Cellular

Svalový myocyt je buňka, která se diferencovala pro specializovanou funkci kontrakce. Ačkoli buňky srdečního, kosterního a hladkého svalu mají mnoho společných funkcí, nemají všechny shodné vlastnosti, anatomické struktury ani mechanismy kontrakce.

Myocyt kosterního svalu

Myoblasty kosterního svalu (progenitorové myocyty) se diferencují a spojují do vícejaderných svalových vláken zvaných myofibrily, které se chovají jako celek. Tyto myofibrily se zase skládají z překrývajících se silných a tenkých vláken (myofilament), která jsou uspořádána podélně do sarkomer. Zkrácení nebo kontrakce kosterních svalových vláken je tedy výsledkem zkrácení sarkomer. Silná filamenta jsou tvořena myozinem, což je bílkovinný polypeptid. Každá molekula myosinu má dvě globulární hlavy, které se podílejí na kontrakci prostřednictvím vazby tenkých filament. Tenká vlákna zahrnují aktin (obsahuje vazebné místo pro myozinové hlavičky), tropomyozin a troponin (má tři podjednotky: troponin T, troponin I a troponin C). Tyto sarkomerové struktury dávají kosternímu svalu jeho příčně pruhovaný vzhled a jsou dobře viditelné při elektronové mikroskopii.

Kosterní myocyty také obsahují struktury zvané T tubuly, které jsou rozšířením plazmatické membrány myocytu. Jsou otevřené do extracelulárního prostoru a jejich funkcí je přenášet depolarizační potenciály do intracelulárního prostoru, což umožňuje koordinované kontrakce. T tubuly také obsahují dihydropyridinové receptory, které jsou nezbytné pro kontrakci po excitaci myocytu. Sarkoplazmatické retikulum (SR) je základní strukturou myocytu kosterního svalu. Je místem skladování a regulace vápníku (Ca2+) v myocytu. SR obsahuje terminální cisterny, které se mechanicky spojují s T tubuly a napěťově citlivými ryanodinovými receptory, což jsou kanály uvolňující Ca2+. SR má také Ca2+ -ATPázový kanál, který po excitaci pumpuje Ca2+ zpět do SR z intracelulárního prostoru. V kosterním svalu váže jeden T kanálek dvě terminální cisterny v triádovém uspořádání.

Nejoblíbenějším modelem pro pochopení svalové kontrakce je model posuvných vláken, který popisuje zkracování sarkomer opakovanými interakcemi myozin/aktin. Během každé interakce pracují hlavy myozinu na přiblížení sousedních volných konců aktinu ke středu sarkomery. V klidovém myocytu kosterního svalu tropomyosin blokuje vazebná místa myosinu na aktinu.

1. Když výrazný depolarizační potenciál konce motorické destičky překoná práh kosterního myocytu, buňka vystřelí akční potenciál.
2. Tento depolarizační potenciál se šíří do T tubulů a způsobuje konformační změnu dihydropyridinových receptorů.
3. Mechanicky spřažené terminální cisterny také projdou konformační změnou, což vyvolá uvolnění Ca2+ ze SR a zvýšenou intracelulární koncentraci Ca2+.
4. Ca2+ se váže na troponin C, což způsobí konformační změnu troponinu, která přesune tropomyosin z vazebného místa pro myosin na aktinu. Poznámka: v přítomnosti Ca2+ zůstává troponin C v této konfiguraci a ponechává vazebné místo pro myosin na aktinu volné pro interakci s myosinem.
5. Na myosin se zpočátku neváže žádný adenosintrifosfát (ATP), což způsobuje vazbu myosinu na aktin (trvalý nedostatek ATP způsobuje trvalou interakci myosinu a aktinu a je mechanismem stojícím za rigor mortis).
6. ATP pak naváže myosin a myosin se disociuje s aktinem.
7. Hydrolýza tohoto navázaného ATP na ADP plus anorganický fosfát vyvolá změnu myosinu do „kohoutkové polohy“. Poznámka: na myosinu zůstává navázán pouze ADP.
8. Hlava myosinu pak interaguje s aktinem v jiném vazebném místě.
9. ADP se z myosinu uvolní a způsobí další změnu, jejímž výsledkem je „silový tah“. V této chvíli je myosin vázán na aktin a bez dalšího ATP zůstane vázán.
10. Další molekula ATP váže myosin. Cyklus pokračuje, sarkomera se zkracuje, protože myozin klouže po aktinu.

