25.2.2009
Kontakty vyučujících Úvod do předmětu fyziologie
MUDr. Vladimír Riljak, Ph.D.
[email protected] tel.: 224968443 MUDr. Kateřina Jandová, Ph.D.
[email protected] tel.: 224968443 RNDr. Martina Nedbalová, Ph.D.
[email protected] tel.: 224968418
Fyziologický ústav 1. LF UK Albertov 5 128 00 Praha 2
o k ja
Literatura…. Trojan, Ganong, Guyton?
é a k r o ic t g au lo o em iál chn s la ter -te í h n o a u e o m ick ř í s š e j ní m í s lš o í di h e a ž d án u stu y c o a l z l . s á o ý e t ov šk z Fyziologie m asvalstva k n ů a l e k é Pr če j e z k m ň ú ra u pl so v k o y m to o d V ý d ů in au o j r t o n k su e b í t a o T i l ž h iu u ou d o p zs tu s o e ke Jeh b Spojení: tram 18 a 24 do zastávky Albertov ústav se nachází na konci areálu vysokých škol po levé straně
Semestr: 16.2. – 22.5. 2009 (14 výukových týdnů)
- 12 přednášek – k dispozici na intranetu (učební materiál) 13.4. 2009 – Velikonoční pondělí
18.5. 2009 – 14. výukový týden - zkouškový test (multiple choice)
1
25.2.2009
Úvod
Svalstvo patří mezi excitabilní tkáně Schopnost kontrakce/relaxace Kontrakce navazuje na excitaci a projevuje se:
Sval jako chemickomechanický převaděč
– 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)
– Tenzí – Zkrácením
Svaly (všech typů) zajišťují: – – – –
Aktivní tenzi a veškerý pohyb Lidská práce, komunikace (mimika), psaní Cirkulaci krve Transport tráveniny GIT
Klasifikace svalové tkáně
Aby byl účinný musí splňovat několik požadavků:
Energie - regulace – restaurace
o k ja
Kosterní svalovina
é a k r o ic t g au lo o em iál chn s la ter -te í h n o a u e o m ick ř í s š e j ní m í s lš o í di h e a ž d án u stu y c o a l z l . s á o ý e t ov šk Tvary m ak Stavba svalu svalů z n ů a l e k é Pr če j e z k m ň ú ra u pl so v k o y m to o d V ý d ů in au o j r t o n k su e b í t a o T i l ž h iu u ou d o p zs tu s o e ke Jeh b
Podle struktury/funkčních vlastností Kosterní svalovina Hladká svalovina Srdeční svalovina Myoepitel
Na svalu popisujeme: – Začátek (origo)
Kraniálnější, proximálnější Nebo ta méně pohyblivá
– Bříško (venter)
Někdy oddělena ještě hlava (i více, triceps)
– Úpon (insertio)
Vykonává většinu funkce svalu
40% tělesné hmotnosti 95% všech svalů tvořen buňkami ve formě vláken (obsahují více jader) 10-100 um široká, až 20 cm dlouhá povrchová membrána – sarkolema (elektricky drážditelná) cytoplazma – sarkoplazma (enzymy, glykogen, ATP, fosfokreatin) mitochondrie – sarkosomy
Vřetenovitý (m.fusiformis)
Plochý (m.planus)
Kruhovitý (m.orbicularis)
Svěrač (m.sphincter)
– Biceps, triceps
– Svaly břišní stěny
– Kolem úst, očnice
– Obtáčí nějaký vývod – Svěrač močové trubice
2
25.2.2009
Morfologie kosterního svalu Sval
Sarkomera Šlacha
Epimysium
Svazek svalových vláken Endomysium
Sarkolema
Sarkoplasma
Myofibrila Perimysium Svalové vlákno
Funkční jednotka kosterního svalu Opakují se ve směru podélné osy vlákna po úsecích cca. 15002300nm Na koncích ohraničena Z-disky (v mikroskopu patrné jako 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
Jádro
o k ja
é a k r o ic t g au lo o em iál chn s la ter -te í h n o a u e o m ick ř í s š e j ní m í s lš o í di h e a ž d án u stu y c o a l z l . s á o ý e Svalová filamentat k az lům ak v n š o e k é Pr če j e z k m ň ú ra u pl so v k o y m to o d V ý d ů in au o j r t o n k su e b í t a o T i l ž h iu u ou d o p zs tu s o e ke Jeh b Každé tenké filamentum leží symetricky mezi třemi tlustými filamenty Každé tlusté filamentum je obklopeno šesti tenkými
