Cross-bridge model sarkomery skládající se ze třech filament

Abstract

Disertační práce se zabývá teoretickým matematickým modelem, který popisuje kontrakci kosterního svalstva. Hlavním předmětem zájmu je konkrétně matematický model struktury nazývané sarkomera. Sarkomera je tradičně považována jako základní funkční jednotka svalové kontrakce na nejnižší úrovni strukturální hierarchie svalstva (škála jednotek nm). Sarkomera samotná je přírodní mechanismus, který se skládá především ze tří speciálních proteinů - myosinu, aktinu a titinu.

V práci jsou nejdříve obecně popsány základní vlastnosti kontrakce svalu (sarkomery). Velká část práce je věnována popisu myosinu a jeho interakci s aktinem, kde jednotlivé myosiny jakožto molekulární motory jsou schopny vyvinout diskrétní pohyb v řádu jednotek nm. V následující části práce je podrobněji popsán protein titin a jeho úloha v sarkomeře. Tato část dizertace také obsahuje důležité informace o v současné době pozorovaných speciálních vlastnostech tohoto proteinu.

Způsob matematického modelování uvedené problematiky vychází z klasické cross- bridge teorie (cross-bridge theory) a klasické "teorie dvou filament" (two sliding filament theory), které byly navrženy v padesátých letech 20. století. Cross-bridge teorii konkrétně navrhl a zachytil do matematického modelu A.F. Huxley v roce 1957. Teoretické modely založené na těchto dvou teoriích více či méně uspěly ve vysvětlení podstaty izometrické kontrakce (síla při konstantní délce svalu) a koncentrické kontrakce (zkracování svalu). Do současnosti zůstává obtížnou částí výše uvedených teorií vysvětlení excentrické (eccentric, tažení svalu) kontrakce. Další vlastnosti, které nejsou dostatečně vysvětleny, jsou jevy závislé na historii kontrakce. Konkrétně se jedná o nižší než očekávanou velikost síly (force depression) následující po koncentrické kontrakci a vyšší než očekávanou velikost síly (force enhancement) následující po excentrické kontrakci.

Shrnutí hlavních cílů dizertace je následující. Hlavním cílem bylo modifikovat a vylepšit klasický Huxleyho matematický model vzhledem k aktuálním experimentálním výsledkům obdrženým na úrovni jetlivých molekul myosinu (na úrovni jednoho cross-bridge) a vzhledem k experimentálním výsledkům získaných na úrovni jedné sarkomery. Další důležitou úpravou s ohledem na popis excentrické kontrakce je začlenění nově objevených speciálních vlastností titinu do klasických teorií.

Jedním z hlavních výsledků práce je proto odvozený matematický model založený na cross-bridge teorii, který popisuje kontrakci kosterního svalstva (sakomery) jako interakci tří filament. Na základě tohoto modelu je hlavním cílem disertační práce ukázat přesvědčivé výsledky o tom, že klíčové mechanické vlastnosti svalové kontrakce májí svůj původ na úrovni sarkomery nebo ještě přesněji na úrovni poloviny sarkomery. Především byly provedeny simulace excentrické kontrakce a jevu nazývaného force enhancement. Dále jsou v práci prezentovány výsledky ze simulací izometrické kontrakce, koncentrické kontrakce, náhlého zkrácení sarkomery (sudden shortening) a náhlého natažení sarkomery (sudden stretch). Výsledky ze simulací byly porovnány s různými experimentálními výsledky publikovanými v literatuře. Důležitým závěrem dizertační práce je, že výsledky získané pomocí odvozeného cross-bridge modelu, který popisuje interakci tří filament, mohou podstatně přispět k vysvětlení podstaty excentrické kontrakce a s ní spojeným jevenem nazývaným force enhacement.