Prof. Dr. Michael Pfaffl Lehrstuhl für Physiologie Weihenstephaner Berg 3 85354 Freising-Weihenstephan michael.pfaffl@wzw.tum.de Muskelphysiologie Biotechnologie + Biochemie + Bioprozesstechnik SS 2011 Übersicht - Muskelphysiologie Muskeltypen quergestreifte Muskulatur glatte Muskulatur Herzmuskulatur Myogenese und Entwicklung der Fasertypen Muskelaufbau der Skelettmuskulatur Makroskopischer Aufbau Mikro-Anatomie der Muskelfaser Aktin- und Myosinaufbau Erregungsübertragung molekulare Grundlagen der Muskelkontraktion Reflex 1
Unterschiedliche Typen der Muskulatur quergestreifte Muskeln (= Skelettmuskulatur) glatte Muskulatur (= Eingeweidemuskulatur und die Muskeln der Blutgefäße) Herzmuskulatur quergestreifte Muskulatur oder Skelettmuskulatur Quergestreifte Skelettmuskulatur symmetrischen Aufbau der Myofibrillen, die parallel in einer Muskelfaser liegen und 0,5-2 µm dick sind; Die kontraktilen Proteine Aktin und Myosin sind streng symmetrisch in einer Myofibrille angeordnet und schieben sich bei einem Kontraktionsvorgang teleskopartig ineinander; Jede Zelle besitzt mehrere randständige Kerne; Kann für kurze Zeit große Kräfte aufbringen, ermüdet aber schnell ; Unterliegt dem Willen 2
glatte Muskulatur - 1 meist länglichen, zum Teil auch stark verzweigten Muskelzellen; durchschnittliche Länge beträgt 80 µm, ihre Dicke 2-7 µm; Jede Zelle besitzt einen Kern, der in der Mitte der Zelle liegt; Die Kontraktilität beruht ebenfalls auf sehr feinen Myofibrillen; Lichtmikroskopisch homogene Fasern v.a. in den inneren Organen; relativ kleiner Anteil an Strukturproteinen; Untersteht nicht unseren Willen; Erregung entsteht durch Einwirken des vegetative Nervensystem; glatte Muskelzelle kann von gesamten Membranoberfläche erregt werden; [im Gegensatz zur Skelettmuskulatur, die nur über motorischen Endplatten innerviert werden kann] Vorkommen in den inneren Organen: an Blutgefäßen, an der Speiseröhre am Magen-Darm-Trakt, an Bronchien an Harnleiter, Harn- und Gallenblase an allen Hohlorgane des Körpers, glatte Muskulatur - 2 Sie befinden sich in wechselnden Spannungszustand, den man Tonus nennt; Tonus führt nicht zur Ermüdung. Innervation durch Nervenerregung des Sympathicus und Parasympaticus; Es wird eine gesteigerte Spannung oder Entspannung bewirkt; Transmitter: Noradrenalin - SNS; Acetylcholin - PNS Spontan-aktive Muskeln: Kontraktion kann ohne Einwirkung von Nervenimpulsen aufrechterhalten werden; Dies geschieht langsam, um bei geringst möglichem Energieverbrauch längere Zeit in einem Verkürzungs- oder Dehnungszustand verharren zu können; beruht auf spontaner Depolarisation von Schrittmacherzellen; Ausbreitung des Potentials über die Gap-Junctions auf den ganzen Zellverband; Halteleistung ist notwendig, um röhren- oder kugelförmige Hohlräume gleichmäßig zu vergrößern oder zu verkleinern. Reguliert z.b. die Weite des Magen-Darm-Kanals und der Harn- + Gallenblase; Nicht spontan-aktive Muskeln: v.a. in Blutgefäßen, Iris und Samenleiter; 3
Gap Junctions Membranen steht dicht zusammen, daß über eine Plasmabrücke durch spezielle Ionenkanäle (= Connexine) die Ladung direkt von einer Zelle zur anderen Zelle übergehen kann; Anordnung in sog. Clustern ; schnelle und ungehinderte Signalübertragung gewährleistet; z.b., Herzmuskel zwischen den Muskelzellen, in glatter Muskulatur, im Großhirn und in der Netzhaut; Herzmuskulatur Herzmuskulatur hat besondere Bauart = Hohlmuskel; In mancher Hinsicht nimmt sie eine Mittelschicht zwischen glatter Muskulatur und Skelettmuskulatur ein; So besitzen die Herzmuskelfasern mittelständige Kerne wie die glatte Muskulatur und eine Querstreifung wie die Skelettmuskelfasern; Zellen sind verzweigt und netzartig durch besondere Kittlinien (Glanzstreifen) miteinander verbunden; Herztätigkeit entsteht durch Eigenerregung in den Autonomiezentren: Sinus-Knoten, AV-Knoten His-Bündel mit Purkinje Fasern Modulation der Herztätigkeit über Neurotransmitter; Reich an Mitochondrien; Herzmuskulatur arbeitet unabhängig von unserem Willen; 4
