Muskelphysiologie

• Axonterminale können sich aufspalten (mehrere Synapsen zu einem Neuron). Das Aktionspotential wird chemisch auf die Muskelzellmembran übertragen. Anschließend kommt es zur Exozytose der ACh-haltenden Vesikel mit der präsynaptischen Membran. Das freigegebene ACh bindet an einen ACh-Rezeptor. Die Rezeptoren öffnen sich und lassen Na+ in die Zelle (Depolarisation der postsynaptischen Membran). Ist die Depolarisation stark genug, öffnen sich spannungsabhängige Na+ Kanäle und das Aktionspotential kommt zustande. Die ACh-Reste werden durch Acetylcholinesterase gespalten und recyclet.
• Wenn ein Motoaxon eine Muskelzelle erfolgreich erregt, dann sieht man zuerst auf der Muskelzelle ein Aktionspotenzial. Nach einer gewissen Latenzzeit kontrahiert der Muskel. Das elektrische Signal wird also erfolgreich in ein Mechanisches übersetzt

  
• Es gibt 2 Arten von ACh-Rezeptoren:

  • nicotinische (bei Muskelzellen, Ionenkanäle)
  • muskarine (G-Protein-gekoppelte Rezeptoren)
• Muskelzellen entstehen aus dem Mesoderm. Einkernige Somitenzellen (a) entwickeln sich zu Myoblasten (b). Bei Wirbeltieren verschmelzen diese und bilden somit ein Synzytium, welches eine Muskelfaser bildet (Myotubus(c)). Einzeln übriggebliebene Einzelzellen (Satellitenzellen) sind für die Regeneration des Muskels zuständig, indem sie neue Myotubuli bilden

  
• Wie setzt sich ein Muskel zusammen?

  Myofibrillen - Muskelfaser - Muskelfaserbündel - Muskel

  
• Die zelluläre Einheit eines Muskels heißt Muskelfaser
• Muskelfaserbündel werden auch Faszikel genannt und werden von Bindegewebe umhüllt.
• Die Zelle einer Muskelfaser ist aufgebaut aus:

  • Zellmembran (Sarcolemma)
  • Sarkoplasmatisches Retukulum (SR) (Kalziumspeicher in enger Verbindung zu t-Tubuli)
  • transverse Tubuli (t-Tubuli)
  • Nucleus
  • Mitochondrien
• Myofibrillen haben eine Querstreifung:Sarcomer

  • Z-Scheibe
  • A-Bande
  • I-Bande
  • M-Linie
  • H-Zone

  
• Kontraktile Proteine sind regelmäßig angeordnet. Man unterscheidet dabei 2 Proteine: Actin und Myosin. Diese Anordnung ergibt die Querstreifung von Muskeln

  A-Banden

  • anisotrop (erscheint in polarisiertem Licht dunkel)
  • aus dicken Filamenten (Myosin und dünne Actin-Filamente)

  H-Zone

  • Teil der A-Bande
  • nur Myosin

  I-Bande

  • isotorop (erscheint in polarisiertem Licht hell)
  • aus dünnen FIlamenten (Actin)

  Z-Scheiben

  • begrenzen Sarkomere

  M-Linie

  • Mitte einer A-Bande

  
• In quergestreifen Muskeln gibt es neben Actin und Myosin auch andere Proteine: Nebulin und Titin. Sie sorgen dafür, dass die Struktur während der Kontraktion erhalten bleibt. Sie zählen nicht zu den kontraktilen Proteinen.
• Kontraktile Muskelproteine:

  alpha-Actin

  • auch im Cytoskelett
  • Monomer (42 kDa Molekulargewicht)
  • bestehen aus "Schnuren", die helikal angeordnet sind

  Myosin

  • größer als Actin
  • besteht aus Hals-, Schaft- und Kopfbereich (Köpfe haben ATP- und Actin-Bindestellen)
  • Monomer (220 kDa Molekulargewicht)
  • gespiegelt angeordnet (links und rechts orientierte Myosine, die sich in der M-Linie treffen)

  
• Wie läuft der Querbrückenzyklus ab?

