Zusammenfassung
Die Besonderheit des Muskelgewebes ist seine Fähigkeit, Kraft aufzubauen und Körperteile zu bewegen. Ermöglicht wird dies durch die kontraktilen Myofilamente Aktin und Myosin, die gegeneinander verschoben werden können. Anhand der intrazellulären Anordnung dieser Myofilamente unterteilt man das Muskelgewebe in quergestreifte (Skelett- und Herzmuskulatur) und glatte Muskulatur (bspw. im Darm). Die molekulare Interaktion der kontraktilen Filamente unterscheidet sich wenig bei den verschiedenen Muskeltypen (Filamentgleittheorie), die Funktion hingegen sehr.
Muskelzellen
Überblick
- Funktion: Verkürzung bzw. Erzeugung von mechanischer Spannung
- Entstehung: Aus Mesoderm
- Histologische Klassifikation
- Quergestreifte Muskulatur
- Glatte Muskulatur
Grundlegender Aufbau einer Muskelzelle
Nomenklatur bei Muskelzellen | |
---|---|
Nicht-Muskelzelle | Muskelzelle |
Plasmamembran | Sarkolemm |
Zytoplasma | Sarkoplasma |
Endoplasmatisches Retikulum | Sarkoplasmatisches Retikulum |
Strukturelle Besonderheiten einer Muskelzelle
- Kontraktilität: Durch die Interaktion von sog. Myofilamenten aus Aktin und Myosin können Muskelzellen Spannung erzeugen bzw. sich verkürzen
- Calciumspeicher: Das sarkoplasmatische Retikulum (SR) dient als Calciumspeicher (wird für die Kontraktion benötigt) und ist unterschiedlich stark erweitert zu sog. L-Tubuli und Terminalzisternen
- Einstülpungen des Sarkolemms: Das Sarkolemm hat tief in die Zelle reichende Membrankanälchen in der quer gestreiften Muskulatur (sog. T-Tubuli) bzw. Membraneinbuchtungen in der glatten Muskulatur (Caveolae)
Strukturelle Unterschiede der Muskelzelltypen | |||
---|---|---|---|
Skelettmuskulatur | Herzmuskulatur | Glatte Muskulatur | |
Zellmorphologie | Große lange Zellen mit vielen randständigen Kernen | Verzweigte Zellen mit einem zentralen Zellkern | Spindelförmige Zellen mit einem zentralen Zellkern |
Funktionelle Einbuchtungen des Sarkolemms | T-Tubuli (1x) und Terminalzisternen (2x) bilden Triaden | T-Tubulus (1x) und Terminalzisterne (1x) bilden Diade | Caveolae (anstatt T-Tubuli) |
Myofilamente
Aufbau von Myofilamenten
Die Kraft sowohl der glatten als auch der quergestreiften Muskelzelle wird immer durch die Verschiebung von Aktin gegen Myosin erzeugt. Damit die Aktivität dieser Myofilamente gesteuert werden kann, verhindern spezielle Proteine deren freie Interaktion. Nur im Rahmen der Kontraktion werden diese Regulatorproteine durch Calcium so verändert, dass Aktin und Myosin interagieren können.
Aktinfilamente
- Synonym: Dünne Filamente
- Funktion: Aktinfilamente bilden die Schiene, an der die Myosinfilamente unter ATP-Verbrauch entlanggleiten
- Stabilisierung: Regulatorproteine wie Nebulin und Tropomyosin begleiten das Aktin auf ganzer Länge und verhindern dessen Depolymerisation
- Begleitproteine zur
- Blockierung der Myosinbindungsstellen: Tropomyosin (in quergestreifter und glatter Muskulatur), Caldesmon und Calponin (beides nur in glatter Muskulatur)
- Interaktion mit Calcium: Troponin (in quergestreifter Muskulatur) und Calmodulin (in glatter Muskulatur)
Myosinfilamente
- Synonym: Dicke Filamente
- Funktion: Gleiten unter ATP-Verbrauch an Aktinfilamenten entlang
- Aufbau
- Myosinfilament besteht aus ca. 300 Myosinmolekülen
- Myosinmolekül besteht aus einem Schwanz- und einem Kopfteil, die je nach Myosinart aus mehreren schweren und leichten Ketten gebildet werden
- Myosinköpfe haben sowohl Affinität zu Aktin, als auch ATPase Aktivität
- Schwere Ketten sind wie ein Zopf umeinander gewickelt, von dem auf beiden Seiten Myosinköpfe abstehen
Sowohl die quergestreifte als auch die glatte Muskelzelle vermittelt ihre Kontraktion immer über Aktin und Myosin! G-Aktin ist "globulär" und reiht sich wie Perlen auf einer Kette zu einem sog. Aktinf(!)ilament (daher F-Aktin genannt) zusammen!
