Seminar zu Muskeln und Gehör - broesel

Muskeln
Der Skelettmuskel oder quergestreifte Muskel ist für schnelle Bewegungen zuständig. Er ist sehr gleichmäßig aufgebaut; die Muskelfasern sind alle parallel und die Sarkomere in jeder Muskelfaser sind ebenfalls parallel. Durch diese
Aufsummation aller parallelen Elemente erhält der Skelettmuskel seine in eine Richtung beschränkte Kraft.
Ein Sarkomer ist die kleinste Einheit und reicht von Z-Linie zu Z-Linie der Querstreifung. Davon gehen Aktinfilamente
aus, in die Myosinfäden hineingeschoben sind. Der Bereich, in dem die Aktinfilamente noch ohne eingeschobenes
Myosin sind, ist die I-Bande, der Bereich des Myosins ist die A-Bande, in der Mitte, wo die Myosinfäden miteinander
vernetzt sind, liegt die M-Zone, außenrum liegt die H-Zone, wo nur Myosin und kein Aktin im Querschnitt vorhanden
ist. Die Myosinköpfchen haben als wichtigstes Protein eine ATPase. Die Energie für die Muskelkontraktion stammt also
von ATP; die Speicherform von Energie im Muskel ist Kreatinphosphat oder auch Glykogen.
Die Dehnbarkeit eines Muskels ist umgekehrt proportional zu seiner Elastizität; Muskeln enthalten sowohl elastische
als auch steife Elemente.
Die Aktinfilamente bestehen aus miteinander verbundenen und umeinander verdrillten G-Aktinfäden; diese sind von
Tropomyosinfäden umwunden, an denen in Abständen Troponin hängt. Am wichtigsten für die Funktion des Aktins sind
Ca2+-Ionen. Diese lagern sich an Troponin-C an und geben die Myosin-Bindungsstellen frei, an die dann Aktin bindet.
Im Herz gelangen die Calciumionen von extrazellulär in die Zellen hinein. Der kurze Natriumeinstrom durch Erregungsübertragung auf die Muskelzelle wird hier von einem langen Calciumeinstrom von 300ms Dauer gefolgt. Dadurch wird
die tetanische Kontraktion wie beim Skelettmuskel verhindert.
Beim Skelettmuskel gelangt das Calcium aus dem sarkoplasmatischen Retikulum in das Cytoplasma, was das Membranpotential natürlich nicht verändert. Dieses zeigt also nur beim Natriumeinstrom einen kurzen Peak. Wenn die Aktionspotentiale schneller bei der motorischen Endplatte ankommen (nahe an der absoluten Refraktärzeit), summiert sich
der Calciumspiegel, so dass er gar nicht mehr absinkt, und die Kontraktion summiert sich ebenso, wird also zu einer
konstanten (tetanischen) Kontraktion.
Im Skelettmuskel ist das Sarkolemm (die Zellmembran) eingestülpt, damit es in unmittelbarem Kontakt mit dem sarkoplasmatischen Retikulum steht für schnellste Aktivierung. Diese Einstülpungen sind transversale Tubuli; durch sie
wird die Depolarisation des Sarkolemms schnellstmöglich in eine Calciumausschüttung durch spannungsempfindliche
Calciumkanäle des SR umgesetzt.
Kraftentwicklung des Muskels
Die Kraftentwicklung des Muskels hat bei einer bestimmten Vordehnung ein Maximum. Das liegt daran, dass die optimale Überlappung von Aktin und Myosin erreicht werden muss, bei der alle Myosinköpfchen auf den zugehörigen
Aktinfilamenten liegen. Bei einer kürzeren Muskellänge überlappen sich die Aktinfilamente, bei 1,55µm Sarkomerlänge
sind die Aktinfilamente übereinandergeschoben, so dass sie mit den Enden schon auf den gegengerichteten Myosinköpfchen liegen, die dann der Kontraktion entgegenarbeiten. Bei 2,2µm ist die Dehnung optimal. Bei weitergehender
Dehnung werden die Myosinköpfchen von innen her zunehmend von Aktinfilamenten befreit, während diese nach außen
weggezogen werden, so dass diese Myosinköpfchen nicht mehr an der Kontraktion teilnehmen können, bis sie durch
Kontraktion durch die restlichen wieder Aktinfilamente abkriegen.
Reflexe
Dehnungsrezeptoren, sog. Propriozeptoren, sind für die Tiefensensibilität verantwortlich. Dazu gehören die Muskelspindeln, die intrafusal liegen und parallel angeordnet sind und die Golgi-Sehnen, die in Serie liegen.
