Biochemie svalové buňky

1. Biochemie svalové buňky Pavla Balínová

2. Svalové buňky Funkce: převod energie chemických vazeb na mechanickou energii (z části i na tepelnou) • Kosterní svalstvo (příčně pruhované) • zákl. jednotkou je mnohojaderná buňka o délce několika cm (syncytium) • Hladké svalstvo (stěny cév, GIT, močový měchýř, děloha) • zákl. jednotkou je jednojaderná buňka vřetenovitého tvaru • Srdeční sval • zákl. jednotkou buňka (kardiomyocyt), často rozvětvená do tvaru Y s jedním jádrem • vedení vzruchů je zajišťováno převodním systémem srdečním

3. Submikroskopická struktura kosterního svalu Obrázek byl převzat z http://faculty.etcu.edu/currie/muscstruc.htm

4. Submikroskopická struktura kosterního svalu Obrázek byl převzat z http://faculty.etcu.edu/currie/muscstruc.htm

5. Sarkomera tmavý pruh světlý pruh Obrázek byl převzat z http://faculty.etcu.edu/currie/muscstruc.htm

6. Kontraktilní a regulační bílkoviny myofibrily Myosin tvoří tlusté (thick) filamentum (Mr = 460 000) • má vlastnosti fibrilárního i globulárního proteinu: 2 α helixové řetězce a 2 hlavice (globulární), hexamer • hlavice jsou schopné vázat a štěpit ATP Obrázek byl převzat z http://www.rpi.edu/dept/bebp/molbiochem/MBweb/mb2/part/myosin.htm

7. Kontraktilní a regulační bílkoviny myofibrily Proteiny tenkého (thin) filamenta Aktin • osa filamenta je tvořena aktinem: G-aktin (globulární) → nekovalentní spojením 2 G-aktinů → F-aktin (fibrilární) Tropomyosin – α-helixová bílkovina Troponin (Tn) • je heterotrimer složený ze 3 bílkovin: Tn C (váže Ca2+ ionty), Tn T (poutá celý útvar na tropomyosin) a Tn I (inhibuje ATPázu) Další proteiny: titin, aktinin, desmin, vimentin

8. Chemické reakce při kontrakci kosterního svalu • Klidový stav → stimul • nervový vzruch je přiváděn motoneuronem do nervosvalové ploténky • Ach jako mediátor se vylévá a váže na receptor • sarkolema a membrány jsou depolarizovány (vtok Na+ do svalového vlákna) • akční potenciál je přenášen přes T tubuly do SR • uvolnění Ca2+ iontů ze SR a z vněj. prostředí do sarkoplazmy (10-4 M) Obrázek byl převzat z http://www.mfi.ku.dk/ppaulev/chapter2/Chapter%202.htm

9. Chemické reakce při kontrakci kosterního svalu Akceptorem Ca2+ je Tn C→ změna konformace celého Tn komplexu → změna vazby Tn I na tropomyosin → toto vyvolá upoutání aktinu na hlavici myosinu → změna konformace hlavice → obrovský nárůst ATPázové aktivity → rozštěpení ATP na ADP a Pi → hlavice změní úhel vazby asi o 450 →svalový stah http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/150/neuro/c49x33muscle-cycle.jpg

10. Relaxace kosterního svalu • acetylcholinesteráza (ACHE) katalyzuje degradaci acetylcholinu v synaptické štěrbině • sarkolema a T-tubuly jsou repolarizovány • odpoutání Ca2+ iontů z Tn C • pumpování Ca2+ iontů do SR pomocí Ca2+/ATPázové pumpy • oddělení aktinu a myosinu (přerušení cross-bridges) • tropomyosin se vrací do původní polohy (na aktinu) • sarkomery se vrací do klidové polohy relaxace svalu

11. Energetický metabolismus kosterního svalu • ATP (adenosintrifosfát) - sarkoplazma má bezprostředně k dispozici ATP na 1 s intenzivní práce Zdroje ATP: • kreatinfosfát (konc. ve svalu je asi 4 mM) kreatinfosfát + ADP ↔ kreatin + ATP kreatinkináza (CK) • anaerobní glykolýza: produkce 2 ATP na 1 otočku • aerobní glykolýza + oxidační fosforylace • adenylátkináza katalyzuje reakci: ADP + ADP → AMP + ATP je významná při nedostatku kreatinfosfátu