Kardiales Troponin bei Herzinfarkt:
Der genaue Aufbau der Proteine des Troponinkomplexes (s.u.) unterscheidet sich leicht bei der Herz- und bei der Skelettmuskulatur. Dies wird im Rahmen der Herzinfarktdiagnostik genutzt. Verspürt ein Patient Enge in der Brust, liegt dies häufig entweder an einer relativen oder einer absoluten Sauerstoffunterversorgung der Herzmuskelzellen (z.B. beim Herzinfarkt). Bei einem Herzinfarkt werden Herzmuskelzellen aufgrund des absoluten Sauerstoffmangels geschädigt und geben ihren Zellinhalt ins Blut ab. Der Anstieg von kardialem Troponin im Blut deutet daher auf die Zerstörung von Herzmuskelgewebe und damit auf einen Herzinfarkt hin.
Anordnung von Myofilamenten
In quergestreiften Muskelzellen (Herz- und Skelettmuskel) sind die Myofilamente Aktin und Myosin in vielen kleinen und gleich aufgebauten Organisationseinheiten angeordnet. Jede dieser Einheiten wird als ein Sarkomer bezeichnet. Innerhalb einer quergestreiften Muskelzelle liegen eine Vielzahl dieser Sarkomere in Ketten hintereinander vor. Die von den Sarkomeren entwickelte Kraft wird über Intermediärfilamente wie Dystrophin auf das Sarkolemm und schließlich auf die Muskelsehne übertragen. Im glatten Muskel ordnen sich die Myofilamente nicht in Strukturen wie Sarkomeren an, sondern liegen mehr oder weniger "ungeordnet" in der Muskelzelle.
Anordnungsarten
- Glatte Muskulatur: "Ungeordnet"
- Quergestreifte Muskulatur: Sarkomere
Sarkomer der quergestreiften Muskulatur
- Definition: Kleinste Funktionseinheit der Myofilamente der quergestreiften Muskulatur
- Bestandteile
- Banden
- I-Bande: Bereich, in dem sich nur Aktinfilamente befinden
- A-Bande: Besteht aus drei Einzelabschnitten
- (Dunklere) Äußere Abschnitte: Parallele Ausrichtung von Aktin und Myosinfilamenten mit Köpfchen
- (Hellerer) Zentraler Abschnitt (sog. H-Zone): Parallele Ausrichtung von Myosinfilamenten, die hier keine Köpfe ausbilden und im Zentrum am sog. M-Streifen befestigt sind
- Streifen
- Z-Streifen: Trennen einen Sarkomer an beiden Seiten vom nächsten und dienen den Aktinfilamenten als Verankerung (über Verankerungsproteine, wie bspw. α-Aktinin)
- M-Streifen: Zentrum der H-Zone, an dem entgegengesetzt verlaufende Myosinfilamente befestigt sind
- Banden
- Verankerungen
- Quervernetzung der Z-Scheiben (der Sarkomere) und Verankerung selbiger im Sarkolemm: Intermediärfilamente (v.a. Desmin)
- Verbindung von (nicht kontraktilem) Aktin des Zytoskeletts mit Sarkolemm und Extrazellulärmatrix: Dystrophin-Glykoprotein-Komplex
- Verankerung der Muskelzelle im Endomysium mittels Kollagenfibrillen
- Anordnung: Sarkomerketten, getrennt durch Z-Streifen
Die regelmäßige Anordnung von einfach (isotrop: I-Bande) und doppelt brechenden (anisotrop: A-Bande) Banden erzeugen lichtmikroskopisch den Eindruck einer Querstreifung!
Zwischen M- und Z-Streifen eines Sarkomers der quergestreiften Muskulatur ist das Protein Titin gespannt. Es ist elastisch und wirkt wie eine Feder, um das Sarkomer nach Dehnung wieder in den Ausgangszustand zu bringen. Es begrenzt somit die passive Dehnbarkeit eines Muskels und schützt vor Schäden!
Bei der Kontraktion einer Muskelzelle gleiten die kontraktilen Filamente aneinander vorbei und verkürzen somit das Sarkomer. Die Länge der Filamente bleibt unverändert!
