Elektrische und mechanische Erregungserscheinungen
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Tierphysiologisches Anfängerpraktikum Neurobiologie Elektrische und mechanische Erregungserscheinungen am schnellen Skelettmuskel Gruppe 26 Christine Naßhan Daniela Huber Enrico Pilz bei Rückfragen: [email protected] 26. Januar 2004 Universität Ulm WS 2003/2004 Elektrische und mechanische Erregungserscheinungen am schnellen Skelettmuskel Inhaltsverzeichnis 1 Theoretischer Hintergrund 1.1 Erregung & Aktionspotentiale 1.2 Muskelarten . . . . . . . . . . 1.3 Actin und Myosin . . . . . . 1.4 Muskelkontraktion . . . . . . 1.5 Tetanus und Tonus . . . . . . . . . . . 3 3 4 5 6 6 2 Material und Methoden 2.1 Einzelreize . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Doppelreize . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Reizserien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7 8 8 3 Ergebnisse 3.1 Einzelreize . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Doppelreize . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Reizserien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 9 11 12 4 Diskussion 4.1 Einzelreize . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Doppelreize . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Reizserien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 13 13 14 5 Literatur 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abbildungsverzeichnis 1 2 3 4 Muskulaturtypen . . . . . . . Sarcomer . . . . . . . . . . . Bestimmung der Reizschwelle Reizserien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 9 12 Elektrische und mechanische Erregungserscheinungen am schnellen Skelettmuskel 1 Theoretischer Hintergrund 1.1 Erregung & Aktionspotentiale Ein Neuron besteht aus Soma, Axon und Dendriten. Im Soma befindet sich der Zellkern und die wesentlichen Bestandteile der Zelle (Mitochondrien, Ribosomen etc.) Über Dendriten werden ankommende Signale von anderen Neuronen aufgenommen und elektrotonisch zum Axonhügel geleitet, wo dann ggfs. ein Aktionspotential (AP) ausgelöst wird. Dieses wird über das Axon weitergeleitet zur Synapse, die an dessen Ende sitzt . Dies geschieht durch Ausgleichsströme, da die angrenzenden Bereiche umgekehrt polarisiert sind (kontinuierliche Weiterleitung). Werden die Nachbarstellen über den Schwellenwert depolarisiert, entsteht ein sich fortpflanzendes Aktionspotential. Die Fortleitungsgeschwindigkeit ist von der Anzahl der Natriumkanäle und damit von der Dicke des Axons abhängig. Die besonders dicken Axone (1 mm Durchmesser) der Tintenfische können Geschwindigkeiten von 20 m/s erreichen. Um das Axon herum können Myelinscheiden gewunden sein, die die Fortleitungsgeschwindigkeit von 1 m/s ohne auf bis zu 120 m/s erhöhen können. Dies nennt man saltatorische Erregungsleitung, weil die Erregung von Schnürring zu Schnürring (Abstand: 1 bis 2 mm) springt. Dabei wird durch die Isolationshülle die Membrankapazität erniedrigt und die Längskonstante wird erhöht, Potentiale können sich dadurch elektrotonisch weiter ausbreiten. Die Zellmembran bildet mit ihrer Doppellipidschicht eine isolierende Schicht, die Elektrolyte nur über Proteine durchqueren können, z.B. Na⊕ und K⊕ -Kanäle. Ausserhalb der Zelle befindet sich ein Überschuß an Na⊕ -Ionen, innerhalb ein Überschuß an K⊕ -Ionen. Die Membran ist nur für K⊕ durchlässig, allerdings nicht für Na⊕ . Deshalb wandert Kalium nach innen aufgrund des Konzentrationsgradienten und Natrium wandert aufgrund der Ladungsunterschiede nach aussen. Da Na⊕ -Ionen nach innen wandern, liegt das Ruhepotential nicht bei -100 mV, sondern nur bei etwa -70 mV (-40 bis -80 mV). Die Ionenverteilung wird durch die NatriumKalium-Pumpe aufgebaut - allerdings ziemlich langsam. Für die Wiederherstellung