Muskelphysiologie. Die Muskulatur des Menschen macht etwa 50% seiner Körpermasse aus.

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1 Muskelphysiologie Dr. Mária Dux Die Muskulatur des Menschen macht etwa 50% seiner Körpermasse aus. Themen: Skelettmuskulatur (etwa 400 Muskeln) Struktur Kontraktion Elektromechanische Kopplung Energetik Mechanik Glatte Muskulatur im Vergleich zu der Skelettmuskulatur 1

2 Histologie: Glatte Muskulatur Herzmuskulatur Skelettmuskulatur - Querstreifung - AP des Motoneurons löst die Kontraktion aus - willkürliche Steuerung - keine direkte Kommunikation zwischen Muskelfasern Kontraktion und Erschlaffung Im Körper: Bewegung und Transport -Atmung -Herz/Kreislauf -Magen-Darm-Kanal Die Skelettmuskulatur Muskel Durchmesser: µm Myofibrille Muskelfaser (Zelle) Erschlaffung A-Band I-Band M-Linie H-Zone Kontraktion Z-Linie Z-Linie Sarkomer (2 µm) 2

3 Skelettmuskelfaser Triadenstruktur T L Dickes Filament: MYOSIN Dünnes Filament: AKTIN TROPOMYOSIN TROPONIN Kontraktile Proteine Regulatorproteine Weitere Strukturproteine: α-aktinin Titin 3

4 Dystrophin-Mutation: Duchenne-Dystrophie (Der Erbgang ist X-chromosomal rezessiv) Der kontraktile Apparat ist über verschiedene Proteine mit dem Sarkolemm und Kollagenfibrillen der extrazellulären Matrix verbunden. Aufbau von Myosin- und Aktinfilamenten Myosin (2 schweren und 4 leichten Ketten): ATPase-Aktivität Hebelarm-Funktion bindet an Aktin Myosin G-Aktin Aktinmonomere binden: - andere Aktinmonomere, - Myosin, - Tropomyosin, - Troponin leichte Ketten schwere Ketten F-Aktin Tropomyosin Troponin dickes Filament dünnes Filament 4

5 Dünnes Filament Aktin Troponin Tropomyosin TnI TnC TnT Untereinheiten des Troponin TnI (Inhibitorische Untereinheit) TnC (Calcium-bindende Untereinheit) TnT (Tropomyosin-assoziierte Untereinheit) Aktin Bindungsstelle für Ca 2+ Troponin-Komplex TnC, TnI, TnT In der Abwesenheit von Ca 2+ der Querbrückenzyklus blockiert ist. Bindungsstelle für Myosin Bei Bindung von Ca 2+ an TnC wird die Blokade aufgehoben. 5

6 Gleitfilamenttheorie Breite des Sarkomers (µm) Breite der A Streifen (µm) Huxley A.F., Niedergerke R.: Structural changes in muscle during contraction. Interference microscopy of living muscle fibres. Nature, 173, (22 May 1954) Huxley H.E., Hanson J.:Changes in the cross-striations of muscle during contraction and stretch and their structural interpretation. Nature, 173, (22 May 1954) Motorische Einheit Rückenmark 1. Motorische Einheit 2. Motorische Einheit Motoneuron Axon Dying Lioness, ca. 650 B.C. Palace of Ashurbanipal at Ninevah Muskel Muskelfaser 6

7 Elektromyographie Mit Hilfe von konzentrischen Nadelelektroden lassen sich die Potentialschwankungen einzelner motorischer Einheiten ableiten. Auch Messungen der Potentialänderungen auf der Haut mit Oberflächenelektroden sind möglich, jedoch wesentlich unpräziser. Neuromuskuläre Synapse Presynaptische Endknöpchen Muskelfaser aktive Zone subsynaptische Einfaltungen Muskelfaser 7

8 Neuromuskuläre Synapse Endplattenpotential motorische Endplatte Hemmung der neuromuskulären Erregungsübertragung Acetat Hemmung der ACh-Freisetzung: Botulinustoxin Hemmung der ACh-Rezeptoren: Curare, d-tubocurarin (kompetitive Hemmung) Succinylcholin (depolarisierendes Muskelrelaxans) Bildung von Antikörper gegen den nicotinischen ACh-Rezeptor: Myastenia gravis Hemmung der Acetylcholinesterase: reversibel: Neostigmin irreversibel : Insektizide, chemische Kampfstoffe 8

9 Elektromechanische Kopplung Dihydropyridin- Rezeptor (DHPR) Ryanodin- Rezeptor (RyR) Ca M Ca 2+ <10-7 M Kalsequestrin: kda Protein 1 Molekül bindet Ca 2+ Mg 2+ -abhängige ATPase Querbrückenzyklus Ca 2+ 9

10 Elektromechanische Kopplung Dihydropyridin- Rezeptor (DHPR) Ryanodin- Rezeptor (RyR) Ca M Ca 2+ <10-7 M 10

11 Querbrückenzyklus Ca 2+ 11

12 ATP Ca 2+ Mg 2+ 5 Zyklen /sec Energieumsatz ATP Kreatinphosphat Kreatinphosphat + ADP Kreatin +ATP Glykolyse und Lipolyse - anaerob (Laktatproduktion) - aerob (Myoglobin) Myoglobin ist ein Muskelprotein aus der Gruppe der Globine. Myoglobin enthält eine sauerstoffbindende Hämgruppe, es kann Sauerstoff aufnehmen und wieder abgeben und ist verantwortlich für den intramuskulären Sauerstofftransport. 12