Muskeldystrophie Typ Duchenne
Skelett- und Herzmuskelzellen besitzen eine große Menge des Strukturproteins Dystrophin, das das Zytoskelett (an dem u.a. die kontraktilen Filamente befestigt sind) mit dem Sarkolemm sowie der Extrazellulärmatrix verbindet. Die genaue Funktion der verschiedenen Proteine des Dystrophinkomplexes ist noch unbekannt, jedoch wird diese Verbindung einerseits zur Übertragung von Kraft und andererseits zur Stabilisierung der Muskelzelle benötigt. Ist dieser Dystrophinkomplex nicht voll funktionsfähig (wie bspw. im Rahmen der Muskeldystrophien Typ Becker und Typ Duchenne) führt dies zu einem zunehmenden Kraftverlust und Untergang der quergestreiften Muskulatur. Je weniger funktionsfähiges Dystrophin vorhanden ist, desto früher und stärker zeigt sich die Muskelschwäche.
Kontraktion der Myofilamente
Mechanismen zur Auslösung eines Kontraktionszyklus
- Ziel: Übertragung der elektrischen oder chemischen Information auf die kontraktilen Filamente zur Initiation einer Kontraktion
- Bedingungen
- Auslösender Reiz
- Hohe intrazelluläre Calciumspiegel, damit Aktin und Myosin interagieren können
- Grundlegender Ablauf der elektro-/pharmakomechanischen Kopplung
- Ausgangszustand: Aktin und Myosin können nicht interagieren
- Auslösender Reiz depolarisiert Sarkolemm
- Elektrischer Reiz breitet sich über Sarkolemm aus → Einbuchtungen des Sarkolemms (T-Tubuli oder Caveolae) bringen Reiz in die Nähe von intrazellulären Strukturen
- Öffnung von Calciumkanälen im Sarkolemm und im sarkoplasmatischen Retikulum → Erhöhung der intrazellulären Calciumkonzentration
- Myosinbindungsstellen werden frei → Interaktion von Aktin und Myosin (siehe: Filamentgleittheorie) → Mechanische Kontraktion
Grundlegender Ablauf eines Kontraktionszyklus (Filamentgleittheorie)
Wird eine Muskelzelle durch einen elektrischen oder chemischen Reiz stimuliert, breitet sich eine elektrische Erregung über dem Sarkolemm aus. Die Übersetzung des elektrischen Reizes in eine mechanische Kontraktion wird elektromechanische Kopplung genannt und basiert auf der Verschiebung der beiden kontraktilen Filamente Aktin und Myosin gegeneinander. Wie diese Filamente auf molekularer Ebene miteinander interagieren, um eine Muskelbewegung auszulösen, wird anhand der sog. Filamentgleittheorie beschrieben.
- Funktion: Krafterzeugung, indem Myosin und Aktin aneinander vorbeigleiten; hierbei verkürzt sich lediglich das Sarkomer
- Kontraktionsbedingungen: Ausreichend ATP und hohe intrazelluläre Calciumkonzentration
- Ablauf
- Ruhestellung: Aktin und Myosin können nicht miteinander interagieren, da sie durch Begleitproteine (bspw. Tropomyosin) gehemmt werden.
- Kontraktionszyklus
- Aufrichten des Myosinkopfes
- Querbrückenbildung
- Aktivierung der Muskelzelle (bspw. chemisch, elektrisch) führt zu erhöhter intrazellulärer Calciumkonzentration (siehe: Elektromechanische Kopplung am Skelettmuskel ) → Bindung von Calcium an die Begleitproteine
- Konformationsänderung der Begleitproteine → Myosinbindungsstellen werden freigelegt
- Myosin bindet an freigewordenes Aktin im 90°-Winkel
- Kraftschlag des Myosinkopfes
- ADP und P werden vom Myosinkopf abgegeben → Abknickung des Myosinkopfes um 45°
- Myosinfilament zieht Aktinfilament durch Abknickung an sich entlang (sog. Kraftschlag) → Verkürzung der Sarkomere
- Lösen der Querbrücken
- Wiederholung des Zyklus
- Solange die Calciumkonzentration in der Muskelzelle erhöht bleibt, kann der Querbrückenzyklus erneut ablaufen
- Abhängig von ATPase-Aktivität (ATP-Spaltungsrate pro Zeiteinheit) der schweren Myosinkette sind etwa 10-100 Querbrückenzyklen pro Sekunde möglich
- Je mehr Querbrückenzyklen/Zeiteinheit ablaufen können, desto schneller und stärker ist die Muskelkontraktion.