nach einem Aktionspotential sind andere Mechanismen zuständig. Durch überschwellige Erregung werden die spannungsgesteuerten Natriumkanäle geöffnet und es strömt Natrium in die Zelle und das Membranpotential wird depolarisiert bis ca. 30 mV. Dadurch werden die spannungsgesteuerten Kaliumkanäle geöffnet und es strömt Kalium aus der Zelle, während die Natriumkanäle wieder geschlossen werden. Auf diese Weise wird das Ruhepotential nach einer Hyperpolarisation wieder hergestellt. Schließlich werden auch die Kaliumkanäle wieder geschlossen. Die Latenzzeit ist die Zeit zwischen einem Reiz und einer Reaktion. Die Refraktärzeit beschreibt die Zeit nach einem depolarisierenden Reiz, in der die Nervenmembran nicht erregt werden kann. Man unterscheidet die absolute Refraktärzeit, in der keine Aktionspotentiale ausgelöst werden können, von der relativen Refraktärzeit, in der auch bei starken Reizen nur kleine Aktionspotentiale ausgelöst werden können. Das Alles-oder-Nichts-Prinzip beschreibt die Tatsache, dass unterschwellige Reize kein AP und überschwellige Reize ein AP auslösen, wobei die absolute Höhe des AP durch Erhöhung der Reizstärke aber nicht weiter gesteigert werden kann. Ein Summen-AP sind die summierten Signale aller Fasern eines Bündels. 3 Elektrische und mechanische Erregungserscheinungen am schnellen Skelettmuskel 1.2 Muskelarten Es wird zwischen glatter und quergestreifter Muskulatur unterschieden, wobei die Herzmuskulatur ein Spezialfall der quergestreiften Muskulatur ist (s. Abb. 1). Abbildung 1: Muskulaturtypen, aus [4], muskulaturtypen.JPG Bei der glatten Muskulatur der Wirbellosen befinden sich neben dünnen Actinfilamenten (5-8nm) wesentlich dickere Filamente (15-150 nm) mit hohem Tropomyosin A Gehalt, diese werden Paramyosin-Filamente genannt. Bei der glatten (Eingeweide-)muskulatur der Wirbeltiere fehlt jegliche Querstreifung, zudem enthalten sie weniger Myosin. Actin und Myosin sind über Fokale an der Plasmamembran verankert. Die Muskelzellen sind meist spindelförmig und besitzen einen spindelförmigen Kern. Charakteristisch ist eine große Anzahl longitudial orientierter Myofilamente mit einheitlichem Durchmesser. Im Vergleich zur quergestreiften Muskulatur entwickeln sie weniger Kraft, können sich aber länger kontrahieren. T-Tubuli sind nicht und das SR kaum vorhanden. Sie sind auch kaum nötig, da die Erregung über die relativ kleine Zelle sich schnell genug überträgt. Glatte Muskeln kommen z.B. im Gastrointestinaltrakt vor. Der Herzmuskel ist ein quergestreifter Muskel, der nur im Herzen vorkommt. Er weist eine elektrische Kopplung über gap junctions zwischen den einzelnen Herzmuskelzellen auf. Die Herzmuskelzellen können selbst Aktionspotentiale (AP) generieren, da ihre Membran Schrittmachereigenschaften hat. So schlagen sie auch weiter, wenn sie in einer Zellkultur isoliert werden. Ihre Aktionspotentiale dauern mit (200 bis 300 ms) ca. 200mal länger als die APs der Skelettmuskulatur mit 1 bis 2 ms. Die helikalgestreifte Muskulatur ist eine weitere Sonderform der quergestreiften Muskulatur. Sie ist unter Evertebraten wie z.B. bei Nematoden, Molluscen, Anneliden weit verbreitet. Es gibt wie bei der Skelettmuskulatur A- und I-Banden, die Z-Scheiben stehen in einem Winkel von etwa 45◦ zur Faserachse. Damit können sehr schnell große Längenänderungen eintreten. Nun Skelettmuskulatur. Diese Muskeln können sich nur kontrahieren und sind daher in antagonistischen Paaren anzutreffen, z.B. Bizeps und Trizeps am Oberarm. Sie bestehen aus Muskelfaserbündeln, die sich meist über die gesamte Länge des Muskels erstrecken. Die Muskelfasern sind parallel im Muskelfaserbündel angeordnet und bestehen aus einem Bündel longitudialer Myofibrillen. Diese bestehen aus zwei Arten von Myofilamenten, Actin und Myosin. 