Physiologie 2

Muskelphysiologie

Muskelphysiologie


L. H.
Diese Lernkarten bieten einen umfassenden Überblick über die Physiologie der Muskulatur auf Universitätsniveau. Sie behandeln die Energiebereitstellung durch ATP, die Rolle von Ca2+ und die Struktur von Muskelfasern, einschließlich Aktin und Myosin. Die Karteikarten sind besonders nützlich für Studierende der Biologie, die sich mit der Muskelkontraktion, der Innervation von Muskelzellen und den zugrunde liegenden biochemischen Prozessen vertraut machen möchten.
Karten
30
Lernende
3
Sprache
Deutsch
Kategorie
Biologie
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
06.02.2015 / 30.03.2016

Lernkarten

3 Muskeltypen

  • Quergestreifte Muskulatur (=Skelettmuskulatur)
  • glatte Muskulatur (=EIngeweidemuskulatur und die Muskeln der Blutgefäße)
  • Herzmuskulatur

Quergestreifte Muskulatur oder Skelettmuskulatur

  • Symmetrischer Aufbau der Myofibrillen, die parallel in einer Muskelfaser liegen und 0,5-2 µm dick sind
  • Die kontraktilen Proteine Aktin und Myosin sind streng symmetrisch in einer Myofibrille angeordnet und schieben sich bei einem Kontraktionsvorgang teleskopartig ineinander
  • jede Zelle besitzt mehrere randständige Kerne
  • kann für kurze Zeit große Kräfte aufbrinen, ermüdet aber "schnell2
  • unterliegt dem Willen

glatte Muskulatur

  • meist längliche, zum Teil auch stark verzweigte Muskelzellen
  • durchschnittliche Länge beträgt 80 µm, ihre Dicke 2-7µm
  • jede Zelle hat in der Mitte einen Zellkert
  • Kontraktilität beruht auf sehr feinen Myofibrillen
  • relativi kleiner Anteil an Strukturproteinen
  • untersteht nicht unserem Willen (Erregung durch das vegetative Nervensystem)
  • glatte Muskelzelle kann von gesamten Membranoberflächen erregt werden (Skelletmuskulatur nur über motorische Endplatten)
  • Vorkommen in den inneren Organen (an Blutgefäßen, an der Speiseröhre, GI-Trakt, Bronchien, an allen Hohlorganen des Körpers)
  • befindet scih in wechselnden Spannungszustand (Tonus) --> keine Ermüdung
  • Innervation durch Nervenerregung des Sympathikus + Parasympathikus (Transmitter: Noradrenalin -SNS; Acetylcholin - PNS)

glatte Muskulatur

  • spontan aktive Muskeln
  • Nicht spontan aktive Muskeln

  • spontan:
    • Kontraktion kann ohne Einwirkung von Nervenimpulsen aufrechterhalten werden (Dies geschieht langsam, um bei möglichem Energieverbrauch längere Zeit in einem Verkürzungs- oder Denhungszustand verharren zu können
    • beruht auf spontaner Depolarisation von Schrittmacherzellen
    • Ausbreitung des Potentials über die Gap-Junctions auf den ganzen Zellverband
    • Halteleistung ist notwendig, um röhren- oder kugelförmige Hohlräume glecihmäßig zu vergrößern/ verkleinern Reguliert z.B. die Weite des Magen-Darm-Trakts und der Harn-+Gallenblase
  • nicht spontan-aktiv
    • vor allem in Blutgefäßen, Iris und Samenleiter

Gap-Junctions

  • Membranen steht dicht zusammen, dass über eine Plasmabrücke durch spezielle Ionenkanäle (=Connexine) die Ladung direkt von einer Zeller zur anderen Zelle übergehen kann
  • Anordnung in sog. Clustern
  • schnelle und ungehinderte Signalübertragung gewährleistet
  • z.B. Herzmuskulatur zwischen den Muskelzellen, in glatter Muskulatur, im Großhirn und in der Netzhaut