- Ruhestellung: Erneuter Beginn des Kontraktionszyklus möglich
Rigor mortis
Um die Querbrücken zwischen den Muskelfilamenten Myosin und Aktin zu lösen, wird ATP benötigt. Stirbt ein Mensch, so wird in seinen Zellen kein weiteres ATP produziert, weshalb Aktin und Myosin nicht mehr voneinander gelöst werden. Die Muskeln werden steif, was als sog. Totenstarre (Rigor mortis) bezeichnet wird. Die Starre tritt dabei in der Regel zuerst in Muskeln auf, die zuletzt benutzt wurden.
Bereitstellung von Energie für die Kontraktion
Die Muskulatur benötigt stetig Energie, um einerseits ihre Struktur und ihre Ionengradienten aufrecht zu erhalten und um andererseits die Myofilamente Aktin und Myosin kontrahieren zu lassen. Ohne diese Energie in Form von ATP lösen sich die Myofilamente nicht mehr voneinander und der Muskel erstarrt. ATP wird im Skelettmuskel hauptsächlich aus der Verwertung von Glucose (Glykolyse) und Fettsäuren (β-Oxidation) erzeugt. Deren Stoffwechselprodukte werden dann in Citratzyklus und Atmungskette zur oxidativen Bildung von ATP verwendet.
Wird die Belastungsintensität kurzfristig stark gesteigert (bspw. bei kurzem Sprint aus dem Gehen heraus), steigt auch der Energieverbrauch der Muskulatur kurzfristig so stark an, dass Mechanismen zur Überbrückung dieses hohen Energiebedarfs einsetzen: Einerseits liefert die anaerobe Glykolyse aus Muskelglykogen Energie, andererseits produzieren Enzyme wie die Kreatinkinase und die Myokinase kurzfristig ATP aus energiereichen Verbindungen wie Phosphokreatin (Kreatinkinase) bzw. aus zwei Molekülen ADP (Myokinase). Phosphokreatin stellt also neben ATP eine weitere energiereiche Verbindung für die Muskelkontraktion dar. Doch sowohl die Vorräte an ATP als auch die an Phosphokreatin sind begrenzt. Für eine langanhaltende Belastung muss dann auf Energie aus der aeroben Zellatmung zurückgegriffen werden.
Details zum Myokardstoffwechsel und zum Stoffwechsel der Skelettmuskulatur werden in der Leistungsphysiologie dargestellt (siehe: Leistungsphysiologie und Altern).
Phosphokreatinstoffwechsel
Kreatinsynthese
- 1. Schritt: In der Niere
- 2. Schritt: In der Leber
- Reaktion: Methylierung von Guanidinoacetat zu Kreatin
- Enzym: Guanidinoacetat-Methyltransferase (Cofaktor: S-Adenosylmethionin)
Kreatinkinase
- Definition: Enzym, das die Umwandlung von Kreatin und ATP zu Phosphokreatin (= Kreatinphosphat) sowie die Gegenreaktion katalysiert
- Katalysierte Reaktion: Kreatin+ATP ↔︎ Phosphokreatin+ADP
Phosphokreatin ist zusätzlich zum ATP-Vorrat ein wichtiger kurzzeitiger Energiespeicher in der Muskelzelle!
Abbau von Kreatin
- Phosphokreatin wird nicht-enzymatisch unter Abspaltung des Phosphatrests und Ringschluss in Kreatinin umgewandelt
- Ausscheidung mit dem Urin
Myokinase (= Adenylatkinase)
- Definition: Enzym des Intermembranraums der Mitochondrien, das einen Phosphatrest von einem ADP auf ein zweites ADP überträgt und dadurch ATP bereitstellt
- Katalysierte Reaktion: ADP+ADP ↔︎ ATP+AMP
Glucose-Alanin-Zyklus
- Definition: Stoffwechselkreislauf, bei dem der Skelettmuskel toxisches Ammoniak aus dem Proteinabbau zur Leber führt und im Austausch Glucose zur Energiegewinnung erhält
- Wichtigstes Enzym: Alanin-Aminotransferase (ALT)
- Ablauf
- Beim Abbau von Muskelproteinen wird viel Alanin freigesetzt.
- Dieses wird über das Blut zur Leber transportiert und dort mithilfe der Alanin-Aminotransferase zu Pyruvat desaminiert.