Tlustá, myozinová filamenta
myozin
– 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
aktin
Ostatní bílkoviny
– Regulace a řízení kontrakce
3
25.2.2009
Mechanické vlastnosti neaktivovaného svalu
Neaktivovaný sval je pružný, klade odpor deformaci při prodlužování nad klidovou délku Při zvětšování síly s protažením vzrůstá i elastická síla – až přetržení Elastická síla má:
Propojení excitace a kontrakce
Vlákna kosterního svalu jsou přímo řízena nervovým systémem Axony míšních nervů vytvářejí spolu se sarkolemou nervosvalovou ploténku
– Statickou složku – Dynamickou složku (roste s rychlostí protahování)
Pevnost svalu
Nervosvalová ploténka
Molekulární podstata kontrakce
o k ja
é a k r o ic t g au lo o em iál chn s la ter -te í h n o a u e o m ick ř í s š e j ní m í s lš o í di h e a ž d án u stu y c o a l z l . s á Vyplavení vápenatých o ý e t ov šk T-tubuly m ak z n iontů ů a l e k é Pr če j e z k m ň ú ra u pl so v k o y m to o d V ý d ů in au o j r t o n k su e b í t a o T i l ž h iu u ou d o p zs tu s o e ke Jeh b
Modifikovaná chemická synapse CNS Mediátorem Ach Aktivuje nikotinové receptory – Ty přímo řídí sodné kanály
Takto vyvolaný akční postenciál se rychle šíří na celou povrchovou membránu včetně T-systému (vchlípeniny povrchové membrány) Masivní uvolnění vápenatých iontů z EPR Kontrakce (viz dál)
Zásobárnou je sarkoplazmatické retikulum Nutné rychlé vyplavení Signály, které vedou k vyplavení Ca2+:
– Depolarizace T-tubulů (elektrotonické působení) – Reakce sarkoplazmatického retikula na signální molekulu (jejíž hladina se zvýší depolarizací membrány, Ca2+, jiný second messenger)
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 vyplavením Ca2+ do cytosolu
V oblasti I-proužku Kolmo na dlouhou osu buňky Vchlípeniny sarkolemy (transverzální tubuly) Kolmo na ně sarkoplazmatické retikulum vytváří longitudinální tubuly, na konci rozšířené v terminální cisterny Transverzální tubulus + 2 přilehlé terminální cisterny vytvářejí tzv. triádu
4
25.2.2009
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
Vlastní kontrakce, tenká 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 jako 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
Troponin
o k ja
é a k r o ic t g au lo o em iál chn s la ter -te í h n o a u e o m ick ř í s š e j ní m í s lš o í di h e a ž d án u stu y c o a l z l . s á Průběh kontrakce na o ý e Kontrakce t ov šk z ům ak n molekulární úrovni a el e k z r é e č P k m ň j ú ra u pl so v k o y m to o d V ý d ů in au o j r t o n k su e b í t a o T i l ž h iu u ou d o p zs tu s o e ke Jeh b
Aktinové vlákno je dvoušroubovice tvořená kulovitými monomery aktinu Vypadá jako 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
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+)
Depolarizace povrchové membrány Vzestup Ca2+ v cytosolu Konformace troponinu a zpřístupnění vazebných míst pro hlavy myozinu Aktivace ATPázy hlav myozinu Štěpení 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 spojení se stabilizuje – rigorový komplex (rigor mortis) Spojení se uvolní až po navázání ATP Celý děj se podobá činnosti veslice (vlákno myozinu), kdy se vesla (hlavy myozinu) opřou o vodu (aktin)
5
25.2.2009
Zevní projevy kontrakce
