Lékařská fyziologie (Ukázka, strana 99)

3

Lékařská fyziologie Myofibrily jsou složeny z podélně orientovaných, vzájemně se dotýkajících, částečně interdigitujících aktinových a myozinových myofilament (viz obr. 3.1) a také dalších strukturálních proteinů, jako jsou titin a nebulin, a též z regulačních proteinů tropomyozinu a troponinu. Každá myofibrila je složena z přibližně 1500 myozinových a asi 3000 aktinových myofilament. Podélné uspořádání aktinových a myozinových filament vytváří charakteristické příčné pruhování viditelné ve světelném mikroskopu.

Důvodem je střídání úseků, kde vlákna aktinu a myozinu interdigitují (přesahují se), a úseků, kde oba typy vláken v kontaktu nejsou (obr. 3.3).

Světlejší proužek obsahuje pouze aktinová filamenta (I-proužek – izotropní k polarizovanému světlu), zatímco tmavší proužek (A-proužek – anizotropní k polarizovanému světlu) obsahuje uprostřed samotná myozinová filamenta (H-proužek), která se na jeho konci překrývají s aktinovými filamenty. Rovina, kde jsou myozinová filamenta rozbíhající se do opačných stran vzájemně ukotvena, je popisována jako M-linie. Obdobně je popisována i rovina pro ukotvení aktinových filament jako Z-linie.

Vzdálenost mezi Z-liniemi definuje délku sarkomery, která je funkční jednotkou svalu.

Při kontrakci se délka sarkomery zkracuje, stejně jako se zkracují i neinterdigitující úseky aktinu (I-proužek) a myozinu (H-proužek). V maximálně kontrahovaném stavu měří sarkomera 2 μm a myozinová filamenta jsou v celé své délce již kompletně překrytá aktinovými vlákny, která se v M-linii začínají vzájemně překrývat (viz dále).

V místech, kde se oba typy vláken přesahují (A-proužek mimo H-proužku), je každá myozinová fibrila obklopená šesti fibrilami aktinovými (obr. 3.1 uprostřed).

I

Z M

}H

A

VDUNRPHUD

I-SURXåHN

} M-linie

H-zóna

A-SURXåHN

Z

} Z-linie

Obr. 3.3 Schematické znázornění uspořádání sarkomery 94

Lékařská fyziologie.indd 94

13.12.2010 13:54:16 Ukázka elektronické knihy, UID: KOS214515

Fyziologie svalstva

3.1.3

3

Molekulární struktura kontraktilního aparátu

Podstatou kontrakce je vzájemná, kalciem řízená interakce mezi aktinovými a myozinovými filamenty vedoucí k vzájemnému posunu neboli klouzání aktinových a myozinových filament a tím ke zkracování svalu. Myozinové filamentum je složeno z asi 200 podélně naléhajících a vzájemně posunutých identických myozinových molekul (viz obr. 3.1), kterých je popisováno až patnáct tříd. Ve svalech se vyskytuje myozin typu II. Myozinová molekula (Mr = 480 000) je složená ze šesti polypeptidových řetězců (podjednotek): dvou těžkých (Mr = 200 000) a čtyř lehkých (Mr = 20 000). Na jedné protilehlé straně se těžké řetězce vzájemně obtáčejí a vytvářejí šroubovici ‒ tzv. chvost myozinové molekuly, zatímco na druhé protilehlé straně je každý řetězec svinutý do globulárního útvaru tvořícího dvě hlavy myozinu. Čtyři lehké řetězce se připojují ke každé hlavě po dvou a dotvářejí tak finální strukturu molekuly myozinu (viz obr. 3.1).

Paralelně orientované chvosty myozinových molekul vytvářejí tělo (tubus) myozinového filamenta. Myozinové hlavy jsou přes tzv. krček myozinu ohnuté od osy tubusu směrem ven a mohou být tak ve styku se sousedícími aktinovými filamenty. Krček je schopný se aktivně ohýbat jednak v místě opouštějící chvost myozinové molekuly a také v místě spojení s hlavou myozinu. První ohyb vysouvá hlavu s krčkem od osy myozinové myofibrily a přibližuje tak myozinovou hlavu k aktinu, druhý ohyb ohýbá přímo hlavu zakleslou již do aktinu a generuje miniaturní sílu vedoucí ke vzájemnému klouzání aktinu a myozinu a tedy ke kontrakci svalu. Hlavy myozinu mají oblast vázající aktin a také oblast katalyzující hydrolýzu ATP (viz dále).

Celková délka myozinového filamenta je vesměs uniformní a měří 1,6 μm, přičemž prvních 0,2 μm naléhající k M-linii je tvořeno jen myozinovým tubusem bez hlav.

Vzájemná vzdálenost mezi myozinovými hlavami dosahuje 7 nm. Spolu sousedící myozinové molekuly jsou radiálně pootočené o 60°, což umožňuje rovnoměrné rozmístění myozinových hlav kolem obvodu a podél celé délky tubusu myozinového myofilamenta.

Aktinové filamentum je struktura složená ze tří komponent: aktinu, tropomyozinu a troponinu (viz obr. 3.1). Páteří aktinového filamenta je dvojitá šroubovice nazývaná také F-aktin o délce 1 μm procházející podél celé jeho délky.