Myogenese (Entstehung der einzelnen Muskelfasern) mesodermale Stammzelle => Teilung => Myoblasten => => primären Myotuben => Myofasern Typ 1 => sekundären Myptuben => Myofasern Typ 2 (IIa;Ib; IIc) mesodermale Stammzelle => Satellitenzellen (zwischen den Muskelfasern) 5
Muskelfasertypen weiße Muskelfasern (Muskelfasertyp IIb): relativ dick, enthalten relativ mehr Myofibrillen, weniger Mitochondrien, weniger Sarkoplasma mit geringerer Myoglobinkonzentration => schnelle Kontraktion aber rasche Ermüdung durch den geringeren Myoglobingehalt und die geringere Mitochondrienanzahl rote Muskelfasern (Muskelfasertyp I und IIa): relativ dick, enthalten weniger Myofibrillen, mehr Sarkoplasma (bis zu 40% der Muskelmasse) mit höheren Myoglobinkonzentrationen; viel mehr Mitochondrien => relativ langsame Kontraktion aber sehr ausdauernd intermediäre Muskelfasern (Muskelfasertyp IIc): haben Merkmale der weißen und roten Muskelfasern; Postnatales Muskelwachstum Die Anzahl der Muskelfaserzellen liegt mit der Geburt fest; danach findet primär eine Zunahme der Muskelfaserdurchmesser und - längen (= Hypertrophie) nicht aber der - Anzahl statt. Neue Myonuclei können mit den bestehenden Muskelfasern verschmelzen (Kern/Plasma-Relation!); diese stammen aus noch verbliebenen myogenen Zellen (= Satellitenzellen), die zwischen der Basalmembran der Muskelfaserzelle und dem Sarkolemma liegen Hypertrophie Erhaltung der Kern/Plasma Relation v.a. im post-natalen Wachstum Hyperplasie (fibre-splitting) v.a. im prä-natalen Wachstum Regeneration im post-natalen Wachstum 6
Anatomischer Aufbau der Skelettmuskulatur = quergestreifte Muskulatur Muskel ist von einer Muskelhaut (= Fascie) umgeben, die die Außenhülle und Führungsröhre des Muskels darstellt. Der Muskel besteht aus einer Anzahl von Strängen, die wiederum ihrerseits von einer Bindegewebshülle umgeben ist. Der Muskelstrang setzt sich aus Bündeln von Fasern (= Muskelzellen) zusammen. Die Umhüllung der Muskelfasern wird Sarkolemm genannt. Innerhalb der Fasern verlaufen die kontraktilen Fibrillen. Die Fibrille besteht aus unterschiedlichen dicken Eiweißfäden Muskelfilamenten (Aktin & Myosin) Quergestreiften Muskelfasern sind schlauchförmig (bis 15 cm lang und 0,1 mm dick) In ihnen liegen zahlreiche wandständige Zellkerne (30-40 pro mm Faserlänge) in einem gemeinsamen Sarkoplasma (vielkerniges Synzytium): Im Sarkoplasma befinden sich wiederum: Mitochondrien: Myoglobin: aerobe Energiegewinnung = Kraftwerke der Zelle. Sauerstoff bindender roter Muskelfarbstoff im Sarkoplasma Sarkotubuläres System: a) transversales System: senkrecht zur Faserachse mit Einstülpungen der Außenmembran b) Longitunales System: sarkoplasmäres Reticulum; parallel zu den Fibrillen mit terminalen Zisternen Skelettmuskel wird von kollagenen Bindegewebe umschlossen, das mit Septen in das Innere des Muskels einstrahlt, diesen in einzelne Faserbündel aufgeteilt und schließlich jede einzelne Muskelfaser umspinnt => Halt für den Muskel 7
Fascie Septen mit Nerven- und Blutgefäßen (Kapillaren) sub-synaptischer Faltenapparat Bindegewebshüllen Muskelfasern kontraktilen Filamente: Aktin + Myosin Sarkoplasma mit Myoglobin und Mitochondrien Homogener mikroanatomischer Aufbau einer Muskelfaser (im Querschnitt) 8
