Bio 2

• Filamente liegen exakt parallel
• Querstreifung
• viele randständige Zellkerne
• zylindrische Zellform
• willentliche Erregung -> ZNS
• rasche Kontraktion
• rote und weisse Fasern

1. Sarkomere
2. Myofibrillen
   • Funktionseinheiten, die die Verkürzung ermöglichen; umhüllt vom sarkoplasmatischen Retikulum (spezielles endoplasmatisches Retikulum der Muskeln)
3. Muskelfasern
   • gestreckte, mehrkernige Zellen (Synzytium), gefüllt mit Sarkoplasma (Zellplasma einer Muskelzelle) und umgeben vom Sarkolemma (Zellmembran einer Muskelzelle)
4. Muskelfaserbündel
   • mehrere Muskelfasern, die von einer Schicht Bindegewebe umgeben sind

• aus den Myofilamenten Aktin und Myosin (partielle Überlappung)
• Verankerung des Myosins (Füsschen) am M-Steifen
• Verankerung des Aktins am Z-Streifen (Begrenzung)
• Z-Streifen -> verschiedene Proteine über Ankerproteine befestigt
• Das Protein Aktin bildet die dünnen Filamente → sind durch das Ankerprotein Aktinin innen an beiden Seiten der Z-Scheiben befestigt
• Dicke Filamente →werden durch das Protein Myosin gebildet und durch das Protein Titin in der Z-Scheibe verankert
  • Titin ist wie eine Feder gewunden → dadurch übernimmt es eine Federfunktion während des Zusammenziehens der Muskeln → hält die
    Myosinfilamente in der Mitte zwischen den Z-Scheiben

• Aufgebaut aus kleinen homogenen Funktionseinheiten → Sarkomeren, Grundbaustein der Muskelfasern
• Durch unterschiedliche Lichtbrechung der verschiedenen Abschnitte des Sarkomers kommt es zur Querstreifung
  • Einige Abschnitte sind aufgrund der molekularen Struktur ihrer Proteine einfach lichtbrechend bzw. isotrop ("I"), andere Abschnitte doppelt lichtbrechend bzw. anisotrop ("A")
  • Lichtmikroskop: abwechselnd helle I-Banden (Aktin), und dunklere A-Banden (Myosinbündel)

• drei Untereinheiten
  • Untereinheit C für die Bindung von Calcium
  • Untereinheit T für die Bindung von Tropomyosin
  • Untereinheit I für die Bindung von Aktin(I
    für inhibitory, hemmend)
• Gemeinsam mit Myosin und Aktin bilden diese Proteinkomplexe den beweglichen
  (kontraktilen) Teil der Muskulatur

1. Ruhezustand (Muskel entspannt):
   • Aktin ist vom Protein Troponin und von Tropomyosinfäden umschlungen → Tropomyosinfäden verdecken so die MyosinBindestelle auf Aktin
   • Der Myosinkopf hat ATP gebunden und befindet sich im 90°- Winkel zum Aktinfilament
2. Aktivierung:
   • Ein Nervensignal führt zur Ausschüttung von Calciumionen (Ca2+) aus dem Sarkoplasmatischen Retikulum
   • Ca2+ aktiviert die Enzymaktivität von Myosin (= ATPase) → dadurch wird ATP durch Hydrolyse zu ADP und Pi gespalten
   • Myosin speichert die freiwerdende Energie und ist in einem gespannten Zustand
   • Ca2+ -Ionen binden an Troponin und dies führt zu einer Konformationsänderung →Myosin-Bindestelle freigegeben
3. Querbrückenbildung und Kontraktion:
   • Myosin kann an Aktin binden und bildet eine Querverbindung aus
   • Der Myosinkopf gibt nacheinander Pi und ADP ins Cytosol ab und setzt die Energie frei → führt zu einem Kippen des Kopfs in einen 45° Winkel dabei zieht Myosin die Aktinfilamente in Richtung Mitte und
4. Rückkehr Ausgangszustand:
   • Neues ATP lagert sich an den Myosinkopf an → Myosin und Aktin lösen sich voneinander und die
     Ruhestellung ist wieder erreicht
     der Muskel spannt sich an (kontrahiert)

Nach dem Gleitfilamentmechanismus behalten bei Sarkomerlängenänderung die Aktinund Myosinfilamente ihre Länge bei, während die I-Bande und die H-Zone schmaler (Kontraktion) bzw. breiter (Dehnung) werden; die Titinfeder wird komprimiert bzw. gedehnt.

kein neues ATP mehr zur Verfügung steht, um die Bindung von Myosin und Aktinfasern wieder zu lösen