Als adäquater Reiz dient die Dehnung (des Muskels), z.B. durch Schlagen mit einem Reflexhammer auf die Muskelsehne.
Der einfache Reflexbogen mit einer Synapse sieht so aus: Die Muskelspindel wird gereizt (gedehnt) und schickt die AP
über Ia-Fasern durch das Hinterhorn der Wirbelsäule direkt zum Alpha-Motoneuron im Vorderhorn, welches aktiviert
wird und damit seinerseits den Muskel aktiviert und zur Kontraktion bewegt, in dem die Muskelspindel liegt, hier im
Beispiel den Extensor für den Kniescheibensehnenreflex.
Vom Axon des Alpha-Motoneurons gehen Seitenäste ab, die Renshaw-Zellen aktivieren. Diese bewirken wiederum eine
rekurrente Hemmung am Alpha-Motoneuron selbst, um eine Überreaktion zu verhindern.
Die aktivierende motorische Endplatte am Muskel arbeitet mit dem Transmitter Acetylcholin (Ach), die hemmenden
Synapsen am Motoneuron für die rekurrente Hemmung der Renshaw-Zellen arbeiten mit Glycin.
Gleichzeitig dazu führen die Ia-Fasern der Muskelspindel auch zu Alpha-Motoneuronen des gegenüberliegenden Flexors, die sie hemmen (antagonistische Hemmung). Das funktioniert ebenfalls über Renshaw-Zellen, die den Reiz weitergeben und über Glycintransmitter hemmen.
Es gibt noch eine dritte Art der Hemmung, die autogene Hemmung über den Golgi-Sehnen-Apparat über Ib-Fasern, die
die Alpha-Motoneurone des Extensors hemmen und dafür sorgen, dass der Muskel schließlich wieder in die Ausgangslage zurückkehrt.
Der Reflex selber braucht 30-50ms, um zu wirken; bei einer Nervenleitungsgeschwindigkeit von 80m/s und einer Nervenlänge von vielleicht maximal zwei Metern werden dabei nur 25 der 50ms für die Leitung verbraucht, der Rest geht
für die Synapsen drauf.
Die Ach-Rezeptoren der motorischen Endplatte sind nikotinerg, alle sonstigen Ach-Rezeptoren (Vagus z.B.) sind muscarinerg.
Ohr
Das Ohr ist scho en luschdiges Organ und erfüllt gleich zwei Funktionen, von denen wir aber nur eine besprechen
(Hören). Eigentlich kam das alles schon in der Vorlesung, ihr schaut also am besten in die Physiologie-Vorlesung WS
02/03, da steht alles viel schöner und ausführlicher. Ich kopier einfach mal ein bisschen was davon rüber:
Mittelohr
Das Mittelohr ist dazu da, eine Impedanzangleichung zwischen dem Medium Luft und dem Medium Wasser vorzunehmen; das ist nötig, da unsere Sinneszellen nur in wässriger Lösung funktionieren.
Das Trommelfell schwingt mit einer Amplitude im Bereich von Pikometern (10-12m).
Diese Schwingungen werden vom Hammer aufgenommen und über den Amboss auf den Steigbügel verstärkt weitergegeben. Dieser gibt die Schwingungen dann auf das ovale Fenster weiter, das eine Trennwand zwischen dem luftgefüllten
Mittelohr und dem mit Perilymphe gefüllten Innenohr darstellt. Die andere Trennwand ist das runde Fenster.
Innenohr
Das Innenohr besteht aus der Cochlea (Gehörschnecke) und dem vestibulären Labyrinth.
Die Schwingungen vom ovalen Fenster werden in die Scala vestibuli weitergeleitet, wandern die gesamte Hörschnecke
nach innen, „knicken“ um das Helikotrema und wandern in der Scala tympani wieder rückwärts bis zum runden Fenster.
Eine weitere Möglichkeit für den Schall, zur Cochlea zu gelangen, ist über Knochenleitung. Im Gegensatz zur Luftleitung gelangt der Schall über Vibrationen der Schädelknochen zu den Gehörsinneszellen.
Die Cochlea hat beim Menschen zweieinhalb Windungen, bei manchen anderen Säugetieren hat sie bis zu vier.
Die Windungen verlaufen um den Modiolus, die Achse der Cochlea.
