Vorlesung Tierphys Muskel WS 15

Bewegung auf zellulärem Niveau
Bewegung auf zellulärem Niveau beruht auf dem
Zytokelett und dazugehörigen Motorproteinen
-
Tubulin-Filamente
-
Actin-Filamente
-
Intermediär-Filamente
Bewegung auf zellulärem Niveau
Bewegung auf zellulärem Niveau beruht auf dem
Zytokelett und dazugehörigen Motorproteinen
- Bewegung des Zytoskeletts
- Bewegung am Zytoskelett (Motorproteine)
Drei wesentliche Bestandteile des Cytoskeletts
Intermediärfilamente
25 nm
Actinfilamente
25 nm
Microtubuli
25 nm
Diese Strukturelemente können miteinander
verknüpft sein
Actin-basiertes Cytoskelett
•  Positionierung von Proteinen und Organellen
•  Zellform – alle Zellen
•  Änderungen der Zellform
–  Amöboide Bewegung
–  Neuronale Wachstumskegel
–  Muskelkontraktion
Actin-basiertes Cytoskelett
Reversible Polymerisierung des Actins:
Laufband von Actinmonomeren
(Remodellierung der Actinfilamente kann bis zu 50%
des ATP Verbrauchs ausmachen)
Actinpolymerisation beginnt an einem Kern (3
Monomere) und führt zum Wachstum bis An- und
Abbau sich im Gleichgewicht befinden = Laufband
Struktur und Dynamik des Actincytoskeletts
während der Zellbewegung
Le Clainche C , and Carlier M Physiol Rev 2008;88:489-513
Microtubuli-basiertes Cytoskelett
•  Microtubuli sind Tubulin-Polymere
•  Microtubuli sind dynamisch instabil – Auf- und
Abbau gehen sehr schnell
•  Tubuli werden durch Centrosomenkomplexe
organisiert
•  Funltionen:
–  Vesikel und Organellentransport
–  Cilien and Flagellen
–  Mitotische Spindeln
Bewegung auf zellulärem
Niveau
Zytoskelett - Tubuline
bilden einen Röhrenstruktur
Abbildung 6.5: Entstehung eines Mikrotubulus. Tubulin-Dimere lagern sich hintereinander und bilden ein Protofilament. Die Protofilamente ordnen sich
nebeneinander zu einer flachen Schicht an. Hat diese eine bestimmte Breite erreicht, rollt sie sich zu dem röhrenfrmigen Mikrotubulus zusammen.
Bewegung auf zellulärem Niveau
Zytoskelett - Tubulin
Vektorielles Wachstum
Abbildung 6.6: Die Dynamik der Mikrotubuli. (a) Mikrotubuli wachsen, indem sie Tubulin aufnehmen, und schrumpfen, indem
sie Tubulin verlieren. Ob ein Mikrotubulus länger oder kürzer wird, hängt von der Tubulinkonzentration ab. (b) Unterhalb einer
bestimmten Konzentration (Cc) wird der Mikrotubulus eher schrumpfen, oberhalb davon wächst er. Tubulin kann an beiden
Enden angefügt werden oder verloren gehen, Cc ist aber am Plus-Ende niedriger. Deshalb wird das Plus-Ende bei einer
bestimmten Tubulinkonzentration eher wachsen als das Minus-Ende.
