Svalová kontrakce
Obsah boxu
Šablona:Infobox biologický proces Svalová kontrakce (též svalový stah) je základní proces, při kterém dochází ke zkrácení nebo napnutí svalu, což vede ke generování mechanické síly. Tento děj je nezbytný pro veškerý pohyb organismu, od lokomoce (chůze, běh) přes jemné motorické úkony (psaní) až po vitálně důležité funkce, jako je činnost srdce nebo dýchání. Jedná se o komplexní, energií řízený proces na molekulární úrovni, který je precizně regulován nervovým systémem.
Základem svalové kontrakce u obratlovců je **teorie posuvných filamentů** (sliding filament theory), která popisuje, jak se tenká aktinová a tlustá myosinová vlákna (filamenta) zasouvají mezi sebe, čímž dochází ke zkrácení základní funkční jednotky svalu, sarkomery. Tento proces je závislý na přítomnosti iontů vápníku (Ca²⁺) a energii dodávané molekulou ATP.
🔬 Molekulární mechanismus
Celý proces svalové kontrakce se odehrává uvnitř svalových vláken v jejich podjednotkách zvaných myofibrily. Ty jsou složeny z opakujících se úseků – sarkomer.
🏗️ Struktura sarkomery
Sarkomera je základní kontraktilní jednotka příčně pruhovaného svalu. Je ohraničena dvěma Z-disky, na které jsou ukotvena tenká aktinová filamenta. Mezi nimi se nacházejí tlustá myosinová filamenta, která jsou ukotvena ve středu sarkomery (v M-linii). Překryv aktinových a myosinových filament vytváří pod mikroskopem charakteristické světlé (I-proužky) a tmavé (A-proužky) pruhování.
- Tlustá filamenta: Jsou tvořena především proteinem myosinem. Každá molekula myosinu má "ocas" a dvě globulární "hlavy", které mohou interagovat s aktinem. Tyto hlavy fungují jako motory, které pohánějí kontrakci.
- Tenká filamenta: Skládají se hlavně z proteinu aktinu, který tvoří dvojitou šroubovici. Na aktinových filamentech se nacházejí dva regulační proteiny:
* Tropomyosin: Vláknitý protein, který v klidovém stavu blokuje vazebná místa pro myosin na aktinu. * Troponin: Komplex tří proteinů, který je navázán na tropomyosin. Jedna z jeho podjednotek (troponin C) má vysokou afinitu k iontům vápníku.
🔄 Cyklus příčných můstků
Svalová kontrakce je cyklický proces, při kterém myosinové hlavy interagují s aktinovými filamenty. Tento cyklus lze rozdělit do několika kroků:
1. Aktivace a vazba vápníku: Impuls z motorického neuronu způsobí uvolnění iontů vápníku (Ca²⁺) ze sarkoplazmatického retikula do sarkoplazmy. Ionty Ca²⁺ se navážou na troponin C. 2. Odkrytí vazebných míst: Vazba Ca²⁺ na troponin způsobí konformační změnu celého troponin-tropomyosinového komplexu. Tropomyosin se posune a odkryje tak na aktinu vazebná místa pro myosinové hlavy. 3. Vznik příčného můstku: Aktivovaná myosinová hlava (která již hydrolyzovala ATP na ADP a anorganický fosfát Pᵢ) se pevně naváže na odkryté místo na aktinu. Vzniká tzv. příčný můstek. 4. Silový záběr (Power Stroke): Po navázání se uvolní anorganický fosfát (Pᵢ) a následně i ADP. Tato změna způsobí "ohnutí" myosinové hlavy, která s sebou táhne aktinové filamentum směrem ke středu sarkomery. Tím dochází ke zkrácení sarkomery. 5. Uvolnění můstku: Na myosinovou hlavu se naváže nová molekula ATP. Tato vazba způsobí oslabení spojení mezi myosinem a aktinem a myosinová hlava se odpojí. 6. Reaktivace myosinové hlavy: Myosinová hlava hydrolyzuje ATP na ADP a Pᵢ, čímž získá energii a vrátí se do původní, "natažené" polohy, připravená na další cyklus.
Tento cyklus se opakuje, dokud je v sarkoplazmě dostatečná koncentrace Ca²⁺ a ATP.
🧘 Relaxace svalu
Když nervová stimulace ustane, ionty vápníku jsou aktivně pumpovány zpět do sarkoplazmatického retikula pomocí Ca²⁺-ATPázové pumpy. Pokles koncentrace Ca²⁺ v sarkoplazmě způsobí, že se vápník uvolní z troponinu. Tropomyosin se vrátí do své původní polohy a opět zablokuje vazebná místa na aktinu. Tím se zabrání tvorbě dalších příčných můstků a sval relaxuje (pasivně se vrací do původní délky).
⚡ Energetické zdroje kontrakce
Svalová kontrakce je energeticky velmi náročný proces. Hlavním a jediným přímým zdrojem energie je ATP. Jeho zásoby ve svalu jsou však velmi malé a vystačí jen na několik sekund intenzivní činnosti. Proto musí být ATP neustále obnovováno několika způsoby:
1. Kreatinfosfátový systém: Nejrychlejší zdroj obnovy ATP. Kreatinfosfát (CP) předává svou vysokoenergetickou fosfátovou skupinu na ADP, čímž vzniká ATP. Tento systém poskytuje energii pro maximální výkon po dobu asi 10–15 sekund (např. sprint). 2. Anaerobní glykolýza: Rozklad glukózy (ze svalového glykogenu nebo z krve) bez přístupu kyslíku. Produkuje ATP rychle, ale méně efektivně. Vedlejším produktem je kyselina mléčná (laktát), jejíž hromadění přispívá k únavě svalů. Tento systém dominuje při intenzivní zátěži trvající desítky sekund až několik minut. 3. Aerobní respirace (oxidativní fosforylace): Nejpomalejší, ale nejúčinnější způsob tvorby ATP. Probíhá v mitochondriích za přítomnosti kyslíku a jako palivo využívá glukózu, mastné kyseliny a aminokyseliny. Je hlavním zdrojem energie pro vytrvalostní aktivity a klidový stav.
