6. Svalová kontrakce

Náplň podkapitoly:

1. Úvod do svalové kontrakce
2. Průběh kontrakce
3. Spřažení excitace a kontrakce
4. Charakteristika stahu celého svalu
5. Kontrakce hladkého svalu

_

Úvod do svalové kontrakce

V průběhu evoluce mnohobuněčných organismů se brzy ukázalo, že aktivní pohyb, ať už obranný – v podobě jednoduchého zmenšení povrchu těla při podráždění – nebo naopak z nutnosti přemístit se za potravou, představuje obrovskou výhodu. Tak vznikly specializované dráždivé buňky, které umožnily reagovat na rozličné podněty svou kontrakcí. Později se tyto dráždivé elementy rozčlenily do dvou linií – neuronů a myocytů. A právě myocyty a hlavně jejich molekulárním aparátem se budeme zabývat v této podkapitole.

Myofibrily

Každé svalové vlákno obsahuje stovky až tisíce dlouhých vláken, které se nazývají myofibrily. Myofibrila samotná se skládá z dlouhých polymerů aktinu, troponinu a tropomyosinu (tzv. lehká filamenta) a asi polovičního počtu těžkých filament, která se sestávají z myosinu. Všechny popsané molekuly jsou proteiny, které společně tvoří molekulární aparát pro svalovou kontrakci.

Funkční jednotkou každé myofibrily je pak sarkomera. Jedná se o úsek, který leží mezi dvěma po sobě jdoucími Z disky. Během svalové kontrakce se délka sarkomery zkracuje o délku proužku I.

Vnitřní prostorové uspořádání myofibril je zcela zásadní pro efektivní průběh kontrakce. To, aby jednotlivá lehká a těžká filamenta zůstala v ideální pozici, zajišťuje “molekulární lešení” z proteinu zvaného titin.

Těžká filamenta

Těžká filamenta jsou složena z molekul myosinu. Jedna molekula myosinu obsahuje šest polypeptidových řetězců: dva těžké řetězce a čtyři lehké řetězce. Těžké řetězce myosinu se kolem sebe zprvu vzájemně otáčejí a tvoří dlouhou alfa-helikální strukturu zvanou ocas molekuly myosinu. Posléze se vzájemně rozbíhají a tvoří tak krátký úsek (tzv. paže) na jejichž konci se nachází globulární doména těžkého řetězce. Globulární doména asociuje se dvěma molekulami lehkých řetězců a tvoří, tak hlavu molekuly myosinu. Ze dvou těžkých řetězců a čtyř lehkých řetězců proto vznikne molekula s jedním ocasem, dvěma pažemi a dvěma hlavami.

Alfa-helikální vlákna ocasů vzájemně asociují a tvoří tělo těžkého filamenta, ze kterého do stran trčí hlavy myosinu na jeho krcích.

Je dobré předem zmínit, že myosinové hlavy vykazují ATPázovou aktivitu. Během inaktivity je na každou hlavu navázána jedna molekula ADP.

Lehká filamenta

Základem aktinové molekuly jsou dvě molekuly dlouhého vláknitého proteinu F-aktinu. Každé z těchto vláken je složeno z polymerizovaných molekul G-aktinu. Opět dochází k vzájemnému obtáčení řetězců (F-aktinu) a vzniku helikální struktury. Aktinové vlákno je navíc i nositelem tzv. aktivních míst, což jsou v podstatě pouze vazebná místa pro myosinové hlavy, rozmístěná v pravidelných rozestupech po celé délce F-aktinu. Jeden konec vlákna aktinu je velmi silně přichycena do Z disku sarkomery. Volný konec prochází I proužkem, A proužkem až k H proužku.

Kolem helixu f-aktinu se obtáčí další vláknitý protein – tropomyosin. Svým průběhem zakrývá aktivní místa na aktinovém řetězci. Tak brání interakci myosinu s aktinem.

