Pohybová soustava (svaly)

Zdravím. Nachytali jste mě, jak posiluji. Naposledy jsem posiloval během rychlokurzu, kde jsme také mluvili o tom, jak je posilování možné díky buněčnému dýchání. Je to proces, který naše buňky používají k získání a skladovaní energie z jídla, které jíme. Vzpomínáte? Staré dobré časy. To, co jsme se už naučili, je také hodně užitečné pro pochopení soustavy orgánů, kterou používáme k růstu našich svalů, k chůzi, k používání příboru a k parkuru a k hraní Assassin's Creed, obecně k pohybu. Samozřejmě mluvím o vašich svalech, se kterými byste nemohli hýbat bez pomoci té samé molekuly, kterou vaše buňky používají ke všem procesům v těle. Starý dobrý adenosin trifosfát. Vaše svaly možná jsou nejvýraznější pohybující se částí těla, ale jako se vším, co stojí za učení, je tento systém mnohem složitější a mnohem zajímavější než na první pohled vypadá. Jo! Proč? Díky chemii. (veselá znělka) Svalová soustava Když přemýšlíte o svalech, myslíte většinou tyto svaly na rukou, ale ve skutečnosti máte tři druhy svalů v těle. Máte tedy srdeční sval, který je odlišný od všech ostatních. Potom máte hladké svaly, které jsou zodpovědné za většinu vůlí neovladatelných procesů, jako je pohyb jídla zažívacím traktem, a také pohyb krve skrz vaše tepny, což je velmi důležité. Potom máme svaly, které znáte nejlépe, a to kosterní svalstvo. Velký hýžďový sval nebo žvýkací sval na žvýkání všeho možného. Také abduktor pollicis brevis, sval u palců, jinak také sval na hraní počítačových her. Důležité pro hru Assasin's Creed. To jsou některé z 640 kosterních svalů, které máte. Tyto svaly, stejně jako všechny ostatní, jsou dobré pouze na dvě věci. Na stahování, aby se zkrátily, a na zpětné uvolnění na jejich odpočinkovou délku. To je všechno, co svaly dělají. Stahují se a uvolňují. Je úžasné, že díky tomu můžete být třeba balerínou. Kdybyste odkryli moji kůži a koukli byste se na můj sval, nedělejte to, ale kdybyste to udělali, viděli byste, že se ve středu rozšiřuje, v místě, které se jmenuje svalové bříško, a že pokračuje na obě strany a končí šlachou. Šlachy jsou z vláknité bílkoviny, většinou z kolagenu, který spojuje sval a kost. Poznámka stranou, chrupavky jsou stejné jako šlachy, ale spojují kost ke kosti. Tato svalová pojiva se natahují přes jedno nebo více spojení. V tomto případě se natahují přes můj loket, takže jedna kost se může pohybovat ke druhé. Takže teď jsem pohnul rukou a zároveň pohybuji ústy, vlastně se teď pohybuji celým svým tělem, a otázka zní, jak to dělám? Jak pohybuji všemi těmito věcmi tímto zvláštním plynulým způsobem? Jak jsem schopný dělat tohle všechno? To je bohužel trochu komplikované. Ale je to zajímavé a úžasné, takže se vyplatí počkat si na konec. Nejdřív potřebujeme porozumět anatomii kosterních svalů, které jsou tvořeny mnoha vrstvami dlouhých, tenkých vláken. Představte si svůj kosterní sval jako provaz. Je vyrobený z malých provázků, které jsou spleteny dohromady, a pak jsou tyto provázky tvořeny ze spletených vláken, a tato vlákna jsou z maličkých filamentů. Tato struktura je to, co dělá maso vláknité, protože maso je zkrátka sval. Tyto kuřecí prsa jsou, nebo spíš byly, pectoralis major, velký prsní sval kuřete. Propojuje kuřecí sternum, neboli prsní kost, k humerusu (kost pažní) v jeho křídlech, a někdy mám pocit, že kuřata mají větší prsní svaly než já. Šílené. Když odloupnete tento sval, tak vidíte, že je opravdu z vrstev tenkých vláken. Tohle jsou svalové svazky, a každý svazek je složen z mnoha a mnoha malých vláken. Ty nemůžeme vidět. Jmenují se svalová vlákna, což jsou svalové buňky. Protože svalové buňky provádějí tak specializovanou práci, nejsou jako somatické buňky. Každá má mnoho jader. To protože každá svalová buňka je vlastně tvořená skupinou buněk, trochu jako kmenové buňky, nazývají se zárodečné buňky splývající dohromady. Svalové buňky jsou vlastně balíčky komplexních proteinových vláken, a protože jsou jádra nezbytná pro výrobu proteinů, tak svalová buňka potřebuje hodně jader na výrobu všech