der quergestreiften und glatten Muskulatur

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1 Aufbau und Funktionsweise der quergestreiften und glatten Muskulatur Quergestreifte Muskulatur Skelettmuskel + Herzmuskel Kornelia Jaquet Glatte Muskulatur Eingeweide Blutgefäße Buchempfehlung: Atlas of Heart failure Cardiac function and dysfunction von Wilson S Colucci; Lehrbücher der Pathobiochemie Buchempfehlung: Molecular Biology of the cell

2 Bau des Skelettmuskels 1Muskelfaser besteht aus 1 Zelle, die durch Verschmelzung vieler Zellen entstanden ist (Synzytium); y Kennzeichen :mehrkernig Fasern sind dicht gepackt mit parallel angeordneten Myofibrillen (kontraktile Elemente) Substrukturen der Myofibrillen: Sarkomere kleinste kontraktile Einheit)

3 Aufbau der Herzmuskulatur Herz: Pumpe Rechte kleinere Herzhälfte pumpt sauerstoffarmes Blut, welches aus dem Körper zufließt, in die Lungen Linke größere Herzhälfte pumpt sauerstoffreiches Blut, welches aus den Lungen zufließt, in den Körperkreislauf Muskelfasern des Herzens sind aus einzelnen ein-max. 3kernigen Zellen aufgebaut Zellen enthalten als kontraktile Elemente Myofibrillen Myofibrillensubstruktur: Sarkomere

4 Die kontraktilen Elemente der quergestreiften Muskulatur Sarkomeraufbau Dicke Filamente (Myosinfilamente): bisymmentrisch von der M-Scheibe Dünne Filamente (Aktinfilamente): Verankert in der Z-Scheibe (Verankerungsproteine, Verbindung zu Cytoskelett, extrazellulärer Matrix, Zellkern, benachbarte Sarkomere) Morita et al., (2005) JCI, 115, 518

5 Proteine des Sarkomers Kontraktile Proteine: Myosin, Aktin Regulatorproteine: z.b. Tm, Tn (quergestreifte Muskeln) ) Verankerungsproteine: z.b.

6 Glatte Muskulatur Gefäßaufbau

7 Kontraktion der glatten Muskelzellen Bei Kontraktion: o: Abkugelung bugeugder Zelle ee Wechselwirkung zwischen Aktin und Myosin Dense bodies Ausmaß ßder Kontraktion ki des Muskels bestimmt Gefäßradius und somit den Blutfluß

8 Kontraktile Elemente Dickes Filament Dünnes Filament Kontraktile Proteine (glatte+quergestreiftel t Muskulatur) Myosin Aktin

9 Kontraktile Proteine: Aufbau Hexamer

10 Myosinfamilie Membranbindung, endocytotische Vesikel, Myosin II nm Muskelkontraktion kti 5-10 nm Vesikeltransport 36 nm Endocytose 30 nm Cytoplasmatische Bewegung 35 nm

11 Myosin und das Dicke Filament Hexamer Hexameren

12 Modell eines Aktinfilamentes mit 1 Myosinkopf an 1 Aktinmonomer 1-3 Köpfe sind immer am Aktinfilament gebunden

13 Anordnung des Myosins im Sarkomer

14 G-Aktin Subdomäne IV ATP-Bindungsspalte Subdomäne II Subdomäne III Subdomäne I

15 F-Aktin: Pseudohelix, gerichtet Aktinfilamente (F-Aktin) enthalten nur ADP Spitzes Ende pointed Monomeres Aktin (G-Aktin) bindet ATP; ATP-Hydrolyse : wichtig für Filamentbildung IV II III I Stumpfes Ende barbed

16 Querbrückenzyklus Läuft auch in der glatten Muskulatur ab, ATP-Hydrolyse ist langsamer!

17 Regulatorproteine Dickes Filament Dünnes Filament quergestreift glatt Myosinbindeprotein C Tropomyosin (MyBP C) Troponin MLC MLC Tropomyosin Caldesmon Calmodulin

18 Quergestreifte Muskulatur Dickes Filament MyBPC

19 Myosinbindeprotein C Ig-Domäne Aus: Oakley et al., (2004) Cell Res 14: Fn-Domäne

20 Wechselwirkungen des Myosinbindeproteins mit Myosin, Aktin und Titin WW beeinflußbar durch Phosphorylierung Aus: Sadayappan et al (2009) Circulation. 119,

21 Wirkungsweise des Myosinbindeproteins C Definiert den Abstand zwischen den Myosinmolekülen im dicken Filament und die WW von Aktin-Myosin (Kraft/Relaxation) Aus: Oakley et al., (2004) Cell Res 14: Basierend auf Moolman-Smook et al (2002) Circulation 91: Phosphorylierung/ Dephosphorylierung beeinflusst die Aktin Myosin- Wechselwirkung (Kontraktionskraft, Relaxationsgeschwindigkeit)

22 Regulatorproteine des dünnen Filamentes der quergestreiften Muskulatur Aus: Pirani et al (2006) JMB 357:707-17

23 Tropomyosin: Isoformen und Struktur Tropomyosinfamilie: 40 Tropomyosine von 4 Genen durch alternatives Splicing. Kombinationen der verschiedenen Isoformen und Verhältnisse zueinander ist spezifisch für einen bestimmten Zelltyp Funktion von Tm in glatten Muskelzellen kaum untersucht.