Poslední složkou lehkých filament je protein troponin, který je přichycen k tropomyosinu. Skládá ze tří funkčně rozdílných domén:

1) Troponin T: tato doména zprostředkovává vazbu mezi tropomyosinem a troponinem

2) Troponin I: jedná se o doménu, která se váže na aktin, čímž napomáhá tropomyosinu zakrývat aktivní místa. Písmeno “I” v názvu domény tak vyjadřuje její inhibiční vztah ke vzniku interakcí mezi myosinem a aktinem

3) Troponin C: vykazuje vysokou afinitu k ionizovaným vápenatým iontům (odtud její název “C” – z anglického calcium). Při navázaní kalcia na troponin C, dojde ke konformační změně, která vede ke snížení afinity troponinu I k aktinu a tedy k odkrytí aktivních míst

_

Průběh kontrakce

Při adekvátním podnětu na tzv. nervosvalové ploténce (viz dále). Dojde k uvolnění zásob vápenatých iontů z intracelulárního zásobníku (sarkoplazmatického retikula) do sarkoplazmy. Toto kalcium se s vysokou afinitou váže na troponin C. Tak dojde ke změně konformace a obnažení aktivních míst na f-aktinovém helixu. Vzhledem k vysoké afinitě myosinových hlav k aktivním místům aktinu dojde ke vzniku tzv. můstků. Za můstek považujeme dočasnou ale silnou vazbu vazbu mezi myosinem a aktinem. Vznik této vazby spouští vlastní svalovou kontrakci.

Přestože není přesně znám její průběh, existuje obecně přijímaná teorie “walk-along”, česky někdy nazývána ráčnová teorie.

Poznámka:

Ráčna je zařízení, jehož znakem je, že je schopno pracovat pouze v jednom směru, lze se s ní setkat v mechanismu nástrčkového klíčku.

“Walk-along” spočívá v následujícím mechanismu. Ihned po vzniku vazby myosinová hlava – aktinové aktivní místo dojde ke konformační změně ve volné části molekuly myosinu. Ta způsobí změnu úhlu hlavy vůči helikální části myosinu a tedy vzájemný posun lehkých a těžkých filament. Říkáme, že filamenta po sobě vzájemně kloužou. Spolu s ohybem volné části myosinu dojde k uvolnění ADP, které bylo na hlavě myosinu navázáno a jeho místo zaujme ATP. Vazba ATP je signálem pro zánik můstku a návratu volné části myosinu do předchozího konformačního uspořádání. V této “klidové poloze” (tzn. neohnutý komplex paže-hlava a bez existence můstku) štěpí myosin ATP na ADP a fosfát. Vznikem ADP se opět zvyšuje afinita k aktivní zóně na lehkém filamentu a celý cyklus se opakuje.

Pojďme si celý proces vlastní kontrakce ještě jednou shrnout:

1) Navázaní Ca2+ na troponin odkryje aktivní místa na lehkých filamentech

2) Vznik vazby mezi myosinovou hlavou a aktivním místem

3) Ohyb v myosinové paži, vzájemné klouzání vláken a uvolnění ADP do sarkoplazmy

4) Navázaní ATP, zánik vazby mezi aktivním místem a hlavou, “narovnání” paže

5) Štěpení ATP na ADP a fosfát

6) Vznik vazby mezi následujícím aktivním místem a myosinovou hlavou

Tento cyklus se opakuje stále znovu, dokud není dosaženo maximální možné kontrakce nebo není odpor proti svalové síle natolik velký, že další kontrahování nemůže proběhnout. Opakováním cyklu a neustálými změnami konformace v komplexu paže-hlava, myosin vizuálně připomíná lidskou chůzi, jelikož obě hlavy se střídají.

Množství spotřebovaného ATP je samozřejmě úměrné svalové práci. Tento významný poznatek se nazývá Fennův efekt.

To s jakou počáteční silou bude kontrakce na molekulární úrovni probíhat závisí na délce protažení sarkomer. Největší sílu má při normálním protažení (cca 2 μm) a s jakoukoliv odchylkou se snižuje a to z následujících důvodů:

1) Při dalším prodlužování (d > 2 μm) dojde k rozšíření proužků I a H a zkrácení proužku A. Respektive zmenší se plocha, na které se těžká a lehká filamenta překrývají, takže vzniká mnohem méně vazeb mezi aktivními místy a myosinovými hlavami.