I-Streifen mit Z-Scheiben H-Streifen A-Streifen mit Myosin und Aktin Sarkomer Längsschnitt Sarkomer ist die kleinste funktionelle Einheit (2 µm) liegt zwischen zwei Z-Scheiben und besteht aus Aktinfilamenten, Myosinfilamenten und den Regulatorproteinen (Tropomodulin, Titin und Nebulin) 9
Myosinmolekül ca. 50% des intrazellulären Proteins Myosinmoleküle besteht aus zwei verdrillten Proteinen Proteine sind am Ende in zwei Köpfchen verdichtet; Unterteilung auch in Schwanz-, Halsund Kopfbereich, Halsbereich Myosinfilament (ca. 1,6-2,2 µm) bestehen aus mehreren Myosinmolekülen (ca. 200-300); dunklen Abschnitte der Querstreifung (A-Bande); Myosin-Hals und Myosin-Kopf Bereiche ragen seitlich aus dem Filament heraus (und können Querbrücken mit dem Aktin bilden); 10
Kopfbereich besitzt zwei Bindungsstellen: für Aktin-Filamente für ATP Aufbau der Aktinfilamente ca. 400 Aktinmoleküle liegen perlförmig entlang eines fadenförmigen Tropomyosin; verbunden über Aktin-Aktin-Bindungsstellen = Struktur einer Doppelhelix Tropomyosinmolekül erstreckt sich über 7 Aktinmoleküle und im Abstand von 40 nm liegen kugelförmige Troponinmoleküle an (Troponin -C; -I und -T ), die die Muskelkontraktion regulieren; [ In der glatten Muskulatur fehlt Troponin; statt dessen ist Caldesmon und Calponin vorhanden ] 11
Erregungsübertragung auf die Muskulatur Innervierung der Muskelzelle 12
Innervation der Muskelzelle EPSP = erregendes Endplattenpotentail (-70 mv) an motorischer Endplatte => post-synaptischer Na+ Einstrom in Muskelfaserzelle => löst Muskelpotential aus motorischen Einheit = jede Nervenfaser versorgt mehrere Muskelfasern (Rumpfmuskulatur bis zu 1000 Muskelfasern) jede Muskelfaser besitzt NUR EINE motorische Endplatte Einlaufende Muskelpotential wird im transversalen tubulärem System in das innere des Muskels geleitet; Muskelpotential springt auf longitunalen System über und bewirkt Freisetzung von Ca2+ aus den terminalen Zisternen; Latenzzeit ca. 1/1000 sec. Rücktransport des Ca2+ über Ca2+ Pumpen => im Sarkoplasma steigt Ca2+ Konzentration um das 100 bis 1000-fache an Nach Anstieg des Ca2+-Ionenkonzentration im Sarkoplasma => Konformationsänderung des Troponins am Aktinfilament Tropomysinfäden gleiten tiefer zwischen die beiden Aktinstränge und geben somit die Anheftungsstelle für das Myosin frei Anlagerung des Myosinkopfes am Aktinfilament + Ca 2+ 13
Kontraktion der Sarkomere Myosinkopf legt sich an Aktinfilament an Konformationsänderung am Myosinkopf => Drehung Enstehung einer schräggerichteten Kraft => Muskelfaserverkürzung Aktingerüst wird somit teleskopartig in Myosinfilamente hineingezogen = Gleitfilamenttheorie => Eine Längenänderung der einzelnen Filamente findet nicht statt Der elementare Aktin-Myosin Kontraktionszyklus Ca2+ E ATPase Wirkung des Myosin unter Mg2+ 14
Der elementare Aktin-Myosin Kontraktionszyklus 1) Myosinkopf fest mit Aktinmolekül verbunden = Aktomysin liegt vor Zum Lösen des Myosinkopfes (Querbrücke) ist ATP nötig => ATP bindet an Mysosin; 2) Hydrolsye des ATPs: ATP > ADP + Pi ATPase Wirkung des Myosins unter Anwesenheit von Mg2+ 3) nach der hydolytischen Spaltung kann Myosin wieder ein neues Aktin Molekül (ein Stück weiter) binden; 4) Kraftstufe: Erst wenn Pi freigesetzt wird => ensteht die eigentliche Kraftübertragung (E) die die Aktin und Myosinfilamente ineinander gleiten lässt; ADP Freisetzung: ADP wird jetzt wieder vom Myosinmolekül entfernt Zurück zu 1) neuer Kontraktionszyklus kann beginnen, wenn ausreichende Ca2+ Konzentrationen vorhanden sind! Muskelkontraktion = Verkürzung der Sarkomerlänge Muskeldehnung = Verlängerung der Sarkomerlänge Einzelne Anlagerung und Drehung des Myosinkopfes erfolgt eine Längenänderung des Sarkomers um ca 1% Weglänge ca. 10-20 nm Vorgang dauert 0,01-0,1 sec Bei wiederholter Anlagerung Verkürzung des Sarkomers um bis zu 30% der Länge möglich. 15