4 Elektrische und mechanische Erregungserscheinungen am schnellen Skelettmuskel Abbildung 2: Sarcomer, aus [4], sarcomer.JPG Die Myofibrillen sind durch Z-Scheiben in Sarkomere, die Grundeinheiten des Muskels, gegliedert (s. Abb. 2). Die dünneren Actinfilamente sind dabei mit den Z-Scheiben verbunden und erstrecken sich in Richtung des Zentrums des Sarkomers, wo sich die dickeren Myosinfilamente befinden. So überlappen die Filamente im Ruhestand nicht vollständig, und es entsteht ein helles Band in dem nur Actinfilamente liegen, die I-Bande, und ein dunkles Band, das der Länge der Myosinfilamente entspricht und als A-Bande bezeichnet wird. Sie enthält Myosinfilamente und Actinfilamente. Der Bereich, in dem nur Myosinfilamente liegen wird als H-Zone bezeichnet. In dessen Mitte befindet sich die M-Scheibe, an der die Myosinfilamente ansetzen. Die verschiedenen Sarkomerbreiten während einer Kontraktion hängen davon ab, wie weit sich die Actinfilamente in die Myosinfilamente schieben. 1.3 Actin und Myosin Pro Sarkomer gibt es ca. 2 000 Actinfilamente, die jeweils 1 µm lang sind und einen Durchmesser von ca. 6 − 8 nm haben. Ein Filament besteht aus zwei umeinandergewundenen Strängen des globulären Proteins Actin (G-Actin, Molekulargewicht: 60 000 − 70 000) mit 150 bis 200 Molekülen. Damit bilden die Actinmoleküle eine Doppelhelix, die faserartig angeordnet ist und daher F-Actin genannt wird. In der dabei entstehenden Rinne ist alle sieben Actinmonomeren ein Troponin-Molekülkomplex (Molekulargewicht: 50 000) aufgelagert, der aus drei Untereinheiten I, C, T besteht. Hierbei steht I für inhibierendes Troponin, dies hemmt die Bindung zwischen Myosin und Actin. C ist das Ca2⊕ -bindende Troponin und T das in einer Doppelhelix um den Actinstrang herumgeschlungene Tropomyosin-bindende Troponin. Actin ist nicht nur im Zusammenhang Muskelkontraktion wichtig, sondern auch für intrazelluläre Vorgänge und die Versteifung der Mikrovilli. Es gibt pro Sarkomer ca. 1 000 Myosinfilamente, die jeweils 1, 5 µm lang sind und einen Durchmesser von ca. 12 nm haben. Sie bestehen aus zahlreichen Myosinmolekülen (Molekulargewicht: 470 000 − 600 000). Dies bilden zwei lange Polypeptidketten, die als α-Helix-Stränge 5 Elektrische und mechanische Erregungserscheinungen am schnellen Skelettmuskel spiralig umeinander gewunden sind und so den Mysinschaft bilden. Daraus ragen der Myosinarm und der beweglichen Myosinkopf hervor. Arm und Kopf werden auch als schweres Meromyosin (HMM, heavy) bezeichnet im Gegensatz zum Schaft, der leichtes Meromyosin (LMM) genannt wird. Der Kopf hat zwei Bindungsstellen: eine für ATP und eine für Actin. 1.4 Muskelkontraktion Bei der quergestreiften Muskulatur werden jeweils mehrere Muskelfaser (motorische Einheit) durch ein Neuron innerviert, welches sich an der neuromuskulären Endplatte in mehrere Synapsen aufteilt, die jeweils eine Muskelzelle ansteuern. Bei einem ankommenden AP über das Neuron öffnen sich auf der präsynaptischen Seite die spannungsgesteuerten Ca2⊕ -Kanäle, wodurch Calcium nach innen strömt. Dadurch wird ein Transmitter (z.B. Acetylcholin, Noradrenalin, Dopamin, Serotonin) in den Synapsenspalt abgegeben. Auf der postynaptischen Seite liegen die Rezeptoren für den Transmitter, die eine Öffnung der Na⊕ bewirken, wodurch die Erregung übertragen wird. Diese Erregung läuft an der Außenseite entlang und entlang der T-Tubuli (transversale Tubuli) in die Tiefe der Muskelfaser. Im Inneren werden nach dem Weg über den second messenger IP3 (Inositoltriphosphat) aus dem sarkoplasmatischem Retikulum Ca2⊕ -Ionen freigesetzt, die an das Troponin gebunden werden. Dadurch wird Tropomyosin aus seiner Lage gedrängt und die Myosinköpfchen (pro Myosinfilament ca. 350 Stück) können an das Actin binden. Dazu muss das Myosin vorher durch ATP-Verbrauch angeregt worden sein, was mit einer Konfirmationsänderung verbunden ist. Die Querbrücke nennt man Actomyosin-Komplex. Bei der folgenden Freisetzung der Energie geht das Myosin wieder seine energieärmere Konfirmation ein und übt dadurch eine Kraft auf das Actin aus, welches in Richtung Sarcomer geschoben wird. Dies kann wiederholt unter ATP-Verbrauch stattfinden, bis die Ca2⊕ -Ionen aktiv wieder entfernt werden. Pro Sekunde kann ein Köpfchen etwa 5 Querbrücken bilden und lösen. 