Herzmuskulatur

  • Hat besondere Bauart = Hohlmuskel
  • in mancher Hinsicht nimmt sie eine Mittelschicht zwischen glatter Muskulatur und Skelettmuskulatur ein
    • mittelständige Kerne wie die glatte Muskulatur
    • Querstreifung wie die Skelettmuskelfasern
  • Zellen sind verzweigt und netzartig durch Kittlinien (GLanzstreifen) miteinander verbunden
  • Herztätigkeit entsteht durch Eigenerregung in den Autonomiezentren
    • Sinus-Knoten
    • AV-Knoten
    • His-Bündel mit Purkinje Fasern
  • Modulation der Herztätigkeit über Neurotransmitter
  • Reich an Mitochondrien
  • Herzmuskulatur arbeitet unabhängig von unserem Willen

Myogenese (Entstehung der einzelnen Muskelfasern)

mesodermale Stammzelle -> Teilung -> Myoblasten ->

  • -> primäre Myotuben --> Myofasern Typ 1
  • -> sekundäre Myotuben --> Myofasern Typ 2 (IIa, IIb, IIc)

mesodermale Stammzelle -> Satellitenzellen (zwischen den Muskelfasern)

Postnatales Muskelwachstum

  • die Anzahl der Muskelfaserzellen liegt mit der Geburt fest
  • danach findet primär eine Zunahme der Muskelfaserdurchmesser und -längen (=Hypertrophie) nicht aber der -Anzahl statt
  • Neue Myonuclei können mit den bestehenden Muskelfasern verschmelzen
  • Zellen (=Satellitenzellen), die zwischen der Basalmembran der Muskelfaserzelle und dem Sarkolemma liegen

  • Hypertrophie
  • Hyperplasie
  • Regeneration

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Muskelfasertypen

  • weiße Muskelfasern (Muskelfasertyp IIb)
    • relativ dick
    • enthalten mehr Myofibrillen, weniger Mitochondrien
    • weniger Sarkoplasma mit geringerer Myoglobinkonzentration
    • --> schnelle Kontraktion aber rasche Ermüdung durch geringen Myoglobingehalt und die geringere Mitochondrienzahl
  • rote Muskelfasern (Muskelfasertyp I und IIa)
    • relativ dick
    • enthalten weniger Myofibrillen, mehr Mitochondrien
    • mehr Sarkoplasma (bis zu 40% der Muskelmasse) mit höherem Myoglobingehalt
    • --> relativ langsame Kontraktion aber sehr ausdauernd
  • intermediäre Muskelfasern (Muskelfasertyp IIc)
    • haben Merkmale der weißen + roten Muskelfasern

Anatomischer Aufbau der Skelettmuskulatur (quergestreifte Muskulatur)

  • Muskel ist von einer Muskelhaut (=Faszie) umgeben, die die Außenhülle und Führungsröhre des Muskels darstellt.
  • Der Muskel besteht aus einer Anzahl von Strängen, die wiederum ihrerseits von einer Bindewebehülle umgeben ist
  • Der Muskelstrang setzt sich aus Bündeln von Fasern (=Muskelzellen) zusammen. Die Umhüllung der Muskelfasern wird Sarkolemm genannt
  • Innerhalb der Fasern verlaufen die kontraktilen FIbrillen
  • Die Fibrille besteht aus unterschiedlichen dicken Eiweißfäden
  • --> Muskelfilamente (Aktin + Myosin)

Das Sarkoplasma

  • wandständige Zellkerne der quergestreiften Muskulatur liegen in einem gemeinsamen Sarkoplasma (vielkerniges Synzytium)
  • Im Sarkoplasma befinden sich
    • Mitochondrien : aerobe Energiegewinnung der Zelle
    • Myoglobin: Sauerstoff bindender roter Muskelfarbstoff im Sarkoplasma
    • Sarkotubuläres System
      • transversales System: senkrecht zur Faserachse mit Einstülpungen der Außenmembran
      • longitunales System: sarkoplasmäres Reticulum; parallel zu den Fibrillen mit terminalen Zisternen
  • Skelettmuskel wird von kollagenen Bindegewebe umschlossen, das mit Septen in das Innere des Muskels einstrahlt, diesen in einzelnen Faserbündel aufgeteilt und schließlich jede einzelne Muskelfaser umspinnt --> Halt für den Muskel

AUfbau einer Muskelfaser (skizze)

