jednotlivými svaly. Ještě vyšší uspořádání pak představují svalové skupiny, kde několik svalů obalených vlastní fascií je zavzato do další společné fascie se sousedními svaly a tvoří s nimi funkční celek podílející se na komplexním pohybu určité části těla. Na začátku i konci každého svalu přechází svalová tkáň do velmi pevného kolagenního vaziva nazývaného šlacha. Pomocí této struktury, která je velmi odolná vůči tahu, ale má jenom minimální ohybovou tuhost, je sval připojen ke strukturám, kterými následně může pohybovat.
Jak sval pracuje Pohyb celého organismu i jeho jednotlivých částí zabezpečuje základní a celkem jedinečná vlastnost svalového vlákna - takzvaná kontraktilita. Tato schopnost umožňuje svalu se stáhnout (kontrahovat) a následně uvolnit (relaxovat), čímž sval jako celek mění svoji délku a tímto zkracováním a prodlužováním následně přibližuje, resp. vzdaluje od sebe struktury, na které se upíná (zpravidla kosti). Na mikroskopické úrovni se jedná o posun v postavení již zmíněných myofibril aktinu a myozinu vůči sobě navzájem. Stahem milionů svalových vláken v jediném svalu tak může dojít ke zkrácení svalu i o několik centimetrů. Kromě kontraktility je další nepostradatelnou vlastností svalu jeho tonus napětí. Maximálně relaxovaný sval má jenom minimální vnitřní napětí, vzhledem k malému kontaktu aktinových a myozinových vláken. Při částečném kontaktu těchto vláken pak může dojít namísto ke zkrácení svalu pouze ke zvýšení jeho napětí. Tato statická práce svalu je energeticky náročnější než práce dynamická a svaly, které ji dlouhodobě vykonávají (svaly posturální-udržující vzpřímené držení těla), jsou na ni i patřičně uzpůsobeny.
The sliding filament model. Contraction of skeletal muscle results from the sliding of the actin chains on the myosin chains.
Actin a myosin? Actin: ● globulární strukturní protein, který polymeruje v dlouhá vlákna zvaná mikrofilamenta ● jedna z nejhojnějších intracelulárních bílkovin eukaryotických buněk (aktin tvoří kolem 5 % celkových buněčných proteinů) Myosin: ● skupina proteinů řazených mezi tzv. molekulární motory ● za pomoci hydrolýzy ATP jsou schopny vytvářet sílu a aktivní směrovaný pohyb v buňce. ● vážou se na aktin, spolu s nímž a dalšími proteiny jsou zodpovědné za svalový stah ● dále se také podílí na aktivním vnitrobuněčném transportu váčků a pohybu membrán
Sarkomera? sarcomere (řecky sarx "maso", meros "část") Základní stavební jednotka svalu Svalové buňky (tubulární, myocytes or myofibers) se tvoří v procesu známém jako myogeneze. Svalové buňky se skládají z tubulárních myofibrils. Myofibrily jsou složeny z opakujících se segmentů sarkomer, které v optickém mikroskopu vypadají jako tmavé a světlé proužky. Jsou to válcovité úseky myofibrily, které umožňují smršťování svalu. Sarkomery se skládají zdlouhých, fibrózních proteinů, které se posouvají jeden po druhém a tak umožňují svalovou kontrakci a relaxaci. Dva z těchto důležitých proteinů jsou myosin, který tvoří tlustá filamenta a actin, který vytváří tenká filementa. Myosin – dlouhý, fibrózní ocas a kulovitá hlava, váže se k actinu. Myosin se rovněž váže k ATP (zdroj energie pro svalový pohyb). Myosin se může k actinu navázat jen tehdy, kdy vazební místo actinu je odhalené (obnažené) prostřednictvím iontů vápníku. Svalová buňka bicepsu (myocyte, myofibril) může obsahovat až 100,000 sarkomer. Myofibrily hladkého svalstva nemají sarcomery.
Svalové vlákno Myofibrily Sarkomery Sarkoplasmatické retikulum T-tubuly Triady Mitochondrie Sarcolemma Basální lamina
Musculus, caput, venter, origo , insertio , tendo, aponeurosis, fascia, epimysium , perimysium, endomysium
Názvy svalů:
podle tvaru: deltoideus, quadratus, rhomboideus, teres, gracilis, rectus , lumbricalis podle velikosti: major, minor, longus, brevis, latissimus, longissimus podle počtu hlav nebo bříšek: biceps, triceps, quadriceps, digastric, biventer podle polohy: anterior, posterior, interosseus, supraspinatus, infraspinatus, dorsi, abdominis, pectoralis, brachii, femoris, oris, superficialis, profundus, externus, internus podle začátku a úponu: sternocleidomastoideus, coracobrachialis podle funkce: extensor, flexor, abductor, adductor, levator, depressor, supinator, pronator, constrictor, dilator
Biomechanika svalu?
- základní výzkum (sliding filament theory of muscle contraction, how neuromuscular diseases develop and treatment, using stem cells to treat muscle disease) - sportovní biomechanika (zvyšování výkonu, správné provádění cvičení, posilování, sportovní pomůcky, vývoj sportovního vybavení (boty, lyže, … - modely pro další odvětví (počítačové simulace, počítačové hry, animované filmy (Pixar), armáda, …)
Měření pohybu – segmenty (tuhá tělesa), spojené definovanými klouby.
Ukázky: Lifemodeller.com