  1. Myosin bindet an ATP
  2. ATP wird benötigt, um Myosin von Actin zu lösen
  3. Myosin-Kopf hydrolysiert ATP zu ADP und anorg. Phosphor
  4. Winkel von Myosin-Kopf ändert sich und bindet somit Actin
  5. Actin-Bindung triggert Freisetzung von anorg. Phosphor und somit dichtere Bindung von Myosin an Actin; Actin wird näher an Myosin-Zentrum gezogen
  6. ADP wird freigesetzt
  7. neues ATP bindet an Myosin und löst Bindung an Actin

  
• Was ist das Ergebnis des Querbrückenzyklus?

  Myosin-Actin-FIlamente werden aneinander vorbeibewegt. Sarkomere verkürzen sich und somit auch die Muskelfasern. Der Muskel kontrahiert.
• Der Ablauf des Querbrückenzyklus wird durch regulatorische Proteine kontrolliert, damit dieser gezielt ablaufen kann.

  Tropomyosin (liegt entlang dem Actin)

  Troponin (liegt auf manchen Stellen von Tropomyosin; hat Untereinheiten)

  • Troponin I (Inhibitory - hemmend)
  • Troponin C (bindet Calzium)
  • Troponin T (bindet an Tropomyosin)
• Je nachdem ob Troponin C gerade Kalzium gebunden hat, hat es eine andere Konformation. Kalzium ist der Regulator, Troponin hat eine hemmende Komponente, die über Kalzium entweder ein- oder ausgeschalten wird.

  Der Troponin-Tropomyosin-Komplex liegt entlang von Actin. Im Ruhezustand sitzt Troponin dem Myosin-Kopf im Weg, wordurch er Actin nicht binden kann. Kommt nun Kalzium hinzu, bindet es an Troponin C und verändert die Konformation, sodass die Actin-Bindestelle frei wird. Der Querbrückenzyklus kann wieder ablaufen.
• Wird die Membran von Muskelfasern permeabilisiert, kann man mit der Kalzium- und ATP-Konzentration spielen

  • bei 1 umol/L -> Kalziumsättigung -> Muskel ist voll kontrahiert
• Für eine Kontraktion benötigt man:

  • ATP (für Weichmacherfunktion, damit sich Myosin-Kopf lösen kann; ohne ATP bleibt Muskel kontrahiert)
  • Kalzium (um Querbrückenzyklus laufen zu lassen

  ATP + Ca2+ : Kontraktion

  Ca2+: Kontraktion

  ATP: Erschlaffung

  
• sarkoplasmatisches Retikulum (SR)

  • Kalziumspeicher
  • elektrisches Signal wird durch T-Tubulus in Nähe v. SR gebracht
  • Calsequestrin (Protein) sorgt für Speichermöglichkeit von viel Kalzium
  • Kalzium-Kanäle in T-Tubulus-Membran (Dihydropyridin-Rezeptoren)
  • Kalzium-Kanäle in SR-Membran (Ryanodin-Rezeptoren)
  • triade Struktur
• Triade Struktur des SR führt im Skelettmuskel zum direkten Kontakt zwischen beiden Rezeptor-Arten

  • Aktionspotential ändert Konformation der D.-Rezeptoren
  • spannungsabhängige Änderung von D.Rezeptoren wird auf R.Rezeptoren übertragen durch unmittelbare Nachbarschaft
  • R.Rezeptoren öffnen sich und entlassen Kalzium aus Speicher -> Kontraktion

  nach der Kontraktion muss Kalzium wieder in den Speicher. Das passiert durch die sarkoplasmatische ATPase oder über Na-Ca-Transporter (3 Na hinein und 1 Ca hinaus)

  • sind energetisch gleich
• Die Kraftentwicklung hängt von der Länge der Sarkomere ab. Damit der Muskel kontrahieren kann, müssen Myosin- und Actin-Filamente überlappen.

