Biochemie svalové buňky

Pavla Balínová

Svalové buňkyFunkce: 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

Submikroskopická struktura kosterního svalu

Obrázek byl převzat z http://faculty.etcu.edu/currie/muscstruc.htm

Submikroskopická struktura kosterního svalu

Obrázek byl převzat z http://faculty.etcu.edu/currie/muscstruc.htm

Sarkomera

Obrázek byl převzat z http://faculty.etcu.edu/currie/muscstruc.htm

světlý pruh tmavý pruh

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

Kontraktilní a regulační bílkoviny myofibrily

Proteiny tenkého (thin) filamentaAktin • osa filamenta je tvořena aktinem: G-aktin (globulární) → nekovalentní spojením 2 G-aktinů → F-aktin (fibrilární)Tropomyosin – α-helixová bílkovinaTroponin (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

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

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

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

Energetický metabolismus kosterního svalu

•ATP (adenosintrifosfát)- sarkoplazma má bezprostředně k dispozici ATP na 1 s intenzivní práceZdroje 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

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

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

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

Metabolismus aminokyselin ve svalu

• kosterní sval je schopen degradovat větvené aminokyseliny BCAA (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

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

Obrázek byl převzat z http://www.medbio.info/Horn/Time%206/creatine_supplement.htm

makroergní vazba

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

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

Chemické reakce při kontrakci hladkého svalu

Obrázek byl převzat z http://www.cvphysiology.com/Blood%20Pressure/BP026.htm

myosinkináza (MLCK) fosforyluje lehké řetězce myosinu(hlavice) → vazba na aktin → stah

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

Chemické reakce při kontrakci srdečního svalu

Obrázek byl převzat z http://www.cvphysiology.com/Cardiac%20Function/CF020.htm

zdrojem Ca2+ je extracelulární tekutina

DiagnostikaV 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