proteinů, které potřebuje. Určitě jste si všimli, že hodně těchto věcí, o kterých mluvím začíná předponou 'myo' nebo 'sarco', z řeckého slova pro sval, resp. maso. Kdykoli vidíte tato slova v biologii, tak víte, že se řeší svaly. Např. proteinová vlákna, která jsem zmínil, ze kterých jsou svalové buňky, se nazývají myofibrily, a každý je rozdělen na segmenty nazývající se sarkomery. Tady se to všechno děje, přátelé, protože je to sarkomera, které se ve skutečnosti natahuje a stahuje a vytváří svalový pohyb. Každá svalová buňka má desítky tisíc těchto chlapíků, a ti se společně stahují, a vy tak děláte různé věci. A toto natahování a stahování se děje po celou dobu této skvělé interakce mezi dvěma různými proteinovými vlákny zvanými myofilamenta. Jeden myofilament je protein aktin, což je tenké vlákno, které je připevněno buď na jednom, nebo na obou koncích sakromery, a ten druhý je myosin, který je širší a je pokrytý těmito malými hlavičkami ve tvaru konců golfových holí. Uvnitř sarkomery se proteiny objevují ve vrstvách, kde široká myosinová vlákna plovou mezi několika aktinovými vlákny. Počet aktinových vláken záleží na svalu, o kterém mluvíme. V tomto případě řekněme, že jsou čtyři. Dva nahoře a dva dole. Když je sval v klidu, žádné z vláken se nedotýká, ale zoufale po tom touží. Jsou jako středoškoláci na maturiťáku. Zejména myosin nechce dělat nic jiného než dostat svoje hlavičky nahoru a dotýkat se s aktinem. Chemický tanec, který toto umožní, je jedna z nejvíce sexy věcí, které se dějí v našem těle, kromě, třeba, sexu. Je to známé jako model posunování filament svalové kontrakce, což mi připomíná zajímavý příběh. (piano) Biolohistorie Minule jsem zmínil, že jsme do roku 1500 neměli ani povrchní znalosti lidské kostry což se zdá trochu divné, ale v porovnání s tímto je to nic. Až do roku 1954 jsme nevěděli, jak fungují svaly. V roce 1954 dva výzkumné týmy nezávisle na sobě objevily, že model posunování filament vysvětluje, jak se svaly stahují. Dva ze čtyř vědců, kteří tohle objevili, se jmenovali Huxley. Už jsme hovořili o Thomasu Henry Huxleym, otci srovnávací anatomie, Darwinovu rváči. Všechna jeho pravnoučata byla v něčem úžasná. Aldous Huxley napsal román "Konec civilizace." Julian Huxley byl ústřední osobou ve vývoji moderní evoluční teorie. A Andrew Fielding Huxley. Andrew Huxley byl fyziolog, který s kolegou Rolfem Niedergerkem hodlal vyřešit problém svalové kontrakce. Až do počátku 50. let jsme věděli jen to, že myofibrily jsou plné proteinových vláken. Tehdy si většina lidí myslela, že tato vlákna jednoduše mění tvar a zkracují se jako pružina, poté co byla natažena. A do 50. let jsme se naučili prakticky všechno, co jsme o svalových buňkách mohli za použití běžných mikroskopů. A tak Huxley a Niedergerke navrhli a postavili nový mikroskop. Sestrojili interferenční mikroskop, který používal 2 oddělené paprsky světla. S tím zjistili, že při kontrakci zůstávají některá proteinová vlákna stejně dlouhá. zatímco ostatní kolem nich se stahují. Zároveň britští biofyzikové Jean Hanson a Hugh Esmor Huxley, americký biolog bez jakékoli příbuznosti ke slavným britským Huxleyům, používali jiný nový vychytaný přístroj, elekronový mikroskop. Jeho používáním zjistili, že svalová buňka je složena z tlustých a tenkých filament, myosinu a aktinu, a že tato filamenta byla uspořádána tak, aby přes sebe mohla klouzat a zkracovat tak sarkomeru. Takže ve dvou odlišných článcích otiskli ve stejný den, ve stejném deníku, dva týmy domněnku, že svalová kontrakce je způsobena pohybem proteinů proti sobě. Hádám, že nadešel čas této domněnky. Až na to, že to není tak jednoduché. Abychom pochopili, jak funguje model posunování filament, první věc, co musíme mít na mysli, je to, že kromě potřeby spousty proteinů, svalové buňky potřebují dělat spoustu ATP. ATP, jak si pamatujete, vytváří energii pro skoro všechno, co vaše tělo dělá. Ano, to platí i pro svalový pohyb. Dále si pamatujte, že některé proteiny můžou měnit svůj tvar, přijdou-li do kontaktu s určitými