1.5 Tetanus und Tonus Durch einen einzelnen (überschwelligen) Reiz wird eine Einzelzuckung ausgelöst. Mehrere Reize hintereinander bewirken bei langen Pausen einfach mehrere Einfachzuckungen hintereinander. Wenn der Reiz aber in den Kontraktionsvorgang des vorigens Reizes fällt, wird die Zuckung verstärkt (Superposition) und es kommt zum unvollständigen Tetanus, bei dem die Einzelzuckungen noch unterschieden werden können. Falls die Pause noch kürzer wird kommt es zum (vollständigen) Tetanus, die Einzelzuckungen können nicht mehr unterschieden werden. Die gesamte Reizantwort kann wesentlich stärker werden als bei Einzelreizen. Als Tonus wird die normale“ Spannung bezeichnet, die z.B. für die Haltetätigkeit der Mus” kulatur zuständig ist. Eine Kontraktur ist die reversible Dauerverkürzung des Muskels ohne Aktionspotentiale. Dies kann z.B. durch Anwesenheit von Acetylcholin, Wasser oder Wärme verursacht werden. Dies kann auch durch Dauerdepolarisierungen, z.B. durch Erhöhung der extrazellulären K⊕ Konzentration oder intrazellulärer Ca2⊕ -Konzentration (z.B. durch Coffein) hervorgerufen werden. Eine Starre dagegen ist irreversibel und durch den Verlust der normalen Dehnbarkeit des Muskels gekennzeichnet. 6 Elektrische und mechanische Erregungserscheinungen am schnellen Skelettmuskel 2 Material und Methoden Zu diesem Versuchen ist der benötigte M. Gastrocnemius und der diesen innervierende N. tibialis eines Xenopus laevis (Krallenfrosch) bereits freigelegt worden. Der Femurstumpf sowie auch die Achilles plantaris-Sehne ist mit einem reißfesten Faden solide umwickelt worden. Das Präparat wird nun mit einem Abstand von etwa 10-15 mm der Sehne zur jener Schmalseite der Wanne gelegt, welche zum Transducer (mechano-elektrischer Wandler) zeigt. Nachdem die beiden Fäden jeweils durch die unteren Löcher der Wanne gezogen wurden, wird der Faden am Femurstumpf leicht angespannt, und anschließend außen am Gefäß festgeklemmt. Der Faden an der Achilles plantaris-Sehne wird nun zu einer Schleife geknüpft am Transducer eingehängt. Der Wandler muss jetzt solange vorsichtig vom Muskel fortbewegt werden, bis sich der Muskel geradlinig erstreckt und eine Vorspannung von ca. 0,1-0,4 N vorliegt. Anschließend wird der Nerv tunlichst geradlinig auf die quer über den Boden der Versuchswanne verlaufenden Elektronendrähte gelegt, nachdem gewährleistet wurde, dass der Nerv bei einer Muskelkontraktion nicht gezerrt werden kann. Die elektrischen Antworten von Nerv und Muskel werden je nach Aufgabenstellung über 1, 2 oder 3 Elektrodenpaare abgeleitet (Der Abstand zwischen den Elektrodendrähten liegt bei 5 mm) und über je einen Vorverstärker auf 1, 2 oder 3 Kathodenstrahlen des Oszillographen (KO) abgebildet. Relativ weit entfernt vom Muskel wird jetzt ein Reizgerät an ein Elektrodenpaar angebracht, welches die elektrischen Impulse am Nerven hervorrufen soll. Mittels einer Brückenschaltung liefert der Transducer eine elektrische Spannung, welche direkt proportional abhängig ist von der jeweiligen angreifenden Muskelkraft. Der Oszillograph zeichnet dann diese Kraft in ihrem zeitlichen Verlauf nach einer Vorverstärkung auf. Um mit einem einzigen Präparat auszukommen, ist für den weiteren Versuchsverlauf ist besonders zu achten, dass der Muskel mit seinem innervierenden Nerv stets durch eine Ringerlösung feucht gehalten werden muss und nicht überflüssig oft oder zu stark gereizt werden darf. Es ist außerdem wichtig, dass genügend lange Ruhepausen zwischen den Einzelreizen von - je nach Reizstärke - 5-60 Sekunden und bei Reizserien 30-60 Sekunden eingehalten werden. 