MTs werden zum Vesikeltransport eingesetzt
Cell body (“soma”)
Axon
Nerve terminal
(“synapse”)
“-”
“+”
Outward (“anterograde”) transport
*
Nucleus
Inward (“retrograde”) transport
Microtubules
ECB 17-15
MTs oriented with plus-ends “distal” (towards synapse)…
Kinesin motors power “anterograde” transport (to synapse)
Use ATP hydrolysis to walk towards plus-end
Numerous kinesin-related proteins
Kinesine: Motoren des Vesikeltransports
(vesicles not
to scale)
Transport vesicle
Kinesin
2x Light chains
bind cargo
2 x Heavy chains
Minusend
N-terminal
motor domains
Kinesin uses ATP hydrolysis to “walk” towards the “plus-end” of MTs
Plusend
Kinesine: Motoren des Vesikeltransports
1 Schritt = 8nm =
1ATP
(vesicles not
to scale)
Transport vesicle
für 8 mm Transport
werden 1 Millionen
Kinesin
2x Light chains ATP Moleküle benötigt
bind cargo
2 x Heavy chains
Minusend
N-terminal
motor domains
Kinesin uses ATP hydrolysis to “walk” towards the “plus-end” of MTs
Plusend
Cytoplasmatisches Dynein: ein Minus-Enden Motor des
Vesikeltransports
(vesicles not
to scale)
Transport vesicle
Transport vesicle
Kinesin
2x Light chains - bind cargo
Dynactin
complex
Minusend
Cytoplasmic
dynein
2 x Heavy chains
2 x heavy chains
Multiple light and
intermediate chains
N-terminal
motor
domains
“Cytoplasmic” dynein uses ATP hydrolyis to walk towards MT “minus-ends”
Cytoplasmic dynein, “dynactin complex” plus other proteins link MTs to transport
vesicles (cargo)
Plusend
Schwanz der Motor Proteine legt das Transportmedium fest
ECB 17-18
Eukaryotische Flagellen und Cilien bestehen aus MTs
Eukaryotische Flagellen und Cilien bestehen aus MTs
Eukaryotische Flagellen und Cilien bestehen aus MTs
Eukaryotische Flagellen und Cilien bestehen aus MTs
Muskeln dienen der Bewegung
Skelettmuskulatur
1)  Aufbau – Sarkomer
2)  Regulation der Kontraktion – Ca2+
3)  Neuronale Kontrolle – motorische Einheit
4)  Mechanik der Kontraktion
5)  Sinnesorgane des Muskels
Aufbau der quergestreiften Muskulatur
Muskelfaser
Aus: Ude & Koch (1994)
Die Zelle. Springer Verlag
Myosin und Actin: der universelle Motor
Actin
Myosin
Müller & Frings 2009 - Tier- und Humanphysiologie
Das Sarkomer: die funktionelle Einheit des Muskels
Müller & Frings 2009 - Tier- und Humanphysiologie
Das Sarkomer: die funktionelle Einheit des Muskels
Sarkomer besteht aus :
ca. 1000 Myosinfilamenten
ca. 2000 Actinfilamenten
maximale Verkürzung: 0.4 µm
Müller & Frings 2009 - Tier- und Humanphysiologie
Das dünne Filament
From: Alberts et al.. 1994 Molecular Biology of the Cell.
Ca2+ ermöglicht die Interaktion von Aktin und Myosin –
die Rolle des Troponin/Tropomyosin-Komplexes
Troponin
Actin
Tropomyosin
Myosin
+Ca2+
Tropomyosin
Müller & Frings 2009 - Tier- und Humanphysiologie
Ca2+ führt zu einer Verschiebung des
Troponinfilaments
Relaxed
Ca-Activated
Rigor
Ca-Activated
X-bridge
From: Craig & Lehman.. 2001. J. Mol. Biol 311: 1027.
Der Kontraktionszyklus
Das Prinzip der Muskelkontraktion
Woher kommt das Ca2+?
Motorische Endplatte
Sarkoplasmatisches Retikulum
T-Tubuli und Ryanodinrezeptoren
Neuromuskuläre Verbindungen
Figure 10.4d
Die neuromotorische Endplatte
Wie wird aus dem Aktionspotential ein intrazellulär
wirkendes Ca2+-Signal
Ca2+
Ca2+
Müller & Frings 2009 - Tier- und Humanphysiologie
Wie wird aus dem Aktionspotential ein intrazellulär
wirkendes Ca2+-Signal
sarkoplasmatische Ca2+-Kanäle
„Ryanodinrezeptoren“
? ?
? ?
spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle
„Dihydropyridinrezeptoren“
Müller & Frings 2009 - Tier- und Humanphysiologie
Wie wird aus dem Aktionspotential ein intrazellulär
wirkendes Ca2+-Signal
Ca2+
Ca2+
Müller & Frings 2009 - Tier- und Humanphysiologie
Zusammenfassung Muskelkontraktion I
Das Sarkomer ist die Elementareinheit des Skelettmuskels
Aktin und das Motorprotein Myosin sind für die Verkürzung
des Sarkomers verantwortlich
Ca2+ steuert die Kontraktion über den Troponin/TropomyosinKomplex
Die Kontraktion von Skelettmuskeln wird durch Motoneurone
gesteuert.
Der Neurotransmitter ist Azetylcholin
An der Triadenstruktur wird das elektrische Signal in ein
Ca2+- Signal umgewandelt.
Motorische Einheit
•  Definition: 1 Motorneuron + alle
Muskelzellen, die es innerviert
•  Wenn ein Motorneuron feuert,
kontrahieren alle Muskelzellen der
Einheit.