 

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Sarkomer

Sarkomer ist die kleinste funktionelle Einheit (2µm)

liegt zwischen zwei Z-Scheiben und besteht aus Aktinfilamenten, Myosinfilamenten und den Regulatorproteinen (Tropomodulin, Titin und Nebulin)

Myosinmolekül

  • ca. 50% des intrazellulären Proteins
  • besteht aus zwei verdrillten Proteinen 
  • Proteine sind am Ende in zwei Köpfchen verdichtet
  • Unterteilung in Schwanz-, Hals- und Kopfbereich

Myosinfilament

  • besteht aus mehreren Myosinmolekülen
  • ca. 1,6-2,2 µm
  • dunklen Abschnitte der Querstreifung (A-Bande)
  • Myosinhals und Myosinkopf-Bereiceh ragen seitlich aus dem Filament heraus (und könne Querbrücken mit Aktin bilden)
  • Kopfbereich besitzt zwei Bindungsstellen
    • für Aktin-Filamente
    • für ATP

Aufbau der Aktinfilamente

  • ca. 400 Aktinmoleküle liegen perlförmig entlang eines fadenförmigen Tropomyosin
  • verbunden über Aktin-Aktin-Bindungsstellen = Struktur der Doppelhelix
  • Tropomyosinmolekül erstreckt sich über 7 Aktinmoleküle und im Abstand von 40 nm liegen kugelförmige Troponinmoleküle an, die die Muskelkontraktion regulieren

Erregungsübertragung auf die Muskulatur (Skizze)

l

Innervation der Muskelzelle

  • EPSP = erregendes Enplattenpotential (70mV) an motorischer Endplatte
  • -> post-synaptischer Na+ Einstrom in Muskelfaserzelle
  • -> löst Muskelpotential aus
    • motorische EInheit = jede Nervenfaser versorgt mehrere Muskelfasern (Rumpfmuskulatur bis zu 1000 Muskelfasern)
    • jede Muskelfaser besitzt nur EINE motorische Endplatte
  • einlaufendes Muskelpotential wird im transversalen tubulärem System in das Innere des Muskels geleitet
  • Mukelpotential springt auf longitunales System über
  • und bewirkt Freisetzung von Ca2+ aus den terminalen Zisternen
  • Latenzzeit ca. 1/1000 sec.
  • Rücktransport des Ca2+ über Ca2+-Pumpen

--> im Sarkoplasma steigt Ca2+-Konzentration um das 100 - 1000-fache an

Nach Anstieg der Ca2+-Konzentration im Sakroplamsa:

  • Konformationsänderung des Troponins am Aktinfilament
  • Tropomysinfäden gleiten tiefer zwischen die beiden Aktinstränge und geben somit die Anheftungsstelle für das Myosin frei
  • Anlagerung des Myosinkopfes am Aktinfilament

Kontraktion der Sarkomere

  • Myosinkopf legt sich an Aktinfilament an
  • Konformationsänderung am Myosinkopf -> Drehung
  • Entstehung einer schräggerichteten Kraft -> Muskelfaserverkürzung
  • Aktingerüst wird somit teleskopartig in Myosinfilamente hineingezogen -> Gleitfilamenttheorie

--> eine Längenänderung der einzelnen Filamente findet nicht statt

Der elementare Aktin-Myosin Kontraktionszyklus (Skizze)

  1. Myosinkopf fest mit Aktinmolekül verbunden = Aktinmysin liegt vor; Zum Lösen des Myosinkopfes (Querbrücke) ist ATP nötig --> ATP bindet an Myosin
  2. Hydrolyse des ATPs; ATPase Wirkung des Myosins unter Anwesenheit von Mg2+
  3. nach der hydrolytischen Spaltung kann Myosin wieder ein neues AKtin Molekül (ein Stück weiter) binden
  4. Kraftstufe: Erst wenn Pi freigesetzt wird -> eintsteht die eigentliche Kraftübertragung, die die Aktin und Myosinfilamente ineinander gleiten lässt; ADP Freisetzung: ADP wird jetzt wieder vom myosinmolekül enfternt
  5. zurück zu 1. : neuer Kontraktionszyklus kann beginnen, wenn ausreichend Ca2+ Konzentrationen vorhanden sind