• Aktin -> Hauptbestandteil der dünnen Filamente, ca. 22% des Gesamtproteingehalts
• α-Aktin -> Aktinbindendes Strukturprotein in den Z-Scheiben
• Myomesin -> M-Bandenprotein, bindet an Myosin und Titin
• Myosin -> Molekularer Motor und Hauptbestandteil der dicken Filamente;ca. 44% des Gesamtproteingehalts
• Myosinbindungsprotein C -> Strukturprotein der dicken Filamente, bindet an Titin, Myosin. Auch Regulatorfunktion (beeinflusst myofilamentäre Ca²⁺-Sensitivität
• Nebulin -> Bindet entlang der Aktinfilamente und stabilisiert sie
• Titin -> Elasische Feder, Gerüst- und Signalprotein, ca. 10% des Gesamtproteingehalts
• Tropomyosin -> Filamentöses Regulatorprotein an den dünnen Filamenten
• Troponin -> Regulatorischer Proteinkomplex an den dünnen Filamenten

• tiefe Einstülpungen des Sacrolemma
• ermöglicht schnelle Übertragung der neuronal erzeugten Depolarisation ins Zellinnere 
  • über ACh

• kurze schmale Zellen mit Rechteckiger Form
  • gegensätzlich zu Skelettmuskel einen einzigen Zellkern
  • mehr Sakrosomen wie Skelettmuskeln (Sakroplasmatisches Retikulum ist weniger ausgeprägt)
• Myofibrillen -> bestehen aus in Sakromeren angeordenten Myofilamente
• T-Tubuli (Transversaltubuli) -> Übertragung des Impulses ins Zellinnere
• viele Mitochondrien -> Energiegewinnung
• Glanzstreifen -> befinden sich an Verbindungstellen zwischen Herzmuskelzellen
  • besteht aus Desmosomen und Gap Junctions
• für die elektromechanische Kopplung benötigtes Ca²⁺ wird aus dem Sakroplasmatischen Retikulum (RS) und zum Teil auch aus dem Extrazellulärraum bereitgestellt

HE-Färbung

• A -> Rote Blutzellen (Ec)
• B -> Kern einer Muskelzelle
• C -> Endothelzelle einer Kapillare
• D -> Glanzstreifen

• Biomarker für Herzmuskelschaden
• Troponin I -> inhibitorisches Troponin, starke Affinität für Aktin (inhibiert Myosinbindung)
  • cTnI
• Troponin T -> Bindung an das Tropomyosin
  • cTnT
• Troponin C -> bindet Calcium
• drei unterschiedliche Isoformen von Troponin I und Troponin T (verschiedenen Gene)
  • cardiales Troponin (cTn)
  • Troponine in den langsamen und schnellen Skelettmuskelfasern (sTn)
  • Strukturhomologie von cTn und sTn liegt bei 40-58%

• Sarkomere als Minisarkomere, sind unregelmässiger angeordent wie in Skelettmuskeln
  • enthalten Intermidärfilamente -> Verbindung mit Extrazellulärer Matrix
  • enthalten Verdichtungszonen -> übernehmen Rolle der Z-Scheibe
• sehr viel längere Aktin- und Myosinfilamente wie bei quergestreiften Muskeln
• Calmodulin statt Troponin
• tonische glatte Muskulatur
  • Bsp.: Blutgefässe
  • Stromstärkeregulation
  • Dauerkontraktion
  • erschlafft durch Hormone, vegetatives Nervensystem, mechanische Reize
• phasische glatte Muskulatur
  • Bsp.: Magen/ Darmtrakt
  • Transport
  • rhythmische Kontraktion
  • kontrahiert durch Hormone, vegetatives Nervensystem, mechanische Reize

• intrazelluäres Rezeptorprotein fur Ca²⁺
• in glatter Muskulatru an Aktin gebunde

1. Depolarisierung der Muskelzelle
2. Ca²⁺ freisetzung
   • aus sakroplasmatischem Retikulum (über Zellmembran) strömt ins Zytoplasma
     • neuronal wie auch Skelettmuskel
   • aus intrazellulären Speichern
     • pharmakomechanische Kopplung über IP3/DAG-Signalweg
   • über Füllungszustand der intrazellulären Calciumspeicher
   • durch mechanosensitive Ca²⁺Kanäle (Reagieren zum Beispiel auf Dehnung)
3. Ca²⁺-Calmodulinkomplex bindet an Caldesmon -> Verlängerung
4. Aktivierung der Myosinleichtkettekinase
5. Phosphorylierung ders leichten Kette von Myosin -> Aktivierung/ Enthemmung
6. Kontraktion kann stattfinden