2) Při dalším zkracování (d < 2 μm) dojde k zkracování proužku I. Část myosinových hlav tak nemůže být využita k vazbě na aktivní místo lehkých řetězců, jelikož již dosáhly své maximální polohy.

Jinými slovy, pokud dojde k jakémukoliv odchýlení od ideální délky sarkomery, je vždy část myosinových hlav nevyužita. Při prodloužení kvůli zmenšení plochy překryvu, při zkrácení kvůli dosažení konečné polohy.

_

Spřažení excitace a kontrakce

Dříve než začneme diskutovat o samotném spřažení excitace a kontrakce, je nutné zmínit základní uspořádaní nervosvalové ploténky a vzájemné vztahy na tomto speciálním aparátu pro převod vzruchů.

Nervosvalová ploténka

Svalová vlákna jsou inervována cholinergními alfamotoneurony z předních rohů míšních. Na sarkolemu svalového vlákna jsou axony těchto neuronů zapojeny speciálním aparátem zvaným neuromuskulární junkce, neboli nervosvalová ploténka. Z morfologického hlediska se jedná o povrchovou invaginaci bouttons terminoux axonu do sarkolemy svalového vlákna, která je shora překryta Schwanovými buňkami. Membrána nervového terminálu je od sarkolemy oddělena synaptickou štěrbinou širokou asi 20 nm – membrány tedy nepřicházejí do přímého kontaktu. Tato štěrbina není zcela prázdná, ale nachází se v ní řídce propletená síť nejrůznějších proteinů, mnohé s enzymatickou aktivitou. Zvláštností jsou další četné drobné invaginace na povrchu sarkolemy v oblasti svalové ploténky, které se nazývají subneurální štěrbiny. Jejich úkolem je pravděpodobně zvětšovat plochu sarkolemy zavzaté do neuromuskulární junkce. Ta je totiž bohatá na tzv. nikotinové receptory, které zprostředkují převod vzruchu z nervu na sval. Axonový terminál je pak zvláště bohatý na mitochondrie, které produkují ATP na syntézu acetylcholinu v cytoplazmě terminálu. Nervový terminál obsahuje kromě mitochondrií i synaptická vezikula v aktivní zóně.

Aktivní zóna je modifikovanou částí membrány, která sousedí se synaptickou štěrbinou. Obsahuje molekulárně biologický aparát pro vylití synaptických vezikul a už v inaktivním stavu váže několik vezikul připravených exocytóze. Synaptická vezikula ve svém nitru nesou kvantum neurotransmiteru. Kvantum je minimální množství, které může presynaptický terminál uvolnit. Počet uvolněných kvant závisí na frekvenci a počtu akčních potenciálů, které dorazí k zakončení axonu. Jakmile akční potenciál depolarizuje membránu otevřou se kalciové kanály a vápenaté kationty začnou po svém koncentračním gradientu difundovat do cytoplazmy terminálu. Počet vylitých synaptických vezikul (kvant) je přímo úměrný počtu otevřených kalciových kanálů.

Acetylcholin difunduje synaptickou štěrbinou a váže se na sarkolemě na nikotinové receptory. Ty lze klasifikovat jako ionotropní receptory řízené ligandem. Jedná se v podstatě o kationtové kanály propustné pro Na+ a Ca2+ (v omezené míře též pro K+). Jejich základní dělení rozlišuje muskulární typ – NM receptor, který je přítomen právě na nervosvalové ploténce, a neuronální typ – NN receptor, jenž nacházíme ve všech vegetativních gangliích na membráně postsynaptického terminálu v PNS. Aktivací nikotinových receptorů, tak dochází k depolarizaci sarkolemy a při dostatečně silném podnětu způsobí akční potenciál.