  • Muskelkontraktion
  • Muskeldehnung

  • Verkürzung der Sarkomerlänge
  • Verlängerund der Sarkomerlänge

Einzelne Anlagerung und Drehung des Myosinkopfes erfolgt eine Längenänderung des Sarkomers um ca 1%

Bei wiederholter Anlagerung Verkürzung des Sarkomers um bis zu 30% möglich

Energetik der Muskelarbeit

  • chemische Energie in Form von ATP -> ADP + Pi + Energie
  • wird direkt in mechanische Energie umgewandelt (= chemo-dynamisches Prinzip)
  • Energiespeicher in der Muskulatur ist Creatinphosphat (CP): 
    • ADP + CP <--> ATP + C

Energiebereitstellung für die Muskelkontraktion

Energie zur Synthese von ATP und CP stammt aus dem Glykogenabbau oder aus der Oxidation freier Fettsäuren und Proteine

GLucose + ADP + P + O2 (oxidativer Abbau) --> 36 ATP + H2O + CO2

Glucose + ADP + P (anaerober Abbau) --> 2 ATP + Laktat

Buttersäure (C4) + ADP + P + O2 --> 27 ATP + H2O + CO2

Stearinsäuren (C8) + ADP + P + =2 --> 146 ATP + H2o + CO2

Totenstarre

  • rigor mortis
  • physiologische Eigenschaften bleiben einige Stunden nach dem Tod bestehen
  • ATP und CP nehmen ab, Abbauprodukte reichern sich an
  • KOntraktion der Myosinköpfchen bleibt bestehen -> Erstarren der Muskulatur

Eintritt der Totenstarre nach 3-6h, abhängig vom Ermüdungsgrad der Musklern und der Temperatur

Nach 1-3d Lösen der starre durch autolytische Prozesse (proteolytische und lipolytische Enzyme)

Fleischreifung

  • beginnt unmittelbar nach der Schlachtung: pH alkalisch bis neutral
  • nach 1,5 - 3,5h Umschlag in den sauren Bereich durch Milchsäurebildung; die Säuerung ergibt ein zartes Fleisch mit lockerer Konsistenz
  • mit EInsetzen von Fäulnis wieder alkalische Reaktion

Maligne Hyperthermie Syndrom (MHS)

  • Stress-Anfälligkeit
  • Abnormalität der Ca2+-Kanäle im sarkoplasmatischen Reticulum
  • Gesund: Ca2+-Kanäle werden durch Ca2+, ATP, Mg2+ und Calmodulin reguliert und haben im stimulierten Zustand eine kurze Öffnungsphase
  • MHS: Abnorme maligne Hyperthermie Ca2+-Kanäle sind sensitiver zu niedrigeren Ca2+Konzentrationen, transportieren mehr Ca2x und schließen langsamer -> lange Öffnungsphase -> Anhaltende Muskelkonktraktion -> erhöhter Sauerstoffverbrauch -> Zerstörung der Zellmembranen

Reflex

  • Verschaltung bei der eine sensorische Faser direkt mit einer motorischen Bahn verschalten ist
  • Interneuron können zwischengeschaltet sein
  • jedoch erfolgt keine Verbindung mit dem Gehirn
  • diese Verschaltungen führen zu nicht willentlich kontrollierbaren Reaktionen
  • Man nennt diese Verschaltung einen Reflexbogen
  • Den Reiz-/Reaktionsablauf einen unbedingten Reflex
  • Reflex ist eine stereotypische Reaktion des Organismus auf einen Umweltreiz, die beim Überschreiten einer Reizschwelle unausweichlich wird
  • Reflexe laufen unbewusst ab
  • Funktion liegt in der AUsfürhung schneller Routineaufgaben

Antagonistische Hemmung

  • = Mechanismus der reziproke antagonistische Hemmung
  • = gegenspielende Musklen hemmen sich wechselseitig (z.B. M. biceps + m. triceps)
  • Während eines Reflexes, der zu einer Muskelkontraktion führt, muss der antagonistische Muskel gehemmt werden, um die Ausführung der Kontraktion sicherzustellen

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