Činnost svalu se projevuje změnami – Strukturními – Mechanickými – Chemickými – Tepelnými – Elektrickými
Gordonova křivka
Vztah mezi silou stahu a výchozí délkou svalu
Sarkomera vyvine největší 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 vyjádření vztahu mezi délkou sarkomery a maximem aktivní tenze při izometrické kontarkci
o k ja
Formy kontrakce svalu
é a k r o ic t g au lo o em iál chn s la ter -te í h n o a u e o m ick ř í s š e j ní m í s lš o í di h e a ž d án u stu y c o a l z l . s á o ý e mstahak Kontrakce svalu t k aTetanický v z n š ů o l e k é Pr če j e z k m ň ú ra u pl so v k o y m to o d V ý d ů in au o j r t o n k su e b í t a o T i l ž h iu u ou d o p zs tu s o e ke Jeh b
Izomet.napětí (%)
Na jediný akční potenciál odpovídá sval svalovým trhnutím Průběh trhnutí není u všech svalů stejně rychlý: – Svaly pomalé (konají statickou práci, posturální svaly) – Svaly rychlé (oční svaly)
2,2um
Přirozená kontrakce svalu má formu tetanického stahu Při dostatečné frekvenci opakovaného dráždění (salvy akčních potenciálů) nasedá na předcházejí kontrakci další kontrakce – V sestupné fázi záškubu – superpozice – vlnitý tetanus – Ve vzestupné fázi záškubu – sumace – hladký tetanus
6
25.2.2009
Kontrakce svalu
Izotonická
Izometrická
– Mění se délka svalu
Energetika činnosti svalu
– Je doplňován z volných mastných kyselin – Vysoké výkony glukóza – Teprve při extrémních nárocích začíná sval využívat vlastní glykogen
– Sval se nemůže zkracovat (pokus o zvednutí příliš těžkého břemene)
Auxotonická
Při svalové práci vzniká únava – Fyzická – Psychická – Synaptická (běh na 800m)
– Narůstá síla a sval se současně zkracuje (balistické pohyby)
Řízení činnosti svalu
Bezprostředním zdrojem ATP Zdrojem ATP aerobní oxidativní fosforylace Krátkodobě anaerobní glykolýza (sprint) Zásoba ATP malá a může být doplněna reakcí ADP s krestinfosfátem (ten je defosforylován)
Hladká svalovina
o k ja
é a k r o ic t g au lo o em iál chn s la ter -te í h n o a u e o m ick ř í s š e j ní m í s lš o í di h e a ž d án u stu y c o a l z l . s á Vícejednotkový hladký o ý e t svalov šk sval m ak Jednotkový hladký z n ů a l e k é Pr če j e z k m ň ú ra u pl so v k o y m to o d V ý d ů in au o j r t o n k su e b í t a o T i l ž h iu u ou d o p zs tu s o e ke Jeh b
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 80-120 Hz se sval nejrychleji stahuje
I v klidu měříme jisté napětí svalu nesouvisející s pohybem. Tento svalový tonus má dvě složky
Buňky vzájemně spojeny (gap junction) Elektrická vazba buněčných membrán, umožnění šíření 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)
– Jednotkový hladký sval – Vícejednotkový hladký sval
– pasivní elastický tonus (podmíněn elastickými vlastnostmi svalu) – reflexní tonus podmíněn klidovou aktivitou motoneuronů (řízen gama-systémem)
Tvoří stěny útrob (s výjimkou kapilár) Nejeví příčné pruhování Buňky menší než u svalu kosterního Jedno jádro, vřetenovitého tvaru Dva typy hladkých svalů:
Buňky nejsou vzájemně propojeny Vlna depolarizace se nešíří Vyskytuje se především tam, kde je třeba jemného, cíleného pohybu (m.ciliaris) Vlastnosti v mnohém podobné svalovině kosterní, ale neovladatelný vůlí
7
25.2.2009
Propojení excitace a kontrakce
