Mechanismus spřažení excitace a kontrakce zajišťuje spojení elektrické a mechanické činnosti srdce. Pokynem pro kontrakci myokardu je excitace buněk. Vzruch je pouze pokynem k mechanické práci srdce (ke kontrakci). Elektrické děje v myokardu představují pravidelnou rytmickou tvorbu vzruchů a jejich rozvedení po myokardu. Synchronizovaná činnost kardiomyocytů je zajišťována pomocí specializovaných spojů mezi buňkami, interkalárních disků. Interkalární disky obsahují desmozomy (pevné spojení) a nexy (elektrické spojení).
Základní stavební jednotkou příčně pruhované svalové tkáně srdeční je kardiomyocyt (srdeční svalová buňka) - elongovaná rozvětvující se buňka s jedním či dvěma jádry a velkým množstvím mitochondrií. Kardiomyocyty jsou vyplněny myofibrilami, které jsou paralelně uspořádány. Každá myofibrila je po délce rozdělena na sarkomery (nekontrahovaná měří 2,5 mm), které oddělují Z-linie. Do těchto linií jsou ukotvena aktinová myofilamenta. Úsek mezi Z-linií a začátkem tlustých myofilament se nazývá proužek I (izotropní). Oblast myozinových filament je označována jako proužek A (anizotropní).
Šíření vzruchu a role T-tubulů
Vlna depolarizace se rychle šíří po sarkolemě buněk pracovního myokardu a cestou T-tubulů se dostává do nitra buňky (T-tubuly jsou výběžky sarkolemy dovnitř buňky, v nichž je extracelulární prostor). Vlna depolarizace se rychle šíří po sarkolemě a cestou systému T-tubulů se dostává i do nitra buňky. Během fáze plató se otevírají Ca-kanály typu L a ionty Ca2+ začínají proudit do buňky ve směru koncentračního gradientu.
Dihydropyridinový receptor (DHPR) a vstup Ca2+
Během fáze plató se otevírají Ca2+ kanály (dihydropyridinové receptory) a Ca2+ ionty proudí ve směru svého koncentračního gradientu do buňky. Toto kalcium by ještě nestačilo vyvolat kontrakci, ale vzestup koncentrace Ca2+ iontů v cytosolu působí na Ca2+ dependentní ryanodinové receptory v sarkoplazmatickém retikulu a díky proudu Ca2+ iontů z SR se cytosolová koncentrace kalcia zvýší zhruba 100krát a může vyvolat svalovou kontrakci. Následně dochází ke vzestupu jejich koncentrace v cytosolu, což způsobí otevření Ca-kanálů v sarkoplazmatickém retikulu a cytosolová koncentrace Ca2+ vzroste asi stokrát.
Spouštěcí mechanismus kontrakce: vazba Ca2+ na kontraktilní aparát
Jakmile se Ca2+ ionty dostanou ke kontraktilním elementům, začnou se vázat na troponin a změna konformace troponin-tropomyozinového komplexu odblokuje na aktinových filamentech aktivní místa pro vytvoření vazby s hlavicemi myozinu (konkrétně se vláknitý tropomyozin zanoří hlouběji do rýhy mezi obě aktinová vlákna, takže přestane aktivní místa překrývat). ATP se naváže na myozin a štěpí se, avšak nedochází k uvolnění štěpných produktů. Výsledkem je uvolnění energie (aktin působí jako kofaktor pro uvolnění štěpných produktů) a následné ohnutí myozinové hlavice, které způsobí posun aktinových vláken po myozinových.
Kontrakce srdečního svalu vytváří sílu potřebnou k udržení průtoku krve tkáněmi. Základní mechanismy kontrakce srdečního a kosterního svalu jsou založené na stejném principu. Celý proces vyplavení Ca2+ do cytosolu a následné spuštění svalové kontrakce je velmi rychlý, od počátku depolarizace do zahájení stahu uplyne jen asi 60 ms.
Ukončení kontrakce a oběh Ca2+ iontů
Na konci fáze plató ustává proud Ca2+ iontů do buňky a Ca2+ kanály v SR se uzavírají, současně Ca2+ ATP-ázová pumpa ve stěně SR (SERCA 2) začne aktivně přečerpávat kalcium z cytosolu zpět do retikula. Část Ca2+ iontů je z buňky odstraněno prostřednictvím sarkolemového Ca2+-Na+ antipodu (sekundárně aktivní transport). Výsledkem je pokles cytosolové koncentrace Ca2+ a uvolnění Ca2+ iontů z vazby na troponin. Je zřejmé, že v kardiomyocytech musí fungovat koloběh kalciových iontů, které jsou střídavě k myofibrilám přiváděny a od nich čerpány.
Časový rámec a rychlost procesu
Celý proces vyplavení Ca2+ do cytosolu a následné spuštění svalové kontrakce je velmi rychlý, od počátku depolarizace do zahájení stahu uplyne jen asi 60 ms. Během fáze plató se otevírají Ca2+ kanály typu L a ionty Ca2+ začínají proudit do buňky ve směru koncentračního gradientu. Následně dochází ke vzestupu jejich koncentrace v cytosolu, což způsobí otevření Ca-kanálů v sarkoplazmatickém retikulu a cytosolová koncentrace Ca2+ vzroste asi stokrát.
Klíčové kroky spřažení excitace a kontrakce
- Depolarizace sarkolemy a šíření vzruchu T-tubuly do nitra buňky.
- Otevření DHPR (L-typ Ca2+ kanálů) během fáze plató a vstup Ca2+ z extracelulárního prostoru.
- Aktivace ryanodinových receptorů (RyR) v SR a masivní uvolnění Ca2+ z retikula (kalciový proud z SR).
- Vazba Ca2+ na troponin, změna konformace troponin-tropomyozinového komplexu a expozice aktinových vazebných míst.
- Interakce myozinu a aktinu, štěpení ATP a posun aktinových vláken - svalový stah.
- Reupakování Ca2+ do SR pomocí SERCA a odstranění přebytečného Ca2+ ze buňky přes Ca2+-Na+ antiport - relaxace.
| Krok | Hlavní molekula/struktura | Úloha |
|---|---|---|
| Depolarizace | Sarkolema, T-tubuly | Přenesení vzruchu do nitra buňky |
| Vstup Ca2+ | DHPR (L-typ Ca2+ kanály) | Spouští uvolnění Ca2+ ze SR |
| Uvolnění Ca2+ ze SR | Ryanodinové receptory (RyR) | Zvýšení cytosolového Ca2+ ~100× |
| Kontrakce | Troponin, myozin, aktin | Vazba Ca2+, cross-bridge cyklus |
| Relaxace | SERCA, Ca2+-Na+ antiport | Odstranění Ca2+ z cytosolu |
KITTNAR, Otomar. Lékařská fyziologie. 1. vydání. Praha : Galén, 2011. s.