Relaxace nastává, když dojde k poklesu vzruchů na konci motorické destičky, poklesu akčních potenciálů a repolarizaci myocytu. Ca2+ se sekvestruje zpět do SR pomocí Ca2+ -ATPázových pump, čímž se snižuje intracelulární . Tyto myocyty také obsahují Na+/Ca2+ výměníky na povrchu buňky, které využívají elektrochemický gradient Na+ k výměně Na+ do buňky výměnou za Ca2+ z buňky. Ca2+ se disociuje od troponinu C a tropomyosin opět blokuje vazebná místa myosinu na aktinu.

Několik klíčových bodů, které je třeba si uvědomit o sarkoméře na elektronovém mikroskopu, jsou následující. Sarkomera se objevuje mezi čarami Z a kontrakce se k těmto čarám Z přibližuje. Kontrakce vede ke zkrácení pásů H (pouze silná filamenta) i I (pouze tenká filamenta). Pás A (délka tlustého vlákna s překrývajícím tenkým vláknem) v sarkoméře zůstává vždy stejně dlouhý.

Následující body jsou pozoruhodné pro svalové kontrakce. Kosterní svalstvo je pod dobrovolnou kontrolou, s výjimkou reflexů a bránice při mimovolním dýchání. Dolní motorické neurony inervují tyto myocyty z míchy a reagují na neurotransmiter acetylcholin (ACh). Když se ACh naváže na své receptory na myocytu, je do buňky vpuštěn sodík (Na+), což způsobí výše zmíněnou depolarizaci. K maximálnímu svalovému napětí dochází při optimálním překrytí tlustých a tenkých vláken. To znamená, že všechny myozinové hlavičky mohou interagovat s aktinem. Pokud je svalové vlákno příliš natažené, interakce tlustých a tenkých vláken se snižuje. Navíc pokud se sval příliš zkrátí, velké myozinové hlavičky se navzájem vytěsní, čímž se interakce myofilamentů sníží. A konečně, maximální rychlost, kterou se svalové vlákno může stáhnout, se snižuje s rostoucí zátěží svalu.

Myocyt hladkého svalu

Podobně jako kosterní sval, i buňky hladkého svalu obsahují tlustá a tenká vlákna. Na rozdíl od kosterního svalu však tato myofilamenta nejsou uspořádána do podélných sarkomer a neobsahují troponin. Absence sarkomer, a tedy i absence pruhů, dala hladkému svalu jeho název. Myocyty hladkého svalu se spojují a vytvářejí tři typy svalů. Myocyty, které se smršťují jako samostatné jednotky, se nazývají vícejednotková hladká svalovina. Nacházejí se v oční duhovce nebo v chámovodech. Vícejednotková hladká svalovina je obvykle silně inervovaná a pod autonomní kontrolou. Hladké svalové buňky, které se stahují společně, se nazývají jednojednotková hladká svalovina. Jsou častější a mohou se vyskytovat v gastrointestinálním traktu, močovém měchýři a děloze.

Na rozdíl od vícejednotkové hladké svaloviny spolu jednojednotkové hladké svalové buňky vysoce komunikují za účelem koordinovaných kontrakcí. Tyto buňky jsou pod autonomní kontrolou a modulací hormony nebo neurotransmitery. A konečně, myocyty hladké svaloviny se mohou diferencovat na hladkou svalovinu cévní. Tyto buňky jsou také zodpovědné za regulaci krevního tlaku.

Mechanismus kontrakce hladkého svalstva se liší od mechanismu popsaného výše u kosterního svalstva. Podobně jako u kosterní svalové buňky je však rozhodujícím faktorem podílejícím se na svalové kontrakci zvýšení nitrobuněčné hmoty. Zvýšení nitrobuněčné hmoty v myocytu hladkého svalu může způsobit více mechanismů. Depolarizace myocytu po navázání ACh na jeho receptory na buněčném povrchu, což následně otevře napěťově řízené Ca2+ kanály typu L. Otevření Ca2+ kanálů na membráně myocytu sekundárně po vazbě hormonu nebo neurotransmiteru na jeho receptor (ligand-gated). Hormony nebo neurotransmitery vyvolávají uvolňování Ca2+ ze sarkoplazmatického retikula (SR) prostřednictvím inositol 1,4,5-trifosfátem (IP3) řízených Ca2+ kanálů. Bez ohledu na mechanismus zvýšení , zůstává následný mechanismus stejný.

1. Ca2+ váže molekulu zvanou kalmodulin.
2. Komplex Ca2+ a kalmodulinu následně aktivuje enzym zvaný kináza lehkých řetězců myozinu. (Kinázy slouží k fosforylaci).
3. Poté kináza lehkého řetězce myosinu fosforyluje (přidává fosfátovou skupinu) myosin.
4. Fosforylovaný myosin se váže na aktin a zahajuje kontrakci prostřednictvím výše zmíněného cyklu příčného přemostění v rámci kosterního svalu. Poznámka: Mechanismus využití ATP pro svalovou kontrakci v kosterním svalu je stejný jako v hladkém svalu.
5. Snížení intracelulární a zvýšená aktivita enzymu zvaného fosfatáza lehkého řetězce myozinu (odstraňuje fosfát z myozinu) způsobuje relaxaci.