Stoupavost šroubovice F-aktinu je 36 nm a na jednu otočku připadá na každé šroubovici 14 G-aktinových molekul. Každá ze šroubovic je tvořena větším počtem (až 400) polymerizovaných molekul globulárního G-aktinu s relativní molekulovou hmotností Mr = 42 000 a průměru 7 nm. Každá molekula G-aktinu má aktivní místo (zónu), se kterou interaguje hlava myozinu. Systematické uspořádání G-aktinových molekul tak vytváří jednu aktivní zónu na každých 2,7 nm, čili rozmístění odpovídající rozestupu myozinových hlav.

Na aktinové filamentum naléhá další velmi důležitá molekula – tropomyozin s délkou 40 nm a relativní molekulovou hmotností Mr = 70 000. Tyto molekuly spirálně obalují obě šroubovice F-aktinu a ve stavu klidu jsou vysunuty tak, aby překrývaly aktivní místa F-aktinu a zamezovaly vytvoření aktino-myozinového komplexu.

Molekuly tropomyozinu jsou podél šroubovice F-aktinu pravidelně spojeny molekulami troponinu, skládajících se ze tří podjednotek. Každá podjednotka hraje specifickou roli v řízení aktivace aktino-myozinového komplexu. Troponin I má silnou afinitu k aktinu, troponin T k tropomyozinu a troponin C pro kalciové ionty (viz dále).

95

Lékařská fyziologie.indd 95

13.12.2010 13:54:17 Ukázka elektronické knihy, UID: KOS214515

3

Lékařská fyziologie

Díky rozdílné délkové periodě stoupavosti dvoušroubovice F-aktinu a délky tropomyozinu, umístění troponinových molekul podél F-aktinu postupně sleduje (omotává) F-aktinové filamentum a umožňuje tak rovnoměrné rozmístění troponinu podél celého aktinového filamenta.

Vzájemná vzdálenost mezi aktinovými a myozinovými filamenty je 13 nm.

Další v poslední době zmiňovanou strukturální molekulou je aktinin. Tato molekula (Mr = 190 000) kotví aktinová filamenta k Z-liniím. Velmi důležitou fibrilární strukturou je titin, což je obrovská (Mr = 3 000 000) molekula propojující Z- a M-linie a dodávající sarkomeře unikátní mechanické vlastnosti. Odpor této molekuly přirovnáváné k pružině roste s délkou natažení a chrání tak sval před neúměrným protažením. Kromě toho velké množství těchto molekul stabilizuje podélné uspořádání aktinu a myozinu a má se za to, že během ontogenetického vývoje poskytuje strukturální šablonu pro výstavbu kontraktilních filament.

Další, dnes již podrobně popsanou strukturou, je dystrofin-glykoproteinový komplex (Mr = 427 000), který kromě jiného poskytuje strukturální podporu myofibrilám.

Vytváří spojení aktinových vláken se sarkolemovým transmembránovým proteinem β-dystroglykanem, který je připojen k extracelulární matrix tvořící endomyzium.

Poruchy formace tohoto dystrofin-glykoproteinového komplexu jsou zodpovědné za řadu svalových dystrofií.

3.1.4

Molekulární podstata kontrakce

V současné době je přijímána teorie posuvu filament a teorie molekulárních generátorů síly. Proces, při kterém se kontraktilní složky ve svalu zkracují, je vlastně klouzáním (posunem) myozinových filament po filamentech aktinových. Jak již bylo řečeno, v klidovém stavu je interakci mezi aktinem a myozinem zabráněno vmezeřeným troponin-tropomyozinovým komplexem (viz obr. 3.1). Troponin-tropomyozinový komplex tedy tvoří „relaxační protein“, jenž při nízké koncentraci sarkoplazmatického Ca2+ brání kontrakci. Po uvolnění Ca2+ ze sarkoplazmatického retikula a z extracelulárního prostoru se jeho koncentrace v sarkoplazmě rychle zvyšuje. Iont Ca2+, jehož koncentrace v klidu je více než stonásobně nižší (10–7 mol/l), se rychle váže na podjednotku C-troponinu, což vede k její konformační změně a následnému vtažení tropomyozinové molekuly hlouběji do zářezů dvoušroubovice aktinového filamenta (viz obr. 5.43 a 5.44). To obnaží tropomyozinem překrytá aktivní místa aktinu a umožní tak vznik aktino-myozinového komplexu nebo aktino-myozinového můstku, mechanického spojení mezi hlavami myozinu a F-aktinovými molekulami. Výsledkem vzniklé vazby je okamžitá konformační změna myozinu způsobující ohnutí jeho krčku v oblasti spojení s hlavou asi o 45° a vzájemnému posunutí aktinu a myozinu (energie pro tuto konformační změnu je již v myozinu uskladněna z předchozí hydrolýzy ATP). Poté se z aktino-myozinového komplexu uvolní ADP, aniž by se tento komplex rozpojil.

K rozpojení komplexu a zpětnému vrácení krčku do původního úhlu a k oddálení hlavy myozinu od aktinu dochází až po opětovném navázání molekuly ATP na hlavu myozinu. To vede k okamžité hydrolýze ATP a konverzi uvolněné energie na mechanickou energii uskladňovanou do struktury krčku pro další kontrakci; myozinová hlava se v přítomnosti dostatečného množství Ca2+ opět naváže na aktin (na tentýž v případě izotonické kontrakce, nebo na další v případě kontrakce izometrické) a zahájí se nový cyklus kontrakce. Cyklus trvá několik setin sekundy a podobá se činnosti veslice.

96

Lékařská fyziologie.indd 96

13.12.2010 13:54:17 Ukázka elektronické knihy, UID: KOS214515