  Bild 1: Sarkomer maximal verkürzt

  • Myosin-Filamente stoßen an Z-Scheibe
  • weitere Verkürzung nicht möglich

  Bild 3: Optimum

  • optimale Überlappung von dicken und dünnen Filamenten

  Bild 4: überdehntes Sarkomer

  • verringerte Überlappung und verlängertes Sarkomer
  • Myosin und Actin können nicht überlappen

  
• 1. elektrischer Reiz wird als Aktionspotenzial zur Synapse gebracht
  2. Acetylcholin-Vesikel werden in synaptischen Spalt ausgeschüttet
  3. ACh bindet an ACh-Rezeptoren
  4. Subsynaptisches Potential
  5. ist subsynaptisches Potential überschwellig -> Aktionspotenzial auf Muskelzelle
  6. T-L-System
  7. Ca2+ Ausschüttung
  8. Bindung an Troponin
  9. Querbrückenzyklus
• Jeder Muskel hat einen Gegenspieler (Antagonist). Der Muskel selbst kann sich nicht verlängern, nur verkürzen.

  • Beuger gebeugt -> Strecker wird gedehnt
  • Strecker zusammengezogen -> Beuger gedehnt

  isometrische Kontraktion:

  • Muskel verändert sich in Länge nicht, kontrahiert aber
  • zB. Gewicht heben

  isotone Kontraktion

  • Muskel verkürzt sich bei gleicher Krafteinwirkung

  Es gibt eine optimale Muskellänge. Ist der Muskel zu kurz, hat man Spannungsentwicklung aber nicht so viel Kraft, als bei Optimallänge.
• Troponin und Tropomyosin sind im Grunde Protein-Familien. Eigenschaften der Isoformen beeinflussen Kontraktion:

  • fTnC hat eine höhere Affinität für Ca2+ als s/cTnC
  • Isoformen unterscheiden sich in der Wirkung von Temperatur und pH-Wert
• Kontrolle der Kontraktionskraft:

  Weg 1: Aktivierung der Aktionspotentiale

  • Durch die Frequenz des Aktionspotenzials können Einzelzuckungen ausgelöst werden, welche sich summieren oder die Muskelfaser wird in Tetanus (vollständige Kontraktion) gebracht

  Weg 2: Rekrutierung; Aktivierung der Muskelfasern

  • jede Muskelfaser hat mindestens eine Synapse, damit sie elektrisch erregbar ist
  • Ein Axon mit mehreren Synapsen spricht mehrere Muskelfasern an (motorische Einheit)

  Je nachdem wie viele motorische Einheiten rekrutiert werden, wird die Kontraktionskraft bestimmt
• Myosin Isoformen

  • Eigenschaften der Isoformen beeinflussen die Kontraktion
  • es gibt mehrere Isoformen von Myosin II in den Muskeln
  • Isoformen können sich über die Zeit verändern
• Der Myosin-Kopf ist der primäre Energieverbraucher bei der Muskelkontraktion. ATP steht zur Verfügung durch:

  • Kreatinphosphate (durch Enzym Kreatinphosphokinase, schnellste ATP-herstellungsmethode, wird von Wirbeltieren verwendet)
  • aeroben Stoffwechsel (oxidative Phosphorylierung)
  • Glykolyse (Laktat-Produktion)
• verschiedene Muskelfasern anhand der ATP-Produktion:

  langsam oxidative Fasern

  • rote Muskeln (viele Mitochondrien, Blutgefäße, Myoglobin, Zytochromen)
  • kontrahieren und ermüden langsam
  • eine/wenige Endplatten

  schnell glykolytische Fasern

  • weiße Muskeln (wenig Mitochondrien, kaum Blutgefäße, groß)
  • große Glykogenspeicher (kurzfristige Laktatproduktion)
  • kontrahieren schnell und ermüden langsam
  • schnelle, wiederholende Bewegungen

  schnelle oxidative glykolytische Fasern

  • wenige Mitochondrien
  • kontrahieren und ermüden schnell
  • schlechte O2-Versorgung
• Die Kontraktion eines Muskels kann einen Knochen nur heranziehen, aber ihn nicht wegdrücken. Um das zu tun, werden antagonistische Muskelgruppen benötigt.