- Pyruvat kann nun in die Gluconeogenese eingeschleust, also zu Glucose umgebaut werden, die wieder ins Blut abgegeben und zum Muskel transportiert wird.
- Dort kann die Glucose energiegewinnend abgebaut werden.
Da die Gluconeogenese mehr Energie verbraucht als die Glykolyse Energie bringt, kostet der Glucose-Alanin-Zyklus Energie! Er dient also im thermodynamischen Sinne nicht der Energiegewinnung des Organismus, sondern dazu, der Muskulatur Glucose bereitzustellen!
Cori-Zyklus
- Definition: Stoffwechselkreislauf, bei dem im Skelettmuskel gebildetes Lactat in der Leber wieder zu Glucose umgewandelt wird, die anschließend dem Skelettmuskel zur Energiegewinnung dient
- Wichtigstes Enzym: Lactatdehydrogenase (LDH)
- Ablauf
- Bei Sauerstoffmangel in der aktiven Skelettmuskulatur katalysiert die LDH die Reduktion von Pyruvat zu Lactat (anaerobe Glykolyse).
- Lactat wird über das Blut zur Leber transportiert, wo es wiederum durch die Aktivität der LDH zu Pyruvat oxidiert wird.
- Pyruvat dient als Ausgangsstoff der Gluconeogenese: Es wird in Glucose umgewandelt und über den Blutweg zum Muskel transportiert.
- Die Glucose dient der weiteren Energiegewinnung im Skelettmuskel.
Vergleich der verschiedenen Muskelgewebe
Vergleicht man quergestreifte und glatte Muskulatur, so finden sich viele strukturelle und funktionelle Gemeinsamkeiten. Es gibt jedoch sowohl im Aufbau als auch in der Funktion der verschiedenen Muskelgewebstypen entscheidende Unterschiede. In dieser Sektion werden explizit nur diese dargestellt.
Gegenüberstellung der kontraktilen Filamente
Skelettmuskulatur / Herzmuskulatur | Glatte Muskulatur | |
---|---|---|
Organisation/Ausrichtung | Sarkomere | "Ungeordnet" |
Interaktion mit Calcium | Troponin-Komplex | Calmodulin |
Blockierung der Myosinbindungsstellen | Tropomyosin | Tropomyosin mit Caldesmon und Calponin |
Verankerung | Z-Streifen (Skelettmuskel) / Glanzstreifen (Herzmuskel) | Dense Bodies |
Phosphorylierung der leichten Myosinketten notwendig | Nein | Ja |
Gegenüberstellung der Erregung und Kontraktion
Skelettmuskulatur | Herzmuskulatur | ||
---|---|---|---|
Auslösende/r Struktur bzw. Reiz |
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Besonderheiten der elektromechanischen Kopplung |
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Funktion als Einheit |
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Wiederholungsfragen zum Kapitel Muskelgewebe
Myofilamente
Welche Proteine verhindern im Skelettmuskel die Bindung von Aktin und Myosin?
Welches Muskelprotein verhält sich elastisch (ähnlich einer mechanischen Feder)?
Woraus besteht das Membranskelett einer Skelettmuskelfaser hauptsächlich?
Welche Funktion hat der Dystrophin-Glykoprotein-Komplex im Skelettmuskel?
Welche Funktion hat α-Aktinin im Skelettmuskel?
Welche Rolle spielen Aktinfilamente im Skelettmuskel?
Kontraktion der Myofilamente
Wozu führt im Rahmen des Querbrückenzyklus die Bindung von ATP an Myosin?
Wie lange dauert ein Querbrückenzyklus etwa und wovon hängt die Dauer eines Zyklus ab?
Welche Rolle spielt Calcium bei der Kontraktion der quergestreiften Muskulatur?
Bereitstellung der Energie für die Kontraktion
Welche Möglichkeiten zur kurzfristigen Energiegewinnung nutzt der Skelettmuskel?
Wie wird Kreatin synthetisiert? Wie erfolgt sein Abbau?
Welchen Zusammenhang kannst du zwischen Glucose-Alanin-Zyklus und Cori-Zyklus herstellen?
Vergleich der verschiedenen Muskelgewebe
Welches Protein blockiert in glatten Muskelzellen die Myosinbindungsstellen? Welches in der quergestreiften Muskulatur?
Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.
Meditricks
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Muskelgewebe
Muskelgewebe – Teil 1: Skelettmuskulatur
Muskelgewebe – Teil 2: Herzmuskulatur und Glatte Muskulatur
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