2.1 Einzelreize a) Hierbei wird der Nerv durch je einen einzelnen elektrischen Impuls mit einer Dauer von 0,8 ms gereizt. Zwischen den jeweiligen Reizen müssen mindestens 10 s liegen. Die Spannung (U) wird zunächst bei 0,1 V angelegt und dann schrittweise gesteigert. Dabei ist jedoch zu beachten, dass der ermittelte Schwellenwert nicht über das 10-fache überschritten wird. Beobachtet wird hier die Folge der ausgelösten Summenpotentiale des Nerven (N-SAP) und bzw. oder des Muskels (SAP), das Elektromyogramm (EMG) und die vom Muskel ausgeführte mechanische Arbeit (MMG). Zu protokollieren sind die jeweiligen Amplituden des Reizes und in Abhängigkeit dazu die Amplituden des N-SAP, EMG und MMG. b) Zu diesem Versuchsteil wird die Zeitdauer des N-SAP, EMG und MMG bei knapp überschwelliger und sättigender Reizstärke und zudem die Latenz zwischen N-SAP und EMG (L1) und die Latenz zwischen EMG und MMG (L2) gemessen. c) Nun wird die Dauer der Erregungsüberleitung an den synaptischen Endplatten annähernd 7 Elektrische und mechanische Erregungserscheinungen am schnellen Skelettmuskel ermittelt, wozu jedoch zusätzliche Messwerte benötigt werden. Hierzu sind die Leitungsgeschwindigkeiten der AP’s von Muskel und Nerv einzeln zu bestimmen und zu vergleichen, indem man je zwei Elektrodenpaare gleichzeitig ableitet. Aus diesem Vergleich lässt sich die Endplatten-Verzögerung ermitteln, indem man über die Formel t = vs die jeweilige Dauer der einzelnen Leitung errechnet, welche dann von der Gesamtleitungszahl abgezogen werden müssen. Die Leitungszeiten der AP’s sind zwischen dem ableitenden Elektrodenpaar und der Endplatte enthalten, sodass diese mittels vorheriger Messungen und der geschätzten Leitungsstrecke näherungsweise berechnet werden können. 2.2 Doppelreize Für diesem Versuch wird der Nerv durch zwei elektrische Reize (mit einer Dauer von 0,8 ms) kurz hintereinander mit einer Amplitude von 1 V gereizt, wobei die Reizamplitude auf eine maximale Effektivität auf die Auslösung des EMG eingestellt werden sollen. Hierbei stellt sich die Frage, ob und inwiefern die beiden Stimuli unterschiedliche N-SAP, EMG und MMG erzeugen. Mit der längsten Zeitspanne von 200 ms beginnend verringert man nun die Zeit zwischen den zwei Reizen systematisch (200, 170, 140, 110, 90, 70, 50, 30, 20, 10, 8, 6, 4, 3, 2, 1 ms). Auch hier werden die jeweiligen Amplituden des EMG und MMG für alle Zeitabstände und die des N-SAP für t < 10 ms festgehalten und tabellarisiert. 2.3 Reizserien Als letztes werden nun am Nerv-Muskel-System gleich mehrere Stimuli hintereinander generiert, wobei darauf zu achten ist, dass Reizserien den Muskel schnell ermüden können und darum nicht länger als erforderlich in Serien gereizt werden darf und genügend lange Erholungsphasen von 60 Sekunden eingehalten werden sollten. Dazu wurde eine gut überschwellige aber noch mit submaximalen Effekt wirkende Reizstärke eingestellt. Diese Einzelreize werden in Serie mit steigender Frequenz gegeben. 