13 Energieliefernde Prozesse ATP Kreatinphosphat Anaerobe Glycolyse Aerobe Energiebereitstellung Typen der Skelettmuskulatur Typ I. Typ II. II. a II. b Langsame oxidative Schnelle Oxidative/glykolytische Schnelle glykolytische Geschwindigkeit der Kontraktion Ermüdung Mitochondriendichte Kapillarendichte Myoglobin-Gehalt ATPase-Aktivität von Myosin Durchmesser der Muskelfaser langsam langsam hoch hoch hoch langsam klein schnell mittelmäßig hoch hoch hoch schnell mittelmäßig schnell schnell niedrig niedrig niedrig schnell groß Marathonläufer Kurzstreckenläufer 13

14 Die Zahl der Gene, die sich mit sportlichen Höchstleistungen in Verbindung bringen lassen, wächst unaufhörlich ( 200). schnelle Myosin-Isoformen Michael Phelps der erfolgreichste Olympionike der Geschichte. Ermüdung Abfall der intrazellulären ATP-Konzentration Abfall des intrazellulären ph-wertes (Laktat) Transmitterverarmung + Psychologische Ermüdung Wärmeproduktion (Wirkungsgrad ist max %) Thermoregulation Kältezittern/Willkürbewegung 14

15 Totenstarre (Rigor mortis) Kein ATP! Kontraktur Kontraktion ohne Aktionspotentiale Androgene, Wachstumshormon anabole Wirkung Kontraktion der Muskelfaser 15

16 Überlagerung der Kontraktionen Zuckung unvollständiger Tetanus vollständiger Tetanus Zeit (ms) 16

17 Die Muskelkraft von Willkürbewegungen kann durch: 1) Erhöhung der Aktionspotential-Frequenz in den einzelnen motorischen Einheiten, und 2) Rekrutierung zusätzlicher motorischer Einheiten gesteigert werden. Größenprinzip Muskel Formen der Muskelkontraktion Sensor Verkürzung Kraft Zeit ISOTONISCHE KONTRAKTION (Verkürzung) Muskel Zeit ISOMETRISCHE KONTRAKTION (Kraftgenerierung) AUXOTONE KONTRAKTION (Verkürzung UND Kraftgenerierung) Vorlast Nachlast 17

18 Kraft-Längen-Beziehung Isotonische Kontraktion Isometrische Kontraktion Passive Kraft: Dehnung der Titinmoleküle. Aktive Kraft: Die Strukturumlagerungen beim Kraftschlag im Verlauf des Querbrückenzyklus führen bei festgehaltener Filamentposition zu elastischer Verformung des Myosinkopfes. Kraft Ruhelänge des Muskels aktive Kraft gesamte Kraft passive Kraft Länge Einfluss der Sarkomerlänge auf aktive isometrische Kraft 18

19 Die Beziehung zwischen Muskelkraft/Last und Verkürzungs-/Dehnungsgeschwindigkeit Isotonische Kontraktion Isometrische Kontraktion Die glatte Muskulatur Verkürzung: max. 70% der Ruhelänge (Skelettmuskel max. 40% der Ruhelänge) 19

20 Calmodulin ist ein Ca 2+ -Sensorprotein (eine regulatorische leichte Kette) + Tropomiosin, Caldesmon, Calponin Kein Troponin! Regulation des Querbrückenzyklus beim glatten Muskel MLCK: Myosin-leichte-Ketten-Kinase MLCP: Myosin-leichte-Ketten-Phosphatase 20

21 Ca 2+ Signal + Mechanomechanische Koppelung mechanosensitive Ca 2+ -Kanäle der Membran Ca 2+ -induzierte Ca 2+ Freisetzung RyR: Ryanodinrezeptor Ca 2+ -Sensitivierung und Ca 2+ -Desensitivierung NO Stickstoffmonoxid MLCK Myosin-leichte-Ketten-Kinase MLCP Myosin-leichte-Ketten-Phosphatase 21

22 Haupttypen Muskelschicht Endothel MULTI-UNIT-TYP Irismuskeln Ziliarmuskulatur Pilomotoren Arterie SINGLE-UNIT-TYP Blutgefäßmuskeln Darmmuskulatur Uterus Gap Junctions funktionelles Synzytium Die Kontraktion ist langsamer und weniger energieaufwendig als im Skelettmuskel. ATPase-Aktivität ist niedrig. ATP-Spaltung ist mal langsamer als bei der Skelettmuskulatur. langsam sparsam 22

23 gap junctions funktionelles Synzytium Schrittmacherzellen SINGLE-UNIT-TYP Myogener Tonus - bei Dehnung werden die Schrittmacherzellen zunehmend depolarisiert - über das vegetative Nervensystem moduliert Keine Spontanaktivität MULTI-UNIT-TYP Vegetative Nervenfasern innervieren die Muskelzellen, die aus Varikositäten erregende oder hemmende Neurotransmitter freisetzen. Dehnung führt nur vorübergehend zu passiven Rückstellkräften, die rasch abklingen (Füllung der Harn- oder Gallenblase). Stress-Relaxation" 23