Zellphysiologie, Muskulatur & Neurologie (eBook)

Quergestreifte Skelettmuskulatur

Es gibt insgesamt 3 verschiedene Muskeltypen: die quergestreifte Skelettmuskulatur, welche über 40% der Körpermasse ausmacht, für bewusste Bewegungen verantwortlich ist und Wärme durch Kältezittern erzeugen kann, die Herzmuskulatur, welche die Grundmasse des Herzens bildet und somit den Blutstrom im Kreislaufsystem aufrecht erhält und etwa 1 – 2 % der Körpermasse ausmacht, und die glatte Muskulatur, welche sich auf ca 10% der Körpermasse beläuft und für Materialbewegung in und aus, bzw. innerhalb des Körpers verantwortlich ist.

1. Aufbau der Skelettmuskulatur

Für jede Bewegung des Körpers wird die Skelettmuskulatur benötigt, welche aus den Muskeln selbst und ihren Ursprungs – und Ansatzsehnen besteht, durch welche die Kontraktionskraft auf die Knochen übertragen wird, woraufhin ein Gelenk gebeugt wird. Für jedes Gelenk kann man Flexoren von Extensoren unterscheiden. Flexoren beugen ein Gelenk, während Extensoren dasselbe Gelenk strecken. Dies macht die beiden zu Antagonisten. Auf einen Reiz hin kann ein Muskel sich nur verkürzen, gestreckt wird er durch die Arbeit seines Antagonisten. Wenn also die Flexoren eines Gelenks kontrahieren, werden die Extensoren passiv gedehnt und umgekehrt.

Der einzelne Skelettmuskel ist aus einer Ansammlung aus Muskelfaserbündel aufgebaut, welche aus Muskelfasern bestehen, welche wiederum eine Verschmelzung embryonaler Myoblasten darstellen. Eine Muskelfaser hat viele randständige Kerne, sowie viele Mitochondrien, ist 10 – 100 ⎧m dick, bis zu 20 cm lang und vom Sarkolemm, der Muskelzellmembran, umhüllt. Im Sarkoplasma, dem Cytoplasma der Muskelfaser, liegen hunderte bis tausende für die Kontraktionen zuständigen Myofibrillen, welche aus insgesamt bis zu zehntausenden Sarkomeren bestehen.

Jedes Sarkomer reicht von einer Z – Scheibe zur nächsten und besteht aus unterschiedlichen Proteinen. An den Z – Scheiben befestigt befinden sich mehrere „dünne Filamente“, welche jeweils aus 2 Aktinketten, 2 Tropomyosinsträngen und mehreren Troponinmolekülen bestehen. Aktin ist in seiner ursprünglichen Form ein globuläres Protein (G – Aktin), welches sich zu filamentärem Aktin (F – Aktin), also Aktinketten, zusammenlagert. Je 2 dieser Aktinketten winden sich gemeinsam mit 2 Tropomyosinsträngen helikal umeinander und bilden ein dünnes Filament. An das Sperrprotein Tropomyosin sind in bestimmten Abständen die Troponinmoleküle als Regulatorproteine angelagert, welche eine Bindungsstelle für Ca2+ aufweisen.

Zwischen den dünnen Filamenten, in der Mitte des Sarkomers, liegen dicke Filamente, welche aus Myosin aufgebaut sind und mit Aktin in Verbindung stehen können. Myosinproteine bestehen aus umeinander gewundenen Schwänzen und je 2 Köpfen, welche sowohl für Aktin als auch für ATP eine Bindungsstelle haben.

Um die Myofibrillen einer Muskelfaser ist das Sarkoplasmatische Retikulum angeordnet, welches dem glatten Endoplasmatischen Retikulum entspricht und einen intrazellulären Speicher für Ca2+ darstellt. Da es längs der Myofibrillen angeordnet ist, spricht man vom longitudinalen Tubulussystem oder L – System.

Die Muskelfaser ist vom Sarkolemm umgeben, welches jedoch nicht nur die Faser als Ganzes umhüllt, sondern auch ein System aus kleinen Röhren in die Tiefe zwischen die Myofibrillen und ringförmig um sie herum bildet. Durch die Ringe werden stets 2 benachbarte Sarkoplasmatische Retikula getrennt. Dieses Netzwerk des Sarkolemms wird als das transversale Tubulussystem oder T – System bezeichnet und ist mit extrazellulärer Flüssigkeit gefüllt.

Zusätzlich befinden sich vor allem jede Menge Mitochondrien in den Muskelfasern, welche für die Energiebereitstellung im Muskel sorgen.

2. Muskelkontraktion

Ein Skelettmuskel besteht aus vielen motorischen Einheiten (Multi unit Typ), wobei eine motorische Einheit als kleinste funktionelle Einheit im motorischen System darstellt. Sie besteht aus einem a - Motoneuron, welches seinen Zellkern im Ventralhorn des Rückenmarks hat, seinem Axon mit der neuromuskulären Synapse, oft auch als motorische Endplatte bezeichnet, und der von ihr innervierten Muskelfasern. Je Muskelfaser existiert eine motorische Endplatte.

2.1. Erregungsübertragung an der neuromuskulären Synapse

Das Axon des a - Motoneurons verliert in der Nähe der zu innervierenden Muskelfasern seine Myelinscheide und verzweigt sich in Kollateralen, um mehrere Muskelfasern innervieren zu können. Das Sarkolemm der Muskelfasern bildet in Falten gelegte Vertiefungen um die synaptischen Boutons, um eine Oberflächenvergrößerung zu erwirken. Je mehr Oberfläche vorhanden ist, desto mehr Rezeptoren können an der postsynaptischen Membran platziert werden.