  Beispiel: Bizeps und Trizeps

  
• Der Muskelansatz an den Knochen beeinflusst die Kraftentwicklung.

  Cheetah

  • kürzerer L(FA)
  • weniger Kraft aber schneller

  Lion

  • längerer L(FA)
  • mehr Kraft aber langsamer

  
• Es gibt verschiedene Muskelfasern:

  • Skelettmuskulatur
  • Herzmuskulatur
  • glatte Muskulatur
  • "obliquely striated muscle"/schräg gestreift (in Nematoden, Anneliden und Mollusken -> kein Skelett)
• glatte Muskulatur

  • Kontraktion dauert länger im Vgl. zur quergestreiften Muskulatur
  • Zellen sind individuell, kein Synzytium
  • wird autonom kontrolliert (zB. Blutgefäße, Magen)
• Unterschiede in Aktivierung zwischen den verschiedenen Muskelfasern:

  quergestreifte Muskeln

  • Aktivierung schneller
  • haltet nicht so lange an

  Herzmuskel

  • quergestreift, aber autonom

  glatte Muskeln

  • Aktivierung dauert länger
  • haltet länger an

  
• Unterschiede in Aufbau und Zusammensetzung zwischen quergestreiften und glatten Muskelgeweben:

  • glatte Muskeln haben keine Sarkomerstruktur
  • glatte Muskeln haben kein regelmäßiges Muster
  • glatte Muskeln verfügen über "dense bodies" (Proteinansammlungen)
• Glatte Muskeln haben keine Z-Scheibe, weshalb die Filamente an "dense bodies" fixiert sind. Actin und Myosin sind in der Peripherie locker angeordnet, daher wird die Zelle bei Kontraktion rundlich.

  • keine regulatorischen Proteine, stattdessen "gap junctions" zur Kommunikation mit Nachbarszellen (deshalb hat nicht jede Zelle eine Synapse)
  • Querbrückenzyklus durch Myosin light chains am Kopf geregelt
• Wie kann die Myosin light chain den Querbrückenzyklus regulieren?

  • durch Kalzium
  • Myosin light chain wird durch MLCK (Kinase) nach Aktivierung v. Kalzium-Calmodium-Komplex phosphoryliert
  • dadurch wird Myosin aktiviert und der Zyklus kann stattfinden
  • ODER manche Zellen können Kalzium direkt binden und light chain muss nicht erst phosphoryliert werden
  • Myosin light chain wird direkt durch Bindung von Ca2+ aktiviert

  Kalzium im System durch:

  • pharmacomechanical Coupling
  • electromechanical Coupling
  • Protein Kinase C
• Was kann zu einer Kontraktion glatter Muskelzellen führen?

  • hormongesteuerte Kalzium-Kanäle (pharmacomechanical Coupling)
  • spannungsgesteuerte Kalzium-Kanäle
  • IP3
  • direkte Aktivierung der Myosin light chain durch Kalzium
  • Dehnung (Zelle reagiert auf Dehnung mit Spannungsaufbau)
• Wie kommt es bei einer glatten Muskelzelle zur Relaxation?

  Entfernung von Ca2+ durch

  • SERCA
  • Kalzium-ATPase
  • Kalzium-Natrium-Austauscher
• Welche Aktivierungswege glatter Muskeln gibt es?

  • elektrisch
  • hormonell
  • mechanisch ("stretch")

  
• Vorgänge, die den Einstrom von Ca2+ verursachen, müssen wieder reversibel sein.

  Die Entfernung von 1 Kalzium (Natrium-Kalzium-Austauscher) benötigt 1 ATP, also verbraucht die Muskelkontraktion enorm viel ATP.