Zwischen Scala vestibuli und Scala tympani liegt die Scala Media, die mit Endolymphe gefüllt ist; sie liegt allerdings
im Querschnitt nur am Rand des Zwischenraums. Zwei Drittel der Trennwand zwischen Scala vestibuli und Scala tympani werden nur von Basilarmembran ausgemacht. Der Teil der Scala media besteht zusätzlich aus der Reissner‘schen
Membran „oben“ (Richtung Scala vestibuli), der mit Endolymphe gefüllten Scala media, der Tektorialmembran, die auf
den auf der Basilarmembran sitzenden Sinneszellen (oder besser deren Stereozilien) aufliegt, und der Stria vascularis an
der Seite der Scala media. Die Aufgabe der Stria vascularis ist es, für den starken Ionengradienten zwischen Peri- und
Endolymphe zu achten. Für den nötigen Ionentransport wird ständig relativ viel Energie verbraucht.
Wanderwelle
Weitergeleitete Schwingungen bewirken eine Wanderwelle in der Cochlea, deren Maximum frequenzabhängig ist (Frequenzselektivität). Hohe Frequenzen werden dabei basal, nahe am Stapes, tiefe Frequenzen apikal, nahe am Helikotrema, abgebildet (Tonotopie).
Der Ort der maximalen Reizung der Haarzellen sorgt damit für die Kodierung der Frequenz, die Amplitude und damit
Frequenz der Aktionspotentiale sorgt für die Kodierung der Lautstärke.
Grund dafür sind Steifigkeitseigenschaften der Basilarmembran und ein aktiver Verstärkungsmechanismus.
Cortikalorgan
Das Cortikalorgan ist der kleine Teil der Cochlea, der dafür sorgt, dass Schwingungen neuronal wahrgenommen werden
können und besteht nur aus den Sinneszellen selbst. Die Sinneszellen liegen auf der Basilarmembran und werden von
der Tektorialmembran „überdacht“, die wie durchsichtiges Gelee aussieht. Von den äußeren und inneren Haarzellen
gehen Stereozilien aus, die, unterschiedlich lang, mit ihren größten Exemplaren direkt mit der Tektorialmembran Kontakt haben. Wenn die Membran durch Flüssigkeitsschwingungen vibriert, wird diese Bewegung direkt auf die Stereozilien der äußeren Haarzellen übertragen; die Haarzellen werden erregt. Die Stereozilien der inneren Haarzellen haben
Abstand von der Tektorialmembran und werden nur indirekt erregt.
Die Sinneszellen werden von Stützzellen umgeben, die kompliziert dreidimensional verschränkt sind.
Die Basilarmembran ist eine azelluläre Membran, die aus verschiedenen Kollagenen besteht. Es gibt Mutationen in
diesen Kollagenarten, die Schwerhörigkeit oder Taubheit zur Folge haben, da die Schwingungseigenschaften der Basilarmembran dann nicht mehr stimmen.
Die Stereozilien der Haarzellen liegen in drei Reihen vor; einer hohen, einer mittleren und einer niedrigen. Sie sind über
sogenannte „tip links“ miteinander verbunden, die von Spitze zu Spitze ziehen. Sie bestehen aus membranüberzogenen
Proteinen. Zwischen gleichhohen Stereozilien gibt es ebenfalls Verbindungen, die sogenannten „side links“.
Die tip links sind sozusagen der Witz beim Hören... ohne sie wäre es nicht möglich.
Am oberen Ende der tip links sitzen mechanisch gesteuerte Ionenkanäle (= Transduktionskanäle). Werden die Haarzellen
verbogen und die tip links damit erregt, zeigen die Haarzellen einen Einwärtsstrom von Ionen (= Transduktionsstrom).
Die Kanäle öffnen sich also bei mechanischem Zug; wenn die oberste Stereozilie verbogen wird, werden die anderen
zwei über die tip links ebenfalls zur Seite gebogen, also an den tip links gezogen. Dadurch öffnen sich sie Transduktionskanäle.
Besser gesagt: Bei Abscherung der Stereozilien wird ein adäquater Reiz ausgelöst. In Richtung des höchsten Stereoziliums: Excitation. In Richtung des niedrigsten Stereoziliums: Öffnung schließen.
Es wird davon ausgegangen, dass nur einer dieser Kanäle pro tip link und damit pro Stereozilium vorhanden ist, also ca.
180 pro Haarzelle, deswegen konnten sie noch nicht identifiziert werden. Es steht aber schon fest, dass es sich dabei um
nicht spezifische Kationenkanäle handelt.