8 Elektrische und mechanische Erregungserscheinungen am schnellen Skelettmuskel 3 Ergebnisse 3.1 Einzelreize a) Bestimmung der Reizschwelle von N-SAP, EMG und MMG Tabelle 1: Bestimmung der Reizschwelle Reizes (V) 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2 1,4 Amplitude des . . . N-SAP (mV) EMG (mV) 80 25 230 60 340 120 500 290 550 400 600 400 600 400 600 400 600 400 600 400 650 380 MMG (mV) 15 40 110 225 275 300 300 320 330 320 310 Abbildung 3: Bestimmung der Reizschwelle Tabelle 1 und das Diagramm (Abb. 3) zeigen eindrücklich den Anstieg der drei Amplituden, wobei die Reizantwort des N-SAP anfangs bei einer Reizamplitude von 0,2 V bei 80 mV liegt, um sich dann schon bei 0,7 V Reizamplitude sich auf etwa 600 mV einzupendeln. Dahingegen schwillt die Reizantwort des EMG nach einem geringen Anfangswert von 25 mV nach einer Reizamplitude von 0,4 V rapide auf 120 mV an. Die MMG-Amplitude beginnt bei 15 mV und steigt gemächlicher als das EMG an, sodass erst bei einer Reizamplitude von 1 V ein Reizantwort von 330 mV generiert wird. 9 Elektrische und mechanische Erregungserscheinungen am schnellen Skelettmuskel b) Bestimmung der Dauer von N-SAP, EMG, MMG und von L1, L2 Tabelle 2: Bestimmung der Dauer von N-SAP, EMG, MMG, L1 und L2 bei unterschiedlich starken Reizen Dauer (ms) N-SAP EMG MMG L1 L2 schwach überschwelliger Reiz (0,4 V) 2,0 4,8 65 2,4 8,0 stark überschwelliger Reiz (0,9 V) 2,0 4,8 65 2,6 6,0 Wie in Tabelle 2 zu sehen ist, unterschieden sich die Reizantworten des schwach überschwelligen Reizes nur unwesentlich vom stark überschwelligen Reiz. Die Auslösung NSAP benötigt am wenigsten Zeit, während das MMG deutlich am längsten braucht. Die Latenzzeit zwischen EMG und MMG (=L1) ist in etwa dreimal so lang, wie die Latenzeit zwischen N-SAP und EMG (=L2). c) Ermittlung der Dauer der Erregungsleitung an den chemischen Endplatten Dieser Versuch wurde nicht durchgeführt. 10 Elektrische und mechanische Erregungserscheinungen am schnellen Skelettmuskel 3.2 Doppelreize Tabelle 3: Reizantwort bei Doppelreizen Delay (ms) 200 170 140 110 80 50 40 30 20 10 8 6 5 4 3 2 1 Amplitude N-SAP (mV) 1. Wert 2. Wert 950 950 980 1000 1000 1000 1000 1000 900 900 750 750 700 700 700 Amplitude EMG (mV) 1. Wert 2. Wert 360 360 330 280 260 360 230 380 250 440 240 320 240 280 250 300 240 360 220 360 240 360 240 220 240 140 240 45 240 40 240 240 Amplitude MMG (mV) 1. Wert 2. Wert 280 280 280 240 240 280 270 250 230 300 230 220 230 310 430 440 380 380 320 270 200 180 180 170 Wie in Tabelle 3 zu sehen ist, stiegen bei der Messung des N-SAP zunächst die Amplituden beider Reize analog an. Bei einer Zeitverzögerung von 1 ms jedoch bleibt die Antwort des zweiten Reizes aus, während sich die Amplitude des ersten Reizen beinahe verdoppelt. Beim EMG sinkt der erste Reiz allmählich von einem Amplitudenwert von 360 mV auf relativ konstante 240 mV. Während der zweite Reiz zunächst kontinuierlich bis auf 440 mV ansteigt und bei etwa 3 ms wieder bis auf 40 mV abfällt, um dann bei einer Zeitdifferenz von 1-2 ms abrupt auszubleiben. Bei der Messung des MMG ist auffallend, dass die Amplituden des ersten Reizes bis zu einer Zeitdifferenz von 40 ms von 280 mV auf 230 mV leicht abfallen, während im gleichen Zeitrahmen die Amplituden des zweiten Reizes von 280 mV auf 310 mV steigen. Bei einer noch geringeren zeitlichen Differenz von 30 ms jedoch verschmelzen beide Wert miteinander: Jetzt ist nunmehr eine einzige Reizantwort vorhanden, welche von 430 mV auf 170 mV fällt. 11 Elektrische und mechanische Erregungserscheinungen am schnellen Skelettmuskel 3.3 Reizserien Tabelle 4: Versuche mit Reizserien Reizfrequenz (Hz) 1 5 10 15 25 30 40 50 60 70 Amplitude des MMG (mV) 170 170 175 175 275 330 420 500 500 580 Bemerkung Einzelzuckung Einzelzuckung Einzelzuckung Einzelzuckung partieller Tetanus partieller Tetanus partieller Tetanus partieller Tetanus kompletter Tetanus kompletter Tetanus Abbildung 4: Versuche mit Reizserien Analog zur gegebenen Reizfrequenz steigen die Amplituden des MMG ab ca. 15 Hz von 175 mV auf 275 mV an, während sie bis zu dieser Frequenz gleich bleiben (Tab. 4). Wie schon im Diagramm (Abb. 4) markiert ist hier ab einer Reizfrequenz von 25 Hz ein partieller Tetanus zu erkennen, welcher ab 60 Hz in einen kompletten Tetanus wandelt. 