Quergestreifte Muskulatur

Unterteilung:

Es gibt drei verschiedene Typen von Muskelgewebe:

1. Quergestreifte Skelettmuskulatur: überwiegend willkürliche Kontraktion
2. Glatte Muskulatur von Gefäßen und Hohlorganen: unwillkürliche Kontraktionen
3. Herzmuskulatur: unwillkürliche Kontraktionen

Quergestreifte Skelettmuskulatur (Überblick)

Der Skelettmuskel setzt sich aus Muskelfaszikeln zusammen. Ein Muskelfaszikel besteht aus mehreren Muskelfasern. Eine Muskelfaser ist ein Zusammenschluss vieler Zellen (Synzytium) und enthält daher viele Zellkerne. Sie enthält Myofibrillen als funktionelle Untereinheiten. Die Myofibrillen wiederum beinhalten die kontraktilen Proteine Aktin und Myosin.

Es gibt drei Hauptformen der Muskelkontraktion: isometrische, isotone und auxotonische Kontraktion. Die Art der Muskelkontraktion hängt von der Art der Bewegung und den beteiligten Muskelgruppen ab. 

• Isometrischen Kontraktion: Muskelspannung ändert sich, während sich die Länge des Muskels nicht ändert.
• Isotonische Kontraktion: Muskelspannung bleibt konstant, jedoch verändert sich die Länge des Muskels.
• Auxotonische Kontraktion: Bei der auxotonische Kontraktion ändern sich die Muskelspannung und die Länge des Muskels parallel und kontinuierlich. Die auxotonische Kontraktion kann weiter in konzentrische und exzentrische Kontraktion unterteilt werden. Bei der konzentrischen Kontraktion verkürzt sich der Muskel mit seiner Kraftausübung (Gewicht heben). Bei der exzentrischen Kontraktion verlängert sich der Muskel gegen einen Widerstand (Gewicht absetzen)

• Das Sarkomer ist die kleinste kontraktile Einheit in einer Skelettmuskelfaser und besteht aus dünnen Myofilameten (Aktinfilament) und dickeren Myofilamenten (Myosinfilament)
• Die Myosinfilamente sind in der Mitte des Sarkomers an der M-Linie verankert, während die Aktinfilamente an den Z-Scheiben am Rand des Sarkomers befestigt sind
• Während der Kontraktion bewegen sich die Filamente gegeneinander, wodurch das Sarkomer verkürzt wird
• Das Sarkolemm, die Plasmamembran der Muskelfaser, bildet tiefe Einstülpungen, die als T-Tubulus-System bekannt sind und in die Muskelfaser hineinreichen. Diese stehen an bestimmten Stellen, die als Triaden bezeichnet werden in engem Kontakt mit den terminalen Zisternen des sarkoplasmatischen Retikulums, dem L-Tubulus-System.
  • Durch diese Verbindung kann die gesamte Muskelfaser schnell erregt werden, sodass alle Sarkomere synchron kontrahieren und es zu einer makroskopischen Muskelkontraktion kommt

Auslösung der Kontraktion (Elektrische Erregung der Skelettmuskelzelle)

• Acetylcholin wird von den α-Motoneuronen an der neuromuskulären Endplatte freigesetzt
• Acetylcholin diffundiert durch den synaptischen Spalt und bindet an ionotrope nikotinerge Acetylcholinrezeptoren (= n-ACh-Rezeptoren) auf der postsynaptischen Membran
• Es strömen Na⁺-Ionen in die Muskelzelle ein, wodurch ein Endplattenpotenzial entsteht
• Das Endplattenpotenzial breitet sich elektrotonisch über die Plasmamembran aus
• Das Aktionspotenzial breitet sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 
  2-6 m/s über die gesamte Länge der Muskelzelle aus

Elektromechanische Kopplung

1. Das Endknöpfchen eines α-Motoneurons wird durch ein Aktionspotential erregt
   ➜ Es folgt ein Calciumeinstrom, welcher zur Fusion des synaptischen Vesikels mit der präsynaptischen Membran führt

2. Acetylcholin wird in den synaptischen Spalt ausgeschüttet und bindet auf der postsynaptischen Seite an nicotinerge ACh-Rezeptoren (nACh)
➜ Dies resultiert in einer Konformationsänderung ⟶ Der Ionenkanal öffnet sich und Natrium (Na⁺) kann in die Muskelzelle einströmen
➜ Dies führt zu einer Depolarisation (exzitatorisches postsynaptisches Potential/EPSP)
➜ Dadurch werden spannungsabhängige Natriumkanäle geöffnet

3. Ausbildung eines Aktionspotentials, welches sich über das Sarkolemm (Zellmembran der Muskelzelle) bis in den T-Tubulus fortleitet

4. Konformationsänderung von Dihydropyridin und durch direkte Protein-Protein-Interaktion Öffnung des Ryanodin-Rezeptors am sarkoplasmatischen Retikulum