Intrabuněčná klesá tím, že je čerpána zpět do SR pomocí ATPázových pump nebo Na+/Ca2+ výměníků na povrchu buňky.

Poznámka: Hormony, které vyvolávají kontrakci nebo relaxaci hladkého svalstva, tak činí modulací intracelulární nebo myozinové fosfatázy lehkého řetězce. Například oxid dusnatý poskytuje relaxaci zvýšením aktivity fosfatázy lehkého řetězce myozinu.

Myocyt srdečního svalu

Fyziologie srdečního myocytu je složitější než u kosterního nebo hladkého svalu, i když má některé podobnosti. Srdeční myocyt obsahuje sarkomery jako kosterní sval, je tedy příčně pruhovaný. Mechanismus zkracování svalového myocytu je stejný jako u výše zmíněného kosterního svalu. Srdeční myocyty mají jedinečné struktury, které jsou nezbytné pro správnou funkci srdce. Interkalární disky, které jsou přítomny na periferii buňky, udržují adhezi mezi myocyty. Gap junctions, které jsou přítomny v interkalárních discích, umožňují elektrickou komunikaci mezi buňkami. Rychlé šíření depolarizačního potenciálu mezi sousedními buňkami napomáhá koordinovaným kontrakcím, které jsou nezbytné pro přežití. Srdeční myocyty obsahují také T tubuly. Na rozdíl od kosterního svalu však jeden T tubulus váže jednu terminální cisternu v dyadovém uspořádání. V srdečních myocytech je přítomno sarkoplazmatické retikulum, které rovněž plní funkci zásobárny Ca2+.

Akční potenciál v srdečním myocytu je jedinečný. Skládá se z klidové fáze nazývané fáze 4, která je udržována propustností buňky pro draslík (K+) ven z buňky. Po fázi 4 následuje fáze 0, která je charakterizována rychlým vzestupem/depolarizací v důsledku otevření napěťově řízených Na+ kanálů a vtoku Na+ do buňky. Fáze 1 je počáteční repolarizace způsobená uzavřením Na+ kanálů a otevřením napěťově řízených K+ kanálů. Fáze 2 se nazývá fáze plateau. Ve fázi 2 vstupuje Ca2+ do buňky napěťově řízenými Ca2+ kanály, zatímco K+ nadále buňku opouští. Tato rovnováha vstupních a výstupních kationtů udržuje fázi plateau. Ve fázi 3 se kanály Ca2+ uzavírají a rychlý odtok přes otevřené kanály K+ vede k repolarizaci buňky.

Srdeční myocyt může přijímat podněty od kardiostimulačních buněk v SA nebo AV uzlu, Hisově svazku, větvích svazku nebo Purkyňových buňkách.

1. Akční potenciál z těchto buněk (obecně SA uzlu a AV uzlu), se šíří podél membrány srdečního myocytu do T-tubulů.
2. Ca2+ vstupuje do buňky během fáze 2 prostřednictvím Ca2+ kanálů typu L.
3. Vstup Ca2+ vyvolává uvolňování Ca2+ ze SR, jinak nazývané Ca2+-indukované uvolňování Ca2+.
4. Koncentrace Ca2+ se zvyšuje a může vázat troponin C a způsobit cyklování příčných můstků myozinu a aktinu zmíněné výše v části o kosterních myocytech.
5. K uvolnění dochází, když je Ca2+ přijímán do SR pomocí Ca2+-ATPázových pump nebo Na+/Ca2+ výměníků na buněčné membráně.

Napětí srdečního svalu a schopnost kontrakce je přímo úměrná intracelulární koncentraci Ca2+. Faktory, které zvyšují intracelulární Ca2+, tedy způsobují zvýšení kontrakční síly. Například při zvýšené srdeční frekvenci se Ca2+ začne hromadit v myocytu a výsledkem je také silnější srdeční kontrakce. Předtížení je termín pro enddiastolický objem (klasicky související s tlakem v pravé síni). Když srdeční komoru vyplní větší objem krve, myocyty se roztáhnou a výsledkem jsou silnější stahy. Tento jev se nazývá Frankův-Starlingův vztah a může souviset se zvýšením koncentrace Ca2+ vyvolaným protažením. Tento vztah odpovídá žilnímu návratu do srdce a srdečnímu výdeji ze srdce. Afterload je tlak, proti kterému se musí myocyty stahovat. Maximální rychlost kontrakce se snižuje se zvyšujícím se afterloadem

.