⚙️ Typy svalových kontrakcí
Svalové kontrakce lze dělit podle toho, zda se mění délka svalu nebo jeho napětí.
- Izotonická kontrakce: Napětí ve svalu zůstává konstantní, ale mění se jeho délka.
* Koncentrická kontrakce: Sval se zkracuje a překonává odpor (např. zvedání činky). Síla generovaná svalem je větší než vnější odpor. * Excentrická kontrakce: Sval se prodlužuje, přestože je aktivován. Brzdí pohyb (např. pomalé pokládání činky). Síla generovaná svalem je menší než vnější odpor. Tento typ kontrakce často způsobuje mikrotraumata ve svalu a následnou svalovou bolest (DOMS).
- Izometrická kontrakce: Délka svalu se nemění, ale roste v něm napětí. Sval generuje sílu, ale nepřekonává vnější odpor (např. tlačení do zdi nebo držení těžkého předmětu v jedné poloze).
Většina pohybů v běžném životě je kombinací těchto typů kontrakcí.
🧠 Nervosvalová regulace
Svalová kontrakce je řízena centrálním nervovým systémem. Každé svalové vlákno je inervováno jedním motorickým neuronem. Spojení mezi neuronem a svalovým vláknem se nazývá nervosvalová ploténka.
1. Přenos signálu: Akční potenciál (nervový vzruch) dorazí na konec motorického neuronu. 2. Uvolnění neurotransmiteru: To spustí uvolnění neurotransmiteru acetylcholinu do synaptické štěrbiny nervosvalové ploténky. 3. Aktivace svalového vlákna: Acetylcholin se naváže na receptory na membráně svalového vlákna (sarkolemě), což způsobí její depolarizaci a vznik svalového akčního potenciálu. 4. Šíření vzruchu: Akční potenciál se šíří po sarkolemě a do nitra buňky pomocí systému T-tubulů. 5. Uvolnění vápníku: Vzruch v T-tubulech aktivuje napěťově řízené kanály v membráně sarkoplazmatického retikula, což vede k masivnímu uvolnění Ca²⁺ iontů do sarkoplazmy a spuštění cyklu příčných můstků.
Síla svalové kontrakce je regulována dvěma hlavními mechanismy:
- **Frekvencí stimulace:** Zvýšením frekvence akčních potenciálů dochází k sumaci stahů, což vede k silnější a plynulejší kontrakci (tetanický stah).
- **Počtem zapojených motorických jednotek:** Motorická jednotka je soubor svalových vláken inervovaných jedním motorickým neuronem. Pro jemný pohyb se aktivují malé motorické jednotky, pro silový pohyb se rekrutují další a větší motorické jednotky.
🩺 Klinický význam
Poruchy svalové kontrakce jsou příčinou mnoha onemocnění.
- Rigor mortis (posmrtná ztuhlost): Po smrti se zastaví produkce ATP. Myosinové hlavy zůstanou pevně navázané na aktin, protože k jejich uvolnění je potřeba nová molekula ATP. To způsobuje ztuhnutí svalů.
- Svalová křeč: Nechtěná, bolestivá a prodloužená svalová kontrakce, často způsobená dehydratací, minerální nerovnováhou (nedostatek hořčíku, draslíku) nebo přetížením.
- Myasthenia gravis: Autoimunitní onemocnění, při kterém tělo produkuje protilátky proti acetylcholinovým receptorům na nervosvalové ploténce. To narušuje přenos signálu a způsobuje svalovou slabost.
- Svalová dystrofie: Skupina genetických onemocnění charakterizovaných progresivní slabostí a degenerací svalových vláken, často kvůli chybějícím nebo defektním strukturálním proteinům.
🧑🏫 Pro laiky: Jak funguje sval?
Představte si sval jako soubor mnoha tenkých lanek (svalových vláken). Uvnitř každého lanka jsou dva typy ještě tenčích provázků, které leží vedle sebe – jeden tlustší (myosin) a jeden tenčí (aktin).
Tlustší provázek (myosin) má na sobě spoustu malých háčků (myosinové hlavy). Když dostane sval povel z mozku, tyto háčky se aktivují. Povel z mozku je jako chemický signál (vápník), který odemkne místa na tenčím provázku (aktinu), kam se háčky mohou zachytit.
Jakmile jsou místa odemčena, háčky se bleskově zachytí za tenčí provázek a silou ho přitáhnou k sobě. Je to podobné, jako když mnoho lidí táhne za jedno lano. Poté se háčky pustí, vrátí se do původní polohy, znovu se zachytí o kousek dál a opět potáhnou. Tento proces se opakuje velmi rychle a mnohokrát za sekundu.
Tím, jak se miliony těchto háčků v celém svalu synchronizovaně zatahují, se tenčí a tlustší provázky zasouvají mezi sebe a celé lanko (svalové vlákno) se zkrátí. Když se zkrátí dostatek těchto lanek, zkrátí se i celý sval a vykoná pohyb – například ohnutí paže. Celý tento proces vyžaduje spoustu energie, kterou sval získává z potravy, podobně jako auto potřebuje benzín.