12 Elektrische und mechanische Erregungserscheinungen am schnellen Skelettmuskel 4 Diskussion 4.1 Einzelreize a) Bei diesem Versuch wurde erkennbar, dass die Amplitude des N-SAP bei steigender Reizstärke anschwillt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in einem Nerv unterschiedlich starke Faserdurchmesser zu finden sind, wodurch die Reizschwellen der Fasern ebenfalls unterschiedlich sind. Die Amplitude dieses Summenaktionspotentials ist also abhängig davon, wie viele Fasern unterschiedlicher Dicke an einem Reiz beteiligt sind. Zudem wurde ersichtlich, dass der Schwellenwert eines Nerv-Muskel-Systems direkt abhängig sind von der jeweiligen Reizamplitude: Je höher also die Reizamplitude, desto mehr motorische Einheiten überschreiten den Schwellenwert, und umso mehr Muskelkraft kann aufbracht werden. Der Nerv selbst wird bei zunehmender Reizstärke immer stärker erregt, bis der N-SAP den Maximalwert erreicht hat. Mit der Amplitude des N-SAP erhöht sich auch die EMG-Amplitude, weil mit zunehmender Reizung des Nerven auch die Zahl der erregten Muskelfasern ansteigt, bis bei etwa 1 V alle möglichen Muskelfasern erregt sind. b) Jedes Aktionspotential folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip, welches besagt, dass ein die Erregung einen gewissen Schwellenwert überschreiten muss, um ein AP auszulösen. Ein einmal aktiviertes AP wird stets mit der gleichen Geschwindigkeit weitergeleitet. Dadurch ist auch die in diesem Versuch ermittelte immer gleichbleibende Reizantwort zu erklären. Die hohe Geschwindigkeit des N-SAP ist dadurch ersichtlich, dass die Erregungsweiterleitung am Nerv saltatorisch verläuft, und dadurch sehr viel schneller ist als die kontinuierliche Erregungsweiterleitung am Muskel (EMG). Demgegenüber steht jedoch eine noch viel längere Dauer des MMG, welche sich dadurch erklären lässt, dass es sich hierbei nicht um einen elektrotonischen Vorgang handelt sondern um mechanische Arbeit, welche bei einer Muskelkontraktion geleistet werden muss. Die Latenzzeit L2 - zwischen EMG und MMG - ist sehr viel länger als L1 (zwischen N-SAP und EMG) was wie oben beschrieben auf die Erregungsweiterleitung in der Muskelfaser zurückzuführen ist. Denn während L1 lediglich die saltatorischen AP-Fortleitung am Nerv und die chemischen Vorgängen an den neuromuskulären Endplatten beinhaltet, setzt sich L2 zusammen aus dem Second-Messenger-Mechanismus in den T-Tubuli, aus der Ca2⊕ -Ausschüttung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (SR) und zudem aus der Konformationsänderung des Troponin als Mechanismen der Muskelkontraktion. c) Dieser Versuch wurde von uns nicht durchgeführt, weil mit unserem Versuchaufbau ein genaues Bestimmen der Lage der motorischen Endplatte nicht möglich ist und die Länge zwischen den einzelnen Teilstrecken nur unzureichend festgelegt werden kann, weil der Nerv nicht vollkommen geradlinig auf den Muskel zuläuft. Hinsichtlich Literatur-Werten jedoch hätten wir hier jedoch eine Zeitspanne von etwa 2 ms gemessen. 4.2 Doppelreize Das N-SAP: Die absolute Refraktärzeit erklärt den Umstand, dass bei einer Zeitverzögerung von 1 ms dem zweiten Reiz keine Antwort folgt, weil in dieser Zeit kein AP generiert werden kann. Die relative Refraktärzeit wird dadurch bestimmt, dass während dieser der zweite Reiz 13 Elektrische und mechanische Erregungserscheinungen am schnellen Skelettmuskel nur mit geringer Amplitude weitergeleitet werden kann, weil noch nicht alle Na⊕ -Kanäle wieder regeneriert sind und dadurch noch nicht wieder geöffnet werden können. Allerdings kann die relative Refraktärzeit nicht konkret festgelegt werden, weil hierzu Messungen in kleineren