Svalový akční potenciál

Svalové vlákno má mnohem větší průměr než vlákno nervové, ve skutečnosti příliš velký na to, aby se akční potenciál rozšířil i na membránové organely v blízkosti myofibril, zejména pak na membránu sarkoplazmatického retikula. Proto vznikl systém T – tubulů (“T” je pro anglické transverse, tedy příčné). Tyto tubuly jsou dlouhé invaginace sarkolemy, které se vzájemně spojují a zase větví. Tvoří tak složitý systém připomínající labyrint napříč celým objemem sarkoplazmy. Probíhají v blízkosti každé myofibrily. Funkčně úzce souvisí se sarkoplazmatickým retikulem, které jsme již výše několikrát zmínili. Jedná se o modifikované endoplazmatické retikulum, které má molekulární výbavu na vytváření značné vnitřní koncentrace kalcia navzdory vysokému kocentračnímu gradientu. Na svém povrchu vystavuje dihydropyrimidový receptor, který reaguje na změny membránového potenciálu, jež rozvádí systém T – tubulů. Dihydropyrimidový receptor je spřažen s kalciovým kanálem, který se nazývá ryanidový receptorový kanál. Při jeho aktivaci dojde k nárůstu permeability pro vápenaté ionty a k jejich uvolnění do sarkoplazmy, kde se velmi rychle váží na troponin C.

Svalová kontrakce pokračuje tak dlouho, dokud zůstává kalcium v dostatečně vysoké koncentraci v sarkoplazmě. Na membránách sarkoplazmatického retikula se nachází kalciová pumpa, která za spotřeby ATP kontinuálně pumpuje kalcium zpět. Jedná se o velmi výkonnou ATPázovou pumpu, neboť dokáže zkoncentrovat kalcium i 10 000 krát. Jelikož je tato pumpa aktivní kontinuálně, kontrakce pokračuje, dokud je aktivní ryanidový receptorový kanál. Za fyziologických okolností tedy až do vyhasnutí signálu z alfamotoneuronu.

_

Charakteristika stahu celého svalu

Pokud popisujeme kontrakci celého svalu, nikoli pouze jednoho vlákna, tak můžeme rozlišit dva druhy stahů izometrický a izotonický.

Izometrický stah

Izometrický stah je takový stah, během kterého sval nemění svou délku, ale pouze napětí. Jedná se o koncept, který je relativně složitý, neboť do této doby jsme diskutovali pouze o tom, jak se zkracují sarkomery. Ve skutečnosti se zkrácení sarkomer nemusí projevit zkrácením délky, jelikož svalu může být mechanicky zabráněno délku změnit. Tento jen můžeme nejlépe demonstrovat na příkladu. Pokud se budete snažit “vší silou” zvednout tunové závaží, zcela jistě s ním nepohnete ani o píď, ale ucítíte ve svalech pnutí, a to bez jakékoliv změny jejich délky. Právě vykonáváte izometrický stah.

Izotonický stah

Izotonický stah je takový stah, během kterého sval nemění své napětí, ale pouze délku. Toto je naopak velmi prostý koncept. Izotonický stah je jakýkoliv prostý pohyb, při kterém pohybujeme se stálým závažím rovnoměrně rychle.

_

Kontrakce hladkého svalu

Kontrakce hladkého svalu se liší od kontrakce svalu příčně pruhovaného několika charakteristikami. Buňky hladkého svalu sice obsahují lehká a těžká filamenta, ale ta se poněkud liší svým složením. Lehká filamenta neobsahují troponin. Těžká filamenta jsou tvořena myosinem, stejně jako u příčně pruhovaného svalu, ale ten se svou molekulární strukturou odlišuje. ATPázová aktivita myosinu v hladkém svalu je podmíněna aktivací kalcium-kalmodulinového komplexu. Nejvýraznějším rozdílem je absence příčného pruhování, respektive uspořádání do sarkomer. Tento jev je dán tím, že lehká filamenta jsou přichycena k membráně pomocí, tzv. denzních tělísek, která jsou nahodile rozmístěna v membráně buňky hladkého svalu. Některá denzní tělíska jsou dokonce volně uložena v cytoplazmě. Jejich význam je dvojí:

1) Nahrazují Z disky příčně pruhovaného svalu

2) Některé z denzních tělísek v membráně jedné buňky jsou spojeny intercelulárními proteiny s denzními tělísky druhé buňky. Tak jsou denzní tělíska odpovědná za přenos síly z jedné buňky na druhou. Jinak řečeno, právě díky nim se tkáň složená z hladkého svalu kontrahuje jako jeden celek

Mezi lehkými filamenty, která jsou ukotvena v denzních tělíscích, jsou přichycena těžká filamenta. Vzniká tak kontraktilní aparát, který několikrát kříží dlouhou osu buňky pod různými úhly.

