(Microsoft PowerPoint - muskel16 [Kompatibilit\341si m\363d])

2016.10.03.
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
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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
Myofibrille
Durchmesser: 10-100 µm
Muskelfaser
(Zelle)
A-Band
I-Band
Erschlaffung
M-Linie
H-Zone
Kontraktion
Z-Linie
Z-Linie
Sarkomer (2 µm)
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Skelettmuskelfaser
Triadenstruktur
„T”„L”
Dickes Filament: MYOSIN
Dünnes Filament: AKTIN
TROPOMYOSIN
TROPONIN
Kontraktile Proteine
Regulatorproteine
Weitere Strukturproteine: α-Aktinin
Titin
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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
Aktinmonomere binden:
- andere Aktinmonomere,
- Myosin,
- Tropomyosin,
- Troponin
G-Aktin
schwere Ketten
leichte
Ketten
F-Aktin
Tropomyosin
dickes Filament
Troponin
dünnes Filament
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Dünnes Filament
Aktin
Troponin
TnI
TnC
Tropomyosin
TnT
Untereinheiten des Troponin
TnI (Inhibitorische Untereinheit)
TnC (Calcium-bindende Untereinheit)
TnT (Tropomyosin-assoziierte Untereinheit)
Bindungsstelle für Ca2+
Aktin
Troponin-Komplex TnC, TnI, TnT
In der Abwesenheit von Ca2+ der Querbrückenzyklus blockiert ist.
Bindungsstelle
für Myosin
Bei Bindung von Ca2+ an TnC wird die Blokade aufgehoben.
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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, 971-973. (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, 973-976. (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
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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
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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
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Elektromechanische Kopplung
DihydropyridinRezeptor (DHPR)
RyanodinRezeptor (RyR)
Ca2+≈10-3 M
Ca2+<10-7 M
Kalsequestrin: 44-67 kDa Protein
1 Molekül bindet 40-45 Ca2+
Querbrückenzyklus
Mg2+-abhängige ATPase
Ca2+
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Elektromechanische Kopplung
DihydropyridinRezeptor (DHPR)
RyanodinRezeptor (RyR)
Ca2+≈10-3 M
Ca2+<10-7 M
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Querbrückenzyklus
Ca2+
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ATP
Ca2+
Mg2+
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.
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Energieliefernde Prozesse
Anaerobe Glycolyse
ATP
Aerobe Energiebereitstellung
Kreatinphosphat
Typen der Skelettmuskulatur
Typ II.
Typ I.
II. a
Geschwindigkeit der Kontraktion
Ermüdung
Mitochondriendichte
Kapillarendichte
Myoglobin-Gehalt
ATPase-Aktivität von Myosin
Durchmesser der Muskelfaser
II. b
Langsame
oxidative
Schnelle
Oxidative/glykolytische
Schnelle
glykolytische
langsam
langsam
hoch
hoch
hoch
langsam
klein
schnell
mittelmäßig
hoch
hoch
hoch
schnell
mittelmäßig
schnell
schnell
niedrig
niedrig
niedrig
schnell
groß
Marathonläufer
Kurzstreckenläufer
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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. 40-50%)
Thermoregulation – Kältezittern/Willkürbewegung
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Totenstarre
(Rigor mortis)
Kein ATP!
Kontraktur – Kontraktion ohne Aktionspotentiale
Androgene, Wachstumshormon – anabole Wirkung
Kontraktion der Muskelfaser
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Überlagerung der Kontraktionen
unvollständiger Tetanus
vollständiger
Tetanus
Zuckung
Zeit (ms)
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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
Formen der Muskelkontraktion
Sensor
Muskel
Kraft
Verkürzung
Muskel
Zeit
Zeit
ISOTONISCHE KONTRAKTION
(Verkürzung)
ISOMETRISCHE KONTRAKTION
(Kraftgenerierung)
AUXOTONE KONTRAKTION
(Verkürzung UND Kraftgenerierung)
Vorlast
Nachlast
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Kraft-Längen-Beziehung
Isotonische Kontraktion
Ruhelänge des Muskels
Passive Kraft: Dehnung
der Titinmoleküle.
gesamte
Kraft
Kraft
Aktive Kraft: Die Strukturumlagerungen
beim Kraftschlag im Verlauf des
Querbrückenzyklus führen bei
festgehaltener Filamentposition zu
elastischer Verformung des
Myosinkopfes.
Isometrische Kontraktion
aktive
Kraft
passive
Kraft
Länge
Einfluss der Sarkomerlänge auf aktive isometrische Kraft
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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)
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Calmodulin ist ein
Ca2+-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
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„Ca2+ Signal”
+ Mechanomechanische Koppelung
mechanosensitive Ca2+-Kanäle der Membran
Ca2+-induzierte Ca2+ Freisetzung
RyR: Ryanodinrezeptor
Ca2+-Sensitivierung und Ca2+-Desensitivierung
NO
MLCK
MLCP
Stickstoffmonoxid
Myosin-leichte-Ketten-Kinase
Myosin-leichte-Ketten-Phosphatase
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Haupttypen
Muskelschicht
Endothel
Arterie
MULTI-UNIT-TYP
Irismuskeln
Ziliarmuskulatur
Pilomotoren
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 100-1000mal langsamer als bei der
Skelettmuskulatur.
„langsam” „sparsam”
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SINGLE-UNIT-TYP
gap junctions – funktionelles Synzytium
„Schrittmacherzellen”
Myogener Tonus
- bei Dehnung werden die Schrittmacherzellen
zunehmend depolarisiert
- über das vegetative Nervensystem moduliert
MULTI-UNIT-TYP
Keine Spontanaktivität
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"
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