5. Calciumausstrom aus dem sarkoplasmatischen Retikulum 
➜ Durch den Anstieg der intrazellulären Ca²⁺-Konzentration werden die molekularen Vorgänge ausgelöst, die zur Kontraktion führen

6. SERCA (Calcium-ATPase) nimmt Calcium unter Verbrauch von ATP zurück in das sarkoplasmatische Retikulum auf

Start des Kontraktionsvorgangs

• Troponin und Tropomyosin verhindern bei niedriger zytosolischer Ca²⁺-Konzentration die Bindung von Myosinköpfchen und Aktin
• Ein Aktionspotenzial in der Triade erhöht Ca²⁺-Konzentration im Zytosol
  • Ca²⁺ Ionen binden an Troponin C ➜ hierdurch kommt es zu einer Konformationsänderung
  • Troponin I und T verändern ihre Position, der Komplex aus Troponin und Tropomyosin bewegt sich zur Seite
  • Die Bindungsstelle für Myosinköpfchen wird freigegeben
• Anstieg der zytosolischen Ca²⁺-Konzentration führt also zur "Enthemmung" des Kontraktionsvorgangs

• Der Kontraktionsvorgang im Muskel wird als Querbrückenzyklus oder Filament-Gleit-Mechanismus bezeichnet

Schritt 1:

• In Ruhestellung sind Myosinköpfchen und Aktin getrennt
• Myosinköpfchen hat ATP gebunden, Mg²⁺ spielt eine wichtige Rolle bei der Bindung und Hydrolyse von ATP
  • Ein Aktionspotenzial löst die Freisetzung von Ca²⁺ aus dem sarkoplasmatischen Retikulum aus
  • Die zytosolische Ca²⁺-Konzentration steigt und Ca²⁺ bindet an Troponin C
  • Troponin-Tropomyosin-Komplex verlagert sich und gibt Bindungsstelle für Myosin frei
  • ATP wird durch Myosin in ADP und Phosphat gespalten
  • Myosinköpfchen lagert sich an frei gewordene Bindungsstelle am Aktin an

Schritt 2:

• Durch die Anlagerung von Myosin an Aktin wird eine Querbrücke gebildet
• Durch die Abgabe des Phosphats am Myosinköpfchen kommt es zu einer Konformationsänderung des Myosins
  • Das Köpfchen kippt um 40° und bewegt das Aktinfilament am Myosin vorbei - dies wird als "erster Kraftschlag" bezeichnet
• Die vielen hintereinandergeschalteten Myosinköpfchen verkürzen das gesamte Sarkomer

Schritt 3:

• Nach der Bewegung setzt das Myosinköpfchen das ADP frei. Anschließend knickt das Myosinköpfchen um weitere 5 Grad ab, was als "zweiter Kraftschlag" bezeichnet wird. Trotzdem bleibt es am Aktin gebunden

Schritt 4:

• Durch eine erneute Bindung von ATP an das Köpfchen löst sich das Myosin vom Aktin. Bleibt die ATP-Bindung aus, kommt es zur Ausbildung des Rigorkomplexes (Totenstarre)

Schritt 5:

• Bei einer intrazellulären Ca²⁺-Konzentration, die höher als ca. 1 μmol/l ist, startet der Zyklus erneut von vorne

Schritt 6:

• Ist die intrazelluläre Ca²⁺-Konzentration wieder auf den Ruhewert von 100 nmol/l zurückgekehrt, verbleibt der Myosinkopf mit dem gebundenen ATP vom Aktinfilament gelöst
• Aktin- und Myosinfilamente sind frei beweglich
• Muskel befindet sich im entspannten Zustand
• ATP hat eine „Weichmacherwirkung“
• Ein einzelner Zyklus verursacht nur eine Verkürzung des Sarkomers um ca. 1%
• Mehrere dieser Zyklen hintereinander verursachen eine stärkere Kontraktion (bis zu 100-mal pro Sekunde)
• Die dünnen Filamente bewegen sich zur M-Scheibe und die dicken Filamente zur Z-Scheibe
• Der Zyklus läuft gleichzeitig in allen Sarkomeren einer Muskelfaser ab
• Eine Skelettmuskelfaser kann sich um bis zu 50% verkürzen

 Info

Der Rigor mortis (= „Totenstarre“) ist ein postmortales Ereignis, bei dem sich aufgrund von fehlendem ATP die Muskeln des Körpers versteifen und erst durch den Abbau der Proteine durch Autolyse wieder gelöst werden können.

Relaxation

• Relaxation der Muskulatur hängt von Senkung der zytosolischen Ca²⁺-Konzentration ab
• Ca²⁺ kann durch Rücktransport ins sarkoplasmatische Retikulum durch SERCA und Speicherung durch Calsequestrin oder durch Transport in den extrazellulären Raum durch Na⁺/Ca²⁺-Antiporter gesenkt werden
• Tropomyosin rutscht zurück auf Myosin-Bindungsstellen, wenn Ca²⁺ -Konzentration ausreichend gesunken ist
• Kontakt zwischen Aktin und Myosin wird dauerhaft unterbrochen