24 Tropomyosin αß Heterodimer und αα/ßß- Homodimer Verhältnis von α und ß- Ketten ist abhängig vom Muskeltyp Fötale + langsame (rote) Muskulatur: höherer Anteil an ß, schnelle (weiße) und Herz(kleine Säuger): mehr α und αß-mix, Herz (große Säuger) mehr α glatte Muskulatur: ß-Tm

25 Tropomyosinmoleküle (TM) überlappen sich Polymerisation des TMs wird getriggert ti tdurch Bindung des Troponin T-tropomyosinbindende Untereinheit des Troponinkomplexes Aus: Palm et al., 2003; Biophys J 84:

26 Im Quergestreiften Muskel ist im dünnen Filament Tropomyosin mit dem Troponinkomplex assoziiert Der Troponinkomplex: Troponin T (tropomyosin bindende UE) Troponin I (inhibitorische UE) Troponin C (calciumbindende UE)

27 Quergestreifter Muskel: Troponin T (ca 35 kda) Fixiert den Komplex an das dünne Filament, bindet Tropomyosin Bindet TnI und TnC Überträgt t Calciumsignal i l Ist ein Phosphoprotein op ote (PKC, CaMK),aber Funktion der Phosphorylierung ist unbekannt Viele Isoformen, hauptsächlich Splicingvarianten

28 Kardiale TnT-Isoformen

29 Troponin I: sterischer Inhibitor PKA CaMKII PKD, PKG ADGSSDAAR EPRPAPAPIR RRSSNYRAYTE Flexibler N-terminaler Arm= herzspezifisch PKC S S C-lobe ctncinteraction PKC pak Inhibitory region : H4: T S H1:43-79 H2: H3: ctntinteraction interaction N-lobe ctnc- (+Ca 2+ /contraction) Actin interaction (-Ca 2+ / inhibition)

30 Troponin I Phosphorylierung Am wichtigsten zur Feinregulation der Muskelkontraktion, d.h. zur Anpassung der Pumptätigkeit des Herzens an momentane Erfordernisse ist die Phosphorylierung durch die Proteinkinase A Die Proteinkinase A wird durch camp stimuliert. camp wird nach Bindung von Adrenalin an ß-adrenerge Rezeptoren durch die Adenylatcyclase synthetisiert Layland et al

31 Troponin C: Calciumbindung 2 hochaffine Ca2+/Mg2+ Bindestellen in der C-terminalen Domäne 1 niederaffine regulative Ca2+Bindestelle und ein nicht funktioneller Loop in der N-terminalen Domäne

32 Troponin: Regulator/ im Herz auch Signalintegrator Calciumbindende UE: ctnc Inhibitorische UE: ctni Tropomyosinbindende UE: ctnt Takeda et al., (2003) Nature 424, 35

33 Bindestelle für Myosinköpfchen Regulation durch Calcium Blocked-Zustand des dünnen Filamentes Closed- Zustand Open-Zustand, feste Bindung der Myosinköpfchen und kraftgenerierende Schritt Tropomyosin (TM), Myosinbindestellen sind verdeckt TM verändert Position Myosinköpfchen können locker binden Lockere Myosinbindung : Konformationsänderungen,T M verändert seine Position weiter

34 Funktionsweise von Troponin Niedrige intrazelluläre [Ca2+]: TnC ist Ca-frei, TnI bindet Aktin- Tm so, dass Myosinbindestellen blockiert sind Myosin - binding-site Actin Tropomyosin Myosin TnC TnT Erhöhung der intrazellulären [Ca2+] nach einem nervösen Impuls: Sättigung des TnCs mit Ca2+ Ablösung des TnI von Aktin-TM, Positionsänderung des TMs, Bindung von Myosin möglich Ca 2+ Actin Tropomyosin TnI Myosin TnC TnT Systole Ca-abhängige Bewegung des TnIs Takeda et al., (2003) Nature 424, 35

35 Regulation des Querbrückenzyklus durch Regulatorproteine Regulatorproteine des dünnen Filamentes (Tm, Tn) vermitteln die Calciumsensitivät, hemmen ohne Calcium den Kontraktionsprozess Feinregulation durch An-/Abschalten von Signaltransduktionsketten, insbesondere des ß-adrenergen Signalweges Regulatorproteine des dicken und dünnen Filamentes werden phosphoryliert h

36 Regulation der Kontraktion der glatten Muskulatur

37 Regulatorproteine der glatten Muskulatur Calmodulin Calciumbindendes Protein Dickes Filament: MLC Dünnes Filament Caldesmon Phosphoprotein Tropomyosin Kein Troponin

38 Calmodulin

39 Aufgaben des Calmodulin (CaM) bei der Kontraktion glatter Muskeln CaM Caldes mon CaM CaM MLCK MLCK= Myosin y leichte Kette

40 Caldesmon Mehrere Isoformen verschiedener Länge MY CaM or TM Repeats Ac ortm Ac Ac CaM Ac Bindungsbereiche für Myosin (MY), Calmodulin (CaM), Tropomyosin (TM), Aktin (Ac)

41 Regulation der Kontraktion durch Calmodulin und Caldesmon (ähnliche Funktion wie TnI) Ca 2+ : relaxiert-10-7 Bindestellen für Myosin blockiert

42 Regulation durch Calcium Ca 2+ : 10-5 Freisetzung der Myosinbindestellen nach Calciumbindung an Calmodulin und Bindung von Ca-CaM an Caldesmon, Phosphorylierung h des caldesmon stabilisiert i t diese Konformation

43 Regulation durch Phosphorylierung Myosin kann aber erst binden, wenn die Myosin leichte Kette durch eine y, y spezifische Kinase (MLKK) phosphoryliert wurde. Die MLKK wird durch CA-CaM aktiviert.