ionty. Např. sodíko-draslíkové pumpy. Pro úplnost, tyto pumpy jsou proteiny, které mohou přijmout draselný iont z vnějšku buňky, a potom mění tvar, aby jej mohli vypustit uvnitř buňky a zároveň dokáží přijmout sodíkové ionty. Tyto změny jsou způsob, jakým buňky zajišťují většinu životně důležitých pochodů. V sakromerách to jsou vápníkové ionty, které mění tvar některých proteinů, takže myosin může konečně jít za svým a ohmatat všechna aktinová vlákna okolo. Potom stáhne tato aktinová vlákna k sobě a způsobí, že sakromera se stáhne. Ale když je svalová buňka relaxovaná, tak je tady pár věcí, které jí znemožňují osahávání. První je skupina dvou proteinů obalujících aktin. Ty se jmenují tropomyosin a troponin a dohromady tvoří něco jako izolaci. Pojďme pokračovat v naší středoškolské metafoře, oni jsou gardedámy. Ochraňují aktin před osaháváním. V tomto bodě každá malá hlavička myosinového vlákna má zbytky použité ATP nalepené na sobě. Je to ADP a fosfát a ta energie z rozštěpeného ATP je uložená v hlavičce. Takže myosin má spoustu potlačeného zklamání. Zatímco svalová buňka relaxuje, je připravována zásoba vápníkových iontů, která bude použita jako spouštěč, až přijde na věc. To dělá specializovaný typ hladkého endoplazmatického retikula, které se nazývá sarkoplazmatické retikulum čili SR. Je obalené kolem každé sarkomery a je pokryté vápníkovými pumpami. Tyto pumpy pořád spalují ATP a vytváří velkou koncentraci vápníku uvnitř SR, a samozřejmě, kdykoli vytvoříte koncentrační gradient, tak víte, že bude použit. Takže teď jsme připraveni na svalovou kontrakci, ale co ji zahájí? Samozřejmě podnět od neuronu. Svaly jsou aktivovány pomocí motorického neuronu, a každá sarkomera má motorický neuron ve své blízkosti. Když signál putuje neuronem do neuronové synapse se svalovou buňkou, tak to způsobí vylití neurostransmiterů, které zapříčiní vznik akčního potenciálu uvnitř svalové buňky. Akční potenciál pokračuje podél membrány svalové buňky a potom vnikne dovnitř speciálním záhybem v membráně s názvem T-tubulus. Když signál dosáhne SR uvnitř buňky, BINGO! Kanály SR se široce otevřou a vápníkové ionty putují koncentračním gradientem. Vápníkové ionty se váží s jednou gardedámou, troponinem, což způsobí, že troponin se otáčí kolem aktinu a tahá tropomyosin pryč, odhalujíc tak skvělé vazebné místo na aktinu. Když jsou gardedámy zabavené, tak myosin začne pracovat. Svými hlavičkami dosáhne na aktin, přestože to je dálka, naváže se s aktinem a vzrušení z dlouho očekávaného, drahocenného kontaktu konečně uvolní energii, která vznikla ze štěpení ATP. Spalování energie zapřičiňuje to, že hlavičky se ohnou směrem ke středu sakromery, tahají aktinová vlákna k sobě, a tak smršťují sarkomeru. V milionech sarkomer, ve stovkách tisíc svalových buněk, tohle je to, co mi dovoluje zvednout moje ruce. Nemysleli byste si, že je to tak složité. Aby se smršťování zastavilo, musíme roztrhnout tyto dva proteiny od sebe, protože každá myosinová hlavička je tam spokojená, přitulená ke svému milovanému aktinu, takže potřebujeme jinou náhodnou ATP molekulu, která se připojí v hlavičce a odštěpí jeden z fosfátů, aby mohla uvolnit energii, hned jak se dotknou. Tato energie rozdělí pouto myosinu s aktinem a sníží hlavičku, nechávajíc ji osamotě a znovu zklamanou. Je divné, že energie z ATP je vlastně používána na uvolnění svalu, ale to je důvod rigor mortis (posmrtné ztuhlosti). Když jste mrtví, tak tady není žádná ATP, která by uvolnila svaly a všechny vápníkové ionty vypudila ze sarkoplazmatického retikula, což by uvolnilo svaly, takže svaly jsou stále stažené. Ale ještě nejste mrtví, takže si to zopakujeme. Když myosin a aktin jsou odděleni, sakroplazmatické retikulum tvrdě pracuje, pumpuje všechny vápníkové ionty dovnitř a schovává je na příště. To vypustí gardedámy zpět, troponin a tropomyosin znovu získají své pozice kolem aktinových vláken, obnoví sarkomeru pro další impuls, který přijde. Chemie všechno tohle umožňuje. Od předvádění vašich bicáků až po moje úžasné taneční pohyby.