Kontrakce, která vychází z tohoto uspořádání lehkých a těžkých filament, působí na buňku silou ve více směrech. Vektor kontrakce příčně pruhovaného svalu byl rovnoběžný s dlouhou osou buňky.

Mechanismus kontrakce

Stejně jako v případě kosterního svalu je stah hladkého svalu iniciován influxem iontů kalcia. Vzhledem k tomu, že hladký sval obsahuje pouze rudimentárně vyvinuté sarkoplazmatické retikulum, nepochází většina iontů kalcia z vlastních buněčných zásob. V membráně hladké svaloviny jsou zanořeny napěťově řízené kalciové kanály, které se na adekvátní stimulus otevírají. Veškeré kalcium, které je ke kontrakci nutné tak pochází z extracelulární tekutiny.

Další rozdíl je ten, že namísto troponinu se ionizované kalcium váže na regulační protein zvaný kalmodulin. Tak vzniká kalcium-kalmodulinový komplex, který aktivuje myozinovou kinázu. Pouze touto interakcí je v hladkém svalu zahájená ATPázová aktivita myozinových hlav.

Dále již probíhá kontrakce stejným způsobem, jako u příčně pruhovaného svalu, dle mechanismu “walk-along”. Jakmile se sníží koncentrace kalcia v cytoplazmě, je aktivován enzym myosinová fosfatáza, která deaktivuje ATPázovou aktivitu myozinových hlav. Tím je ukončen cyklus, zanikají můstky mezi lehkými a těžkými filamenty a hladký sval postupně relaxuje.

Nervová a humorální kontrola kontrakce hladkého svalu

Adekvátním stimulem pro zahájení kontrakce v buňce hladkého svalu může být:

1) Nervový stimulus

2) Endokrinní stimulace

3) Změny okolí buněk

Nervový stimulus

Nervově svalová ploténka, kterou běžně nacházíme u příčně pruhovaného svalu, se u hladkého svalu nevyskytuje. Vlákna autonomního nervového systému, která inervují hladkou svalovinu, se difuzně větví v blízkosti buněk. V jejich průběhu nacházíme tzv. varikozity (neboli boutons en passant). Jedná se o ztluštělé útvary na axonu, které obsahují četné mitochondrie a molekulárně biologický aparát pro vylití kvant neurotransmiteru. Někdy je vzhled takového axonu popisován jako “korálky na niti”. V místě varikozit je přerušen kryt ze Schwannových buněk. Jednotlivé varikozity jsou často vzdáleny několik mikrometrů od vlastních buněk a celou tuto dráhu v interstitiu tkáně musí neurotransmiter překonat prostou difuzí.

Jak již bylo zmíněno, nervová vlákna inervující hladkou svalovinu pocházejí z autonomního nervového systému. Neurotransmitery jsou tedy noradrenalin u sympatických vláken a acetylcholin u vláken parasympatických. Buňky jsou často inervovány jak vlákny sympatiku tak parasympatiku. Obvykle platí, že tam, kde acetylcholin zvyšuje permeabilitu membrány pro vápenaté ionty, ji noradrenalin snižuje. Toto působení neurotransmiteru však není univerzální a je dáno receptory, které na svém povrchu daná svalová buňka exprimuje. Vždy ale platí, že neurotransmiter, který je pro danou buňku na základě její receptorové výbavy excitační, depolarizuje membránu. Nachází-li se v okolí hladkého svalu v dostatečné koncentraci, dojde ke vzniku membránového akčního potenciálu. Tato prudká elektrická změna otevírá napěťově řízené kalciové kanály a následně vede ke spřažení excitace a kontrakce. Vtékající kalcium dále moduluje tvar akčního potenciálu. Pokud bychom zaznamenávali elektrické změny na membráně hladkého svalu, nalezneme různé tvary akčních potenciálů, které mohou mít fázi plató, různě se vlnit, nebo naopak být velmi podobné klasickému akčnímu potenciálu na nervovém vlákně.