Zeitabständen von Nöten gewesen wären. Das EMG: Die ermittelten Werte zeigen die Konstanz der Amplitude des ersten Stimulus, während der zweite bei einer Zeitverzögerung von 80 ms steil auf 440 mV ansteigt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der erste Reiz nichts anderes ist als die Antwort auf das konstante N-SAP, während die Antwort des zweiten Reizes durch verschiedene Faktoren verstärkt wurde: Aufgrund der geringen Zeitspannen zwischen den einzelnen Reizen befinden sich beim zweiten Stimulus noch Transmittermoleküle vom ersten Stimulus im synaptischen Spalt, welche noch nicht abgebaut werden konnten und daher mit der erneut ausgeschütteten Transmitter-Menge die Anzahl der dadurch geöffneten Na⊕ -Kanäle vergrößern und den Reiz dadurch verstärken. Sinkt jedoch die Zeitspanne unter 3 ms, verhindert die absolute Refraktärzeit des ersten Stimulus die Antwort des zweiten Reizes. Verringert man die Zeitspanne zwischen den beiden Stimuli noch weiter auf 1 ms, bleibt auch die Reizantwort des ersten Stimulus aus, weil hier der Nerv selbst hinsichtlich der eigenen absoluten Refraktärzeit keinen Reiz mehr generiert. Das MMG: Die Amplituden beider Reize verschmelzen ab einer Zeitverzögerung von 30 ms miteinander, was zum Tetanus des Muskels führt. Bei weiterer Verringerung der Zeitspanne (6 ms), wird die gemeinsame Amplitude wieder kleiner. Dies ist auf eine allmähliche Ermüdung des Präparats zurückzuführen. Bei einer Zeitverzögerung von nur 2-3 ms wird aufgrund der absoluten Refraktärzeit des ersten Stimulus nur noch ein Einzelreiz weitergeleitet, was bedeutet, dass nun keine Summation mehr stattfindet und die Amplitudengröße weiter auf 180 mV sinkt. 4.3 Reizserien Ab einer Frequenz von 25 Hz summieren sich die Einzelreize, weil dem sarkoplasmatischen Retikulum ab dieser Frequenz die benötigte Zeit fehlt, die Ca2⊕ -Konzentration wieder unterhalb des Schwellenwertes zu bringen, was zu einer steigenden Kraftentwicklung des Muskels, einem partiellen Tetanus führt. Dieser Vorgang gipfelt bei einer Frequenz von 60 Hz im kompletten Tetanus, bei welchem sich die Amplitude auf das Doppelte einer Einzelzuckung einstellt. 14 Elektrische und mechanische Erregungserscheinungen am schnellen Skelettmuskel 5 Literatur [1] Bayrhuber, Horst; Kull, Ulrich (Hrsg.): Linder: Biologie. 21. Aufl. Schroedel Verlag, Hannover 1998 [2] Campbell, Neil A.: Biologie. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg Berlin Oxford 1997 [3] Eckert, Roger: Tierphysiologie. 2., neubearb. und erw. Aufl. Georg Thieme Verlag, Stuttgart New York 1993 [4] Folien des Präpkurs der medizinischen Fakultät der Universität Düsseldorf. URL http://www.uni-duesseldorf.de/WWW/MedFak/praepkurs/foliena1/ [Stand 27. Januar 2004] [5] Penzlin, Heinz: Lehrbuch der Tierphysiologie. 5. Auflage, Gustav Fischer Verlag, Jena 1991 [6] Das Rückenmark. URL http://fachberatung-biologie.de/Themen/neuron/rueckenmark.htm [Stand 27. Januar 2004] [7] Schäffler, Arno; Menche, Nicole: Mensch Körper Krankheit. 3. Auflage, Urban & Fischer Verlag, München Jena 1999 [8] Schmidt, Robert F.; Thews, Gerhard: Physiologie des Menschen. 27. korr. und akt. Auflage, Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York 1997 [9] Steinhausen, Michael: Medizinische Physiologie. 3. durchges. Auflage, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart Jena New York 1993 [10] Storch, Volker: Kükenthal Leitfaden für das zoologische Praktikum / Volker Storch und Ulrich Welsch. 24., neubearb. Aufl. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg Berlin 2002 [11] Wolf, Harald: Tierphysiologisches Praktikum für Anfänger, Teil Neurobiologie. URL http://stammhirn.biologie.uni-ulm.de/w4ap/pdfs/APSkript.pdf [Stand 4. Dezember 2003] Universität Ulm WS 2003/2004 15