12. Anaerobní zátěž • vzpírání nebo sprint = zátěž, kterou lze vykonat „na jeden dech“ • bílá svalová vlákna („rychlá“ vlákna II. typu) obsahují méně myoglobinu a mitochondrií než červená vlákna, ale jsou bohatá na glykogen, určená pro mohutnou, ale krátkou kontrakci • první 1 s svalové práce je zásobena z ATP přítomného v cytoplazmě, další sekundy jsou zásobeny z kreatinfosfátu, mezitím prudce narůstá rychlost anaerobní glykolýzy • glykogenolýza → Glc → anaerobní glykolýza → laktát • kumulace laktátu ve svalu → bolest a únava

13. Cyklus Coriových • laktát je uvolněn ze svalu → krev → játra → glukoneogeneze (syntéza Glc z laktátu) → Glc uvolněna do krve Obrázek byl převzat z http://web.indstate.edu/thcme/mwking/gluconeogenesis.html

14. Aerobní zátěž • cyklistika, maratónský běh • červená svalová vlákna („pomalá“ vlákna I. typu) mají vysoký obsah myoglobinu (váže O2) a mitochondrií, proto jsou důležitá pro aerobní zátěž, udržují stah po dlouhou dobu • pro zisk ATP slouží hlavně β-oxidace mastných kyselin (FA) → acetyl-CoA → CKC → dýchací řetězec + ox. fosforylace • s intenzitou zátěže stoupá energetická závislost na sacharidech

15. Metabolismus aminokyselin ve svalu • kosterní sval je schopen degradovat větvené aminokyselinyBCAA(Val, Leu, Ile) → uhlíkaté kostry těchto AA jsou využity v energetickém metabolismu (CKC) a –NH2 skupiny slouží pro syntézu Ala, Glu a Gln • Ala a Gln jsou uvolňovány do krev. oběhu (koncentrace Ala je asi 0.42 mM a Gln 0.65 mM) • Gln představuje hlavní transportní formu amoniaku v organismu • v játrech jsou Ala i Gln deaminovány a vzniklý amoniak je přeměňován na močovinu • alaninový cyklus

16. Kreatin a kreatinfosfát • kreatin je syntetizován z Gly, Arg a SAM v ledvinách a játrech → krev → ve svalu fosforylace (ATP) • kreatinfosfát je makroergní sloučenina • kreatinin (odpadní produkt) → moč makroergní vazba Obrázek byl převzat z http://www.medbio.info/Horn/Time%206/creatine_supplement.htm

17. Myoglobin (Mb) • monomerní hemoprotein složený ze 153 aminokyselin • schopen vázat O2 na Fe2+ hemu s mnohem větší afinitou než hemoglobin (Hb) Obrázky byly převzaty z http://en.wikipedia.org/wiki/Myoglobin a http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/structure/HbMb/mbhb_intro.htm

18. Hladký sval • hladký sval obsahuje méně myosinu (asi 30%) a více aktinových filament • hladký sval neobsahuje troponin, ale jemu podobný protein kalmodulin Obrázek byl převzat z http://people.eku.edu/ritchisong/301notes3.htm

19. Chemické reakce při kontrakci hladkého svalu myosinkináza (MLCK) fosforyluje lehké řetězce myosinu (hlavice) → vazba na aktin → stah Obrázek byl převzat z http://www.cvphysiology.com/Blood%20Pressure/BP026.htm

20. Srdeční sval • kardiomyocyt obsahuje velké množství mitochondrií a myoglobinu • vyžaduje výlučně aerobní metabolismus → nemůže pracovat na kyslíkový dluh, netvoří se laktát Zdroje energie: mastné kyseliny laktát Glc ketolátky Pyr Pyr acetyl-CoA → CKC → ox. fosforylace → ATP

21. Chemické reakce při kontrakci srdečního svalu zdrojem Ca2+ je extracelulární tekutina Obrázek byl převzat z http://www.cvphysiology.com/Cardiac%20Function/CF020.htm

22. Diagnostika V chemické diagnostice nemocí svalů se využívá: • kreatinkináza (CK) – CK-MM izoenzym (sval), CK-MB izoenzym (myokard) • aktivita CK-MB v krvi je přímo úměrná rozsahu tkáňového poškození • laktátdehydrogenáza (LD), aspartátaminotransferáza (AST) • po infarktu myokardu IM indikuje plazmatická hladina těchto enzymů rozsah zasaženého ložiska • troponin I = výborný marker pro stanovení akutního IM • myoglobin se uvolňuje do krve po poškození kosterního i srdečního svalu (př. crush syndrom) → moč