Energetik chemisch Energie in Form von ATP => ADP + Pi + Energie wird direkt in mechanische Energie umgewandelt = chemo-dynamisches Prinzip Energiespeicher in der Muskulatur ist Creatinphosphat (CP) ADP + CP <==> ATP + C 16
Energiebereitstellung für die Muskelkontraktion Energie zur Synthese von ATP und Creatinphosphat (CP) stammt aus dem Glykogenabbau (=> Glucoseabbau) oder aus der Oxidation freier Fettsäuren (FFS) und Proteine: Glucose + ADP + P + O 2 (oxidativer Abbau) => 36 ATP + H 2 O + CO 2 Glucose + ADP + P (anerober Abbau) => 2 ATP + Laktat Oxidation der FFS: Buttersäure (C 4) + ADP + P + O 2 => 27 ATP + H 2 O + CO 2 Stearinsäuren (C18) + ADP + P + O 2 => 146 ATP + H 2 O + CO 2 Totenstarre (rigor mortis) physiologische Eigenschaften bleiben einige Stunden nach den Tod bestehen; ATP und CP nehmen ab, Abbauprodukte reichern sich an; Kontraktion der Myosinköpfchen bleibt bestehen; => Erstarren der Muskulatur Eintritt der Totenstarre nach 3-6 h, abhängig vom Ermüdungsgrad der Muskeln und der Temperatur. Nach 1-3 d Lösen der Starre durch autolytische Prozesse (proteolytische und lipolytische Enzyme) Fleischreifung beginnt unmittelbar nach der Schlachtung: ph alkalisch bis neutral => nach 1,5-3,5 h Umschlag in den sauren Bereich durch Milchsäurebildung Die Säuerung ergibt ein zartes Fleisch mit lockerer Konsistenz Mit Einsetzen von Fäulnis wieder alkalische Reaktion 17
Maligne Hyperthermie Syndrom (MHS) - Streß Anfälligkeit (Abnormalität der Ca2+ Kanäle im sarkoplastischen Reticulum ) Links: Ca2+ Kanäle werden durch Ca2+, ATP, Mg2+ und Calmodulin reguliert und haben im stimulierten Zustand ein kurze Öffnungsphase; Rechts: Abnorme maligne Hyperthermie Ca2+ Kanäle sind sensitiver zu niedrigeren Ca2+ Konzentrationen, transportieren mehr Ca2+ und schließen langsamer => lange Öffnungsphase => anhaltende Muskelkontraktion => CO 2 ; Hitze und Laktat-Bildung => erhöhter Sauerstoffverbrauch => Zerstörung der Zellmembranen Reflex Verschaltung bei der eine sensorische Faser direkt mit einer motorischen Bahn verschalten ist Interneuron können zwischengeschaltet sein jedoch erfolgt keine Verbindung mit dem Gehirn diese Verschaltungen führen zu nicht willentlich kontrollierbare Reaktionen wie z. B. den Kniesehnenreflex oder andere Dehnungsreflexe der Muskulatur Man nennt diese Verschaltung einen Reflexbogen den Reiz- /Reaktionsablauf einen unbedingten Reflex 18
Reflex ist eine stereotypische Reaktion des Organismus auf einen Umweltreiz, die beim Überschreiten einer Reizschwelle unausweichlich wird. Reflexe laufen unbewußt ab wie z.b.: Hustenreflex, Patellarsehnenreflex, Lidschlagreflex. Funktion liegt in der Ausführung schneller Routineaufgaben Grundsätzlich besteht ein solcher Reflexbogen aus den Elementen: Rezeptor (Sinnesorgan); sensorisches (= afferentes) Neuron; ZNS, Gehirn oder RM: motorisches (= efferentes) Neuron; Effektor (Muskel /Drüse); Antagonistische Hemmung = Mechanismus der reziproke antagonistische Hemmung = gegenspielende Muskeln hemmen sich wechselseitig (z.b. m. biceps und m. triceps) Während eines Reflexes, der zu einer Muskelkontraktion führt, muss der antagonistische Muskel gehemmt werden, um die Ausführung der Kontraktion sicherzustellen. 19