U hladké svaloviny není popisováno propojení typu neuromuskulární ploténky V průběhu nervových vláken se vyskytují tzv.varikozity, vyplněné synaptickými váčky (mediátory: Ach, neuropeptidy) Šíření podráždění v hladké svalovině je zajišťováno:
Propojení 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)
– Gap junction, elektrotonicky – Postupným šířením vlny zvýšené koncentrace mediátoru v mezibuněčném prostoru (peristaltické pohyby)
Hladká svalovina nemá tak výrazné sarkoplazmatické retikulum (zásobárna Ca2+), pro svalový stah musí rozhodující podíl Ca2+ přicházet z extracelulárního prostoru iontovými kanály
o k ja
Kontraktilní filamenta
é a k r o ic t g au lo o em iál chn s la ter -te í h n o a u e o m ick ř í s š e j ní m í s lš o í di h e a ž d án u stu y c o a l z l . s á Zevní projevy kontrakce o ý e t ov šk z ům ak hladké svalovinyn a el e k z r é e č P k m ň j ú ra u pl so v k o y m to o d V ý d ů in au o j r t o n k su e b í t a o T i l ž h iu u ou d o p zs tu s o e ke Jeh b
Aktin, myozin (tj. obvyklá filamenta) Vlákna jsou ukotvena v denzních tělíscích a páscích (analog Z-disku) Množství myozinu je 3x menší Množství aktinu 2x vyšší Vyšší množství tropomyozinu (aktin:tropomyozin 6-7:1) Tenze a zkrácení je vyvoláno vzájemnou interakcí těchto filament
– Ale: filamenta nevytvářejí tak vysoce uspořádanou strukturu je rozpětí
délky při kterém je možná aktivní tenze daleko větší
– Hladký sval se může zkrátit až na 1/5 délky – Možnost protažení je také mnohem větší
Troponin C je nahrazen kalmodulinem Interakce aktinu a myozinu je řízena komplexem kalmodulin-Ca2+
Většina aktivit je pomalejších 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 zkrácení Při poklesu koncentrace Ca2+ se komplex kalmodulin-Ca2+uvolní a uplatní se cytoplazmatická fosfatáza Fosfatáza defosforyluje myozin Následuje relaxace
Kosterní sval
Hladký sval
Pruhovaný
Nepruhovaný
Není syncitium
Syncitium
SR dobře vyvinuto
SR rudimentární
Plasmalema nemá mnoho hormonálních receptoru
Plasmalema má řadu receptorů
ECT Ca2+ nemá význma pro kontrakci
ECT Ca2+ má zásadní význam pro kontrakci
8
25.2.2009
Přehled mechnismů doplňujících ATP ve svalu
ATP je konstantní zdroj energie (zásoby ve svalu cca na 1-2 sekundy) Může být produkován:
Tyto mechnismy využívány různě v závislosti na funkčním typu svalových vláken
– Glykolysou (glukosa z krve, svalový glykogen) – Oxidativní fosforylací – Z kreatinfosfátu – Adenylátcyklásovou reakcí (ze 2 molekul ADP)
Zdroje ATP ve svalu: Kreatin fosfát Svalový glykogen
Kreatin fosfokinaza
Svalová fosforylasa
ADP
Kreatin
Glykolysa
Svalová kontrakce
ATP
Glukosa
Myozinová ATPasa Oxidativní fosforylace
AMP
ADP+Pi
ADP
Adenylátcykláza
Typy vláken
Sprinter vs. marathonský běžec
o k ja
é a k r o ic t g au lo o em iál chn s la ter -te í h n o a u e o m ick ř í s š e j ní m í s lš o í di h e a ž d án u stu y c o a l z l . s á o ý e t ov šk z ům ak n a el e k z r é e č P k m ň j ú ra u pl so v k o y m to o d V ý d ů in au o j r t o n k su e b í t a o T i l ž h iu u ou d o p zs tu s o e ke Jeh b
Typ I. (pomalá)
– Červená (obsahují myoglobin) – Aerobní metabolismus
– Využívá vlákna typu II – Kreatinfosfát je hlavním zdrojem energie během prvních 45 sekund – Glukosa se získává ze svalového glykogenu a metabolisuje se anaerobní glykolysou – Svalový glykogen je rychle vyčerpán
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:
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
9