Endokrinní stimulace

Většina hormonů, které jsou unášeny krevním proudem, více čí méně ovlivňuje kontrakci hladkého svalu. Nejvýznamnějšími jsou adrenalin a noradrenalin, které se přímo váží na receptory pro nervovou stimulaci. Dalšími významnými působky jsou angiotenzin, endotelin, ADH, oxytocin, serotonin  a histamin. Jejich efekt (respektive citlivost dané tkáně) je vždy dán počtem a typem exprimovaných receptorů. Obecně však angiotenzin, endotelin, ADH, oxytocin i serotonin působí kontrakci hladké svaloviny. Histamin naopak navozuje vazodilataci.

Mechanismus účinků těchto hormonu lze shrnout následujícím způsobem: Buňky hladkého svalu na své membráně vystavují hormonálně řízené receptory. Ty jsou dvojího typu excitační, nebo inhibiční. Pokud je receptor spřažen s iontovým kanálem, je jeho aktivací docíleno změny membránového potenciálu buňky hladkého svalu. Otevřený kanál totiž umožní migraci náboje napříč membránou. V případě excitačních receptorů jsou obvykle aktivovány sodíkové kanály, čím dojde k depolarizaci a vzniku akčního potenciálu. Tato změna je okamžitá a vede k aktivací dalších kanálu, které jsou otevírány napětím (zejména pak napěťově řízených kalciových kanálů). Inhibiční působení hormonů je obvykle zprostředkováno receptory, které sodíkové kanály zavírají nebo snižují permeabilitu membrány pro ionty kalcia. V některých případech dochází i k otevření draselných kanálů. Tento děj provází hyperpolarizace membrány, což stěžuje vznik akčních potenciálů, jelikož membránový potenciál je posunut do zápornějších hodnot (a tak vzdálen prahu). Některé hormonálně řízené receptory jsou spřaženy přímo s kalciovými kanály. V takovém případě dojde k okamžité kontrakci a na membráně vůbec nemusí dojít k zažehnutí akčního potenciálu. A konečně je možné i působení přes druhé posly, které spouští složité intracelulární kaskády, čímž mohou inhibovat aktivaci kalciových kanálů nebo jí naopak facilitovat. Mějte vždy na paměti, že efekt hormonů je zcela závislý na receptorové výbavě dané buňky.

Změny okolí buněk

Některé buňky hladkého svalu, jako například ty, které nalézáme u arteriol a prekapilarních sfinkterů, nejsou inervovány vlákny autonomního nervového systému. Jejich kontrakci často nelze vysvětlit ani hormonálním působením. Zvláště pak svalové buňky drobných cév reagují na aktuální složení okolí. A to následujícími způsoby:

1) Při hypoxii (snížené množství kyslíku) okolní tkáně dojde k vazodilataci. Tím je zabezpečeno zvýšení přísunu kyslíku do dané tkáně. Jedná se o princip, který je univerzální s jedinou výjimkou a tou jsou kapiláry plic, které se naopak kontrahují v zájmu zabezpečení ideálního poměru ventilace a perfúze

2) Při hyperkapnii (zvýšení parciálního tlaku oxidu uhličitého) nebo snížení pH okolní tkáně dojde k vazodilataci. Tento mechanismus zvyšuje krevní průtok a tím umožňuje efektivní odstraňování metabolitů (CO2, laktát, apod.)

3) A konečně při hyperkalcemii dochází ke kontrakci hladkého stavu. Nejedná se však o fyziologický jev, ale spíše o patologický projev závislosti buněk hladkého svalu na extracelulárním kalciu. Tyto hyperkalcemií indukované kontrakce mohou postihnout i svalovinu střev a způsobit úporné bolesti

Autoři podkapitoly: Josef Fontana a Patrik Maďa

cc-by-sa