• läuft nach dem selben Muster ab wie in Skeletmuskeln, wird anders reguliert
  • kein Troponin C
  • Ca²⁺ wird von Calmodulin gebunden -> gibt Querbrückenzyklus frei
• Bindung von Ca²⁺-Calmodulin-Komplexws an Caldesmon
  • Bewegt sich von der Myosinbindungsstelle am Aktin weg
  • reguliert ATPase-Aktivität der Myosinkörperchen über Myosin-leichte-Ketten-Kinase (MLCK)

• Mikroläsionen vorallem im Bereich der Z-Scheiben der Sakrome
• metabolische und mechanische Belastung (Beschädigung der Zellmembran) => intrazellulären Ca²⁺-Konzentration steigt an
• verminderte Ca²⁺ Rückaufnahme in das sarkoplasmatische Retikulum aufgrund von ATP-Mangel
• Ca²⁺ aktiviert Lipasen und Proteasen (Bsp.: Calpain) -> zerstören/ lösen Zellstrukturen auf

• entsteh sekundär vermutlich durch Ödeme und inflammatorische Prozesse
• schmerzempfindliche Rezeptoren im Bindegewebe (Nozizeptoren) 
  • verzögertes Anlaufen der Entzündungsreaktion
• mehrstufige Reaktionen; Ca²⁺ abhängige proteolytische und phospholipolytische Prozesse
  • Phospholipase A₂ -> Archidonsäure -> Eikosanoide -> löst inflammatorische Reaktion aus

• schnelle ATP Bereitstellung durch Kreatin (in der Leber gebidet aus L-Arginin und S-Adenosylmethionin)
• Muskelzellen nicht in der Lage Kreatinin zu synthetisieren
  • enthalten keine Transmethylase
• Kreatinin wird aus dem Blut aufgenommen und zu Kreatinphosphat phosphoryliert
  • ATP Verbrauch
  • genug ATP in Erholungs-/ Ruhephase
• bei erhöhtem Energiebedarf; Kreatinphosphat + Kreatinkinase -> Kreatin + Phosphat
  • -> Kreatinin durch katalytische Dehydrierung an Membranenzym
• Rückbildung durch Kreatinkinase in Ruhephase

-> Kreatinin Nachweis als indikator für die Nierenfunktion, da Kreatinin nur über die Niere ausgeschieden werden kann & muss

• Langsame Muskelfasern -> niedrige ATPase-Aktivität
• viel sauerstoffbindendes Myoglobin und viele Mitochondrien
  • erhöhte kapazität für oxidativer Stoffwechsel
  • rote Färbung
• hohe Energiereserven (Glykogen und Fett)
  • permanente ATP Produktion bei genügend O₂
  • geeignet für aerobe Ausdauerleistung
• kontrahieren relativ langsam, aber mit grosser Ausdauer
• Typ-I-Faser oder ST-Faser (slow twitch)

• schnelle Muskelfasern -> hoher ATPase-Aktivität
• wenig Mitochondrien und Myoglobin
  • weniger strak durchblutet
  • Energie durch Glykolyse -> speichern Glykogen
• schnelle Maximalspannung
  • Maximalspannung grösser wie bei roten Muskelfasern
  • ermüdet schnell
• können Actomyosinkomplexe schnell regenerieren
• Myosin kann schnell ATP in Arbeit umsetzen
• Myosin kann ATP-Speicher nich schnell genug auffüllen
• Typ-II-Faser oder FT-Fasern (fast twich)

• maximale Kraft
• Funktion des Muskelquerschnitts
  • je mehr Actin- & Myosinfilamente in einem Muskel oder einer Muskelfaser vorhanden sind, desto mehr Kontraktionskraft kann aufgebaut werden
• Training
  • Muskel kontrahiert unter starker Belastung
  • Übungen werden bis zur völligen Erschöpfung wiederholt
    • Muskelkater
    • induziert Actin- & Myosinfilament Bildung
    • nicht mehr sondern dickere Muskelfasern
• durch anaerobe Aktivität erhöht

• Arbeitskapazität des Muskels
• wird durch aerobe Aktivität gesteigert
  • oxidative Kapazität wird erhöht
  • Erhöhung der Mitochondrienzahl
  • Konzentrationserhöhung der Enzyme, welche bei der Energienutzung wichtig sind
  • Erhöhung der Dichte der Blutkapillare (O₂ Versorgung)
  • Myoglobinmenge in Skeletmuskelzellen steigt an
    • nimmt O₂ auf 
    • erleichtert Difussion von O₂ in Muskelfasern
  • Ausdauertraining kann Belastungsfaähigkeit und Ausdauer der Muskulatur erhöhen