–  Alles oder Nichts Prinzip
•  Motorische Einheiten können 4 bis zu
mehreren hundert Fasern umfassen
•  Jede Muskelfaser hat nur eine
motorische Endplatte
Unterschiedliche Kontraktionstypen
Einzelzuckung
Summation
Tetanus
Einzelzuckung, Summation,Tetanus
Typen der Muskelkontraktion
•  Isometrisch
–  Keine Längenänderung
–  Zug an einem nicht beweglichen Objekt
–  Haltemuskeln
•  Isotonisch (dynamisch)
–  Konzentrisch
•  Muskeln verkürzen sich bei Kraftentwicklung
–  Exzentrisch
•  Muskeln produzieren Kraft, aber ihre Länge nimmt zu
Isotonische und Isometrische Kontraktionen
Kontraktionskraft und Sarkomerlänge
Spindelapparat – wie misst der Muskel seinen
Kontraktionszustand?
Spindelapparat
•  Spindelapparat
•  Vermeidet übermäßige
Muskelkontraktion
sowie die Überdehnung
des Muskels.
•  Schutzreflex.
Zusammenfassung Sekelettmuskel II
Kontraktionen werden durch Neurotransmitter oder durch
elektrische Stimulation ausgelöst.
Skelettmuskeln können isoton, isometrisch oder auxoton
kontrahieren
Die Kontraktionskraft hängt vom Dehnungszustand ab
Die Muskeldehnung wird von Muskelspindeln gemessen
Ein monosynaptischer Eigenreflex verhindert eine
Überdehnung
Glatte Muskulatur
•  Spindelförmige Zellen mit
2-10 µm Durchmesser
und einer Länge von
einigen hundert µm
•  2 Lagen (Längs- und
Ringmuskeln)
•  Um Hohlorgane
(Ausnahme Herz)
•  Kontraktile Mechanismen
ähnlich Skelettmuskel
Figure 9.23
Peristaltik
•  Längsmuskel: Organ kontrahiert
•  Ringmuskel: Organ verlängert sich; Durchmesser
wird geringer
•  Peristaltik – Alternierende Kontraktionen und
Relaxationen bewegen z.B. den Darminhalt
Innervierung Glatter Muskulatur
•  Keine motorische Endplatte
•  Innervierung über Verdickungen varicosities
•  Varicosities entlassen Transmitter in “weite”
Snapsen
Mikroskopische Anatomie der glatten Muskulatur
•  Weniger SR
•  T tubuli gibt es nicht
•  Plasmamembran mit sackartigen
Einstülpungen (caveoli)
•  Ca2+ - Transport in der Nähe der calveoli
•  Keine Streifung, keine Sarcomere
•  Dicke und dünne Filamente
Organisation der Myofilamente in glatten Muskeln
•  Filamente Diagonal korkenzieherartige Kontraktion
•  Nichtkontraktile
Intermediärfilamente an dense
bodies gebunden (Z Scheiben
Analogon)
•  Weniger Myosin/Actin als im
Skelettmuskel
•  Myosin mit Köpfchen über
die gesamte Länge
•  kein Troponin Komplex
Figure 9.25
Kontraktion glatter Muskulatur
•  Ganze Muskelbereiche machen gemeinsame,
langsame Kontraktionen
•  Gemeinsame Kontraktion durch elektrische
Synapsen (gap junctions)
•  Aktionspotenziale von Zelle zu Zelle
•  Einige glatte Muskelzellen:
–  Rhythmuszentren
–  Können sich selbst avtivierenal stimuli
Besonderheiten
–  Geringer Energiebedarf
–  Reagiert of Zugreiz
–  Tonus
–  Langsame, langanhaltende Kontraktion
Antwort auf Zugreiz
•  stress-relaxation Antwort:
–  Glatte Muskel reagieren kurz auf Zugreiz,
adaptieren dann auf neue Länge
–  In dieser neuen Länge können die Muskeln
weiterhin kontrahieren
–  Das ermöglicht es z.B. dem Darm und der
Blase Inhalte zu speichern
Glatte Muskeln: Single Unit
•  Eingeweidemuskeln:
–  Kontrahieren rhythmisch als Einheit
–  Elektrisch gekoppelt über gap junctions
–  Oft spontane Aktivität
–  Organisattion in opponierenden Schichten
Glatte Muskeln: Single Unit
Figure 12-25a: Types of smooth muscle
Kontraktion: Mechanismus
Figure 12-28: Smooth muscle contraction
Relaxation: Mechanismus
Figure 12-29: Relaxation in smooth muscle
Energie für Muskelkontraktionen
•  ATP
•  Myosin ATPase spaltet ATP
•  Quellen des ATP
–  Phosphocreatine (PC)
–  Glycolyse
–  Oxidative Phosphorylierung
Quellen des ATPs
ATP – Creatin Shuttle
Cori Zyklus
Liver
Glucose
+
2 NAD
2 NADH
6 ~P
2 Pyruvate
2 NADH
+
2 NAD
2 Lactate
Blood
Muscle
Glucose
+
2 NAD
2 NADH
2 ~P
2 Pyruvate
2 NADH
+
2 NAD
2 Lactate