Die Endolymphe ist jetzt eine ganz krasse, einmalige, unglaubliche Extrazellulärflüssigkeit, da sie 150mM K+ enthält
(und 1mM Na+), in dieser Hinsicht also der intrazellulären Konzentration entspricht. Was passiert also, wenn die Kanäle
aufmachen? Auf Grund des starken elektrostatischen Gradienten fließt Kalium in die Zelle (immerhin wäre das Ruhemembranpotential ~0mV für Kalium). Das endocochleäre Potential liegt bei ungefähr +85mV, d.h. es wurden ein paar
mehr Kationen in die Scala media gepumpt als Anionen vorhanden sind. Wenn man die Spannung zwischen normalem
Extrazellulärraum (z.B. Scala vestibuli oder Scala tympani) und Scala media misst, liegt an der Scala media eine Spannung von +85mV.
An den Sinneszellen selbst, also den Haarzellen, liegt -70mV Membranpotential, und zwar sowohl an den inneren als
auch den äußeren. In älteren Lehrbüchern (~15 Jahre) stehen noch Werte von -40mV für innere Haarzellen, was aber an
messtechnischen Artefakten lag.
Für Kalium ist also zwischen Haarzellen und Scala media kein chemischer Gradient vorhanden, aber ein elektrischer
Gradient von +155mV.
Das System ist auf sehr kleine Spannungsänderungen optimiert; schon bei einer Depolarisation einer Haarsinneszelle
von nur 1mV erreicht man einen Höreindruck.
Weiter unten an den Haarzellen hat es spannungsabhängige Calciumkanäle, die schon bei sehr leichter Depolarisation
durch die tip link-Kaliumkanäle Calcium reinlassen. Dort liegen auch Glutamatvesikel, bei denen Synapsen mit AMPARezeptoren sitzen, die dann das Hörsignal weiterleiten.
Außerdem gibt es dort Kaliumkanäle, die von der Membranspannung und vom Calciumspiegel abhängig öffnen. Da
diese Kaliumkanäle in „normalem“ Intrazellulärraum liegen, fließen dort dann bei Öffnung Kaliumionen aus der Zelle
raus in den Intrazellulärraum → Die Zelle repolarisiert.
Innere und äußere Haarzellen
- 90% aller Afferenzen innervieren die IHZ, 10% die ÄHZ.
- 90% aller Efferenzen innvervieren die ÄHZ, 10% die Afferenzen der IHZ
- Längste Stereozilien der ÄHZ haben Kontakt mit der Tektorialmembran
- Ausfall der ÄHZ macht 40-60dB Hörverlust (geht noch mit Hörgerät); Ausfall der IHZ macht 120dB Hörverlust
Die äußeren Haarzellen kontrahieren sich bei Erregung (Elektromotilität). Dafür zuständig ist ein Motorprotein, das entlang der Zelllängsseiten angebracht ist und relativ häufig im Vergleich zu den TD-Kanälen exprimiert wird. Deswegen
wurde es schon 2000 gefunden und Prestin genannt. Sie sind zu einer Konformationsänderung fähig, wonach sie weniger Fläche auf der Membran benötigen als zuvor, die Membran zieht sich zusammen. Der Sinn der Teile ist, dass sie die
Schwingung der Membran verstärken und allgemein bei Koordinierung von allen Haarzellen aktiv steuern können, was
teilweise für das zu Stande Kommen der Wanderwelle und das Frequenzhören nötig ist (Aufsteilung des WanderwellenMaximums).
Die inneren Haarzellen werden nur indirekt durch die Schwingung gereizt (direkt durch die Flüssigkeitsströmung, die
entsteht).
Die Frequenzdiskrimination, also das Hören von leisen Nutzschwingungen auf lauterem Störklangteppich (Einzelgespräch auf Parties) wird auch durch die aktive Kontraktion der ÄHZ ermöglicht.
Die inneren und äußeren Haarzellen können damit Frequenzen bis zu 20kHz verstärken und wahrnehmen; die beteiligten Ionenkanäle müssen die schnellsten bekannten Ionenkanäle sein. Die Konformationsänderung des Prestins geht auch
extrem schnell (deswegen Prestin...).
Hörprozess
- Ausbildung der Wanderwelle
- Aktive Längenänderung der ÄHZ mit Prestin, Verstärkung des frequenzspezifischen Maximums
- Indirekte Aktivierung der IHZ, Transmitterausschüttung, Fortleitung von APs
Für die Wahrnehmung von Tönen unterhalb von 50dB benötigt man die aktive Längenänderung, sonst sind sie unhörbar.