Grundlage für eine Erregungsübertragung von dem Neuron auf die Muskelfaser, ist das in der Muskelfaser herrschende Ruhemembranpotential, wodurch die Zelle intrazellulär über eine gegenüber dem Exrazellularraum negative Spannung verfügt.

Bei einer einkommenden Erregung werden spannungsgesteuerte Ca2+ – Kanäle in der Präsynapse geöffnet, wodurch Calcium entlang des chemischen Gradienten in das Neuron einströmt. In der Zelle bewirkt Calcium, dass die mit Acetylcholin als Transmitter gefüllten Vesikel zur präsynaptischen Membran wandern, mit ihr verschmelzen und Acetylcholin in den synaptischen Spalt freisetzen. Die postsynaptische Membran besitzt in sehr großer Dichte nicotinerge Acetylcholin – Rezeptoren, welche ligandengesteuerte Kationenkanäle darstellen. Dockt also Acetylcholin an, öffnen sich die Kationenkanäle, Na+ strömt ein und gleichzeitig K+ aus, beide entsprechend ihrer elektrochemischen Gradienten. Durch den ungleich stärkeren chemischen Gradienten für Natrium strömen natürlich viel mehr Na+ – Ionen ein als K+ - Ionen aus, wodurch ein Endplattenpotential (EPP) entsteht. Durch weitere Na+ – Kanäle, welche spannungsgesteuert sind und durch das Endplattenpotential geöffnet werden, strömt nun genug Na+ für ein Aktionspotential ein, welches entlang des Sarkolemms weitergeleitet wird, indem fortlaufend spannungsgesteuerte Na+ - Kanäle geöffnet werden.

Im synaptischen Spalt wird Acetylcholin durch die Acetylcholinesterase gespalten oder durch Abdiffusion aus dem synaptischen Spalt gebracht, sodass die Wirkungsdauer nur begrenzt ist.

2.2. Vom Aktionspotential zur Kontraktion

Das Aktionspotential breitet sich entlang des Sarkolemms aus, welches sich immer wieder senkrecht zu den Muskelfasern einstülpt und somit das T – System (transversales Tubuli – System) bildet. Das für die Kontraktion wichtige Ca2+ stammt aus dem Sarkoplasmatischen Retikulum, dem wichtigsten intrazellulären Ca2+ –Speicher, welches ohne Verbindung zum Extra – oder Intrazellularraum längs der Myofibrillen angeordnet ist und somit als L – System (longitudinales Tubulus – System) bezeichnet wird. Das Sarkolemm stülpt sich immer zwischen 2 benachbarte L – Systeme ein, wodurch man die Enden der beiden longitudinalen Tubuli und den transversalen Tubulus als Triade bezeichnet.

Das Aktionspotential kann durch das T – System leicht in die Tiefe der Muskelfaser gelangen und löst durch die Aktivierung der dort in die Membran eingebauten spannungsgesteuerten Dihydropyridinrezeptoren (DHP - Rezeptoren) die Öffnung der Calciumkanäle, der Ryanodinrezeptoren (RyR1 im Skelettmuskel, RyR2 im Herzmuskel), im L – System aus. Dadurch strömt Calcium entlang des elektrochemischen Gradienten aus dem Sarkoplasmatischen Retikulum in die Muskelfaser und steht den Myofibrillen für die Kontraktion zur Verfügung.

Bei einer Kontraktion werden die Filamente nicht verändert, sie verschieben sich nur gegeneinander, was die Verkürzung der Muskelfaser zur Folge hat. Diese Verschiebung bezeichnet man als die Filamentgleittheorie und hat als ihre Ursache den Querbrückenschlag.

Ein Querbrückenzyklus sieht wie folgt aus: Je 2 Myosinköpfchen umgreifen ein ATP, können aber nicht an Aktin binden, da Troponin die Myosinbindungsstelle blockiert. Die Köpfchen stehen in ihrer Ausgangsposition in einem 90° Winkel. Durch das Freisetzen des Calciums aus dem Sarkoplasmatischen Retikulum und das darauffolgende Andocken an Troponin, entfernt sich Tropomyosin – und somit auch Troponin – von der Myosinbindungsstelle. Die Myosinköpfchen können nun an das Aktin binden. Unter Beisein von Magnesium aktiviert Aktin die ATPase der Myosinköpfchen, sodass das gebundene ATP gespalten wird in ADP und einen Phosphatrest.

Zuerst löst sich der Phosphatrest, wodurch der „Kraftschlag“ ausgelöst wird, die Myosinköpfchen kippen von 90° auf 50°. Dadurch wird das Aktinfilament gegen das Myosinfilament um ein Aktinmolekül verschoben. Anschließend wird das ADP abgelöst, was das Myosinköpfchen um weitere 5° umknicken lässt, es steht nun in einem Winkel von 45°. Durch neuerliches Andocken von ATP werden die Myosinköpfchen vom Aktin gelöst („Weichmacherwirkung“ des ATP) und der Zyklus beginnt von neuem, bis entweder das vorhandene ATP aufgebraucht ist (> Totenstarre, Rigor mortis) oder das Calcium wieder in das Sarkoplasmatische Retikulum aufgenommen wurde (normalerweise), sodass Troponin wieder die Myosinbindungsstelle des Aktins blockiert.

Der Rücktransport von Ca2+ aus dem Intrazellularraum hinaus, zurück ins SR läuft verzögert ab und ca 10x langsamer als die Freisetzung. Vermittelt wird dieser Prozess am Sarkoplasmatischen Retikulum durch die Ca2+ - ATPase. Durch den Konzentrationsanstieg wird vermehrt die cAMP – bzw. calmodulinabhängige Proteinkinase aktiviert. Ihre Aufgabe ist es Phospholamban, die inhibitorische Untereinheit der Ca2+ - ATPase, zu inaktivieren, wodurch die...