• Sofortsystem
• ATP nur in geringen Mengen gespeichert
• alternativ Kreatinphosphat
• Energie auf Menge Kreatinphosphat begrenzt
  • steht schnell zur Verfügung
  • schnelle Muskelfasern können rasch viel Kraft entwickeln
• System schnell erschöpft -> auf glykolytisches System ausweichen

• glykolytisches System
• anaerober Abbau von Kohlenhydraten zu Pyruvat und dann zu Lactat
• innherhalb weniger Sekunden
• glykolytische Enzyme befinden sich im Cytoplasma der Muskelfaser
  • ATP steht den Myosinfilamenten rasch zur Verfügung
• Glykolyse alleine ist ineffizient
  • Ansammlung von Milchsäure verlangsamt den Prozess
• in weniger als 1 min können das Sofortsystem und das glykolytische System den grössten Teil der Energie für die Muskelarbeit liefern

• oxidatives System
• aerober Abbau 
  • zunächst Kohlenhydrate, dann Fette -> H₂O und CO₂
• ca. 1 min bis zur Aktivierung
• viel ATP
• Viele Reaktionsschritte welche in den Mitochondrien statt finden
  • ausreichend Sauerstoff und Substrate müssen in Mitochondiren diffundieren
  • ATP muss in die Myofibrillen diffundieren
  • Zeitintensiv
• Glykolyse alleine ist ineffizient
• in weniger als 1 min können das Sofortsystem und das glykolytische System den grössten Teil der Energie für die Muskelarbeit liefern

• hydrolysiert organische Phosphate
• erzeugen hohen PO₄-Gehalt
• hält hohe interne Kaltiumkonzentrationen aufrecht

• Verkalkung von hypertrophem Knorpel

• reife Knochenzellen
• Definition: Osteoblasten, auf deren "Rücken" eine neue Schicht Osteoid abgelagert wurde
  • Osteoid; weiche, noch nicht mineralisierte Grundsubstanz
• Funktion: Steuern den Knochenumbau und verhindern übermässigen Knochenaufbau
  • bei Defekt am Knochen sterben Osteozyten  durch unzureichende Versorgung ab -> Osteoplasten "aktiviert"
• Lokalisation: Verteilt in der mineralisierten Knochenmatrix

• Definition: Mehrkernige Fresszellen, die den mineralisierten Knochen abbauen und durch Fusion von Monozyten entstehen
• Funktion: Knochenab- und -umbau

• für viele Lebensnotwendige Funktionen
  • Muskelkontraktion
  • Knochen- und Zahnbildung
  • Blutgerinnung
  • Funktion von best. Enzymen
• Gesamtkörpermasse von ca. 1-2 kg
• 99%  ungelöstes Kalziumphosphat (Hydroxylapatit) als extrazellulärer Bestandteil des Skeletts un der Zähne
• 0.1% extrazellulär gelöst/ frei
• im Blutserum ca. 55% gebunden (Albumin, Citrat, Sulfat, Phosphat)
• im Blutserum ca. 45% ionisiert/ frei

• empfohlene tägliche Zufuhr 800 - 1000 mg
  • während Schwangerschaft, Stillzeit und Adoleszenz ist der Bedarf höher
• Nahrungsmittel mit hohem Kalziumgehlat
  • Milchprodukte
  • Mineralwasser
  • auch Gemüse, Früchte & Getreideprodukte
• Laktose und Fettsäuren fördern Kalziumaufnahme
• Phosphate und Oxalat hemmen Kalziumaufnahme

• wird vorallem über die Niere ausgeschieden
• ionisierter Anteil wird glomerulär frei filtriert
  • 95-98% werden absorbiert
    • 65% im proximalen Tubulus (von Natriumresorbtion abhängig)
    • 20% in der Henleßschen Schlaufe
    • 10-15% im distalen Tubulus (durch PTH gefördert)
• 100-300mg/Tag werden über die Niere ausgeschieden
• bei hoher kalziumkonzentration im Urin steigt das Risiko für Nierensteine

• Zur Einschätzung der Kalziumstoffwechselsituation wird das freie Kalzium direkt bestimmt oder errechnet
• wichtigste Regelgröße des Kalziumhaushalts ist die extrazelluläre freie bzw. ionisierte Kalziumkonzentration
  • freie Kalziumkonzentration im Serum (wird durch hormonelles Regelsystem kontolliert)
  • Serumkalzium-Wert ist von der Albuminkonzentration abhängig -> muss ggf. korrigiert werden