Physiologie: Skelettuskulatur

• Training verlangsamt den Prozess !!;
• aber Verlust an Nervenverbindungen ist weitgehend irreversibel;
• Muskelabbau ist ein Schlüssel des Alterns, aber Muskeln sind auch altersunabhängig trainierbar 
• Use it or lose it

• “Nichtbenutzen” führt zur Atrophie
• (Muskelschwund; Verlust von Myofibrillen, kein Verlust an Fasern (!), altersunabhängig; Prozess reversibel); 

Kraftentwicklung bei konstanter Länge. Muskel entwickelt Kraft gegen einen Widerstand, der so gross ist, dass er sich nicht verkürzen kann. 

Längenänderung mit konstanter Kraft. 

Muskel verkürzt sich
mit variable Kraft. z.B. Bewegen einer Last (mit Winkeländerung des Arms) 

Isometrische Kontrak- tion, gefolgt von isotonischer Verkürzung oder auxotoner Kontraktion, z.B. Anheben einer Last. 

Kontraktion ist durch einen Anschlag begrenzt; Isotone Verkürzung oder ausotone Kontraktion, gefolgt von isometrischer Kontraktion z.B. “Kiefer- Schluss” 

Die totale Kraft setzt sich zusammen aus passiver (Ruhedehung) und aktiver Kontraktionskraft;

Die aktive Kraft wird über SE (Serie-elastische Elemente) übertragen (Sehnen, Z-Scheiben,Querbrücken, z.T. auch Aktin) ;
Die max. aktive Kraft hängt von der Sarkomerlänge ab. 

--> Je mehr Myosinköpfe interagieren, desto grösser die Kraft

--> Sarkomerlänge für höchste Kraft ca. 2 - 2,2ym

Vordehnung mit einer Last (Unterstützungsmaxima): Der Muskel ist auf eine bestimmte Länge durch eine angehängte Last vorgedehnt. Bei darauffolgender Stimulation erzeugt der Muskel zuerst isometisch Kraft (Spannung) - in dem Moment wenn die Kraft die Last überschreitet, verkürzt sich der Muskel unter physiologischen Bedingungen auxoton (auxotone Spannungungsänderung) und hebt somit die Last an. Die somit erreichte Muskelverkürzung (bzw. Hubhöhe) nimmt mit zunehmender Last ab. 

Keine Verkürzung, d.h. der Muskel leistet keine äussere Arbeit, setzt aber Wärme frei. Serie-elastische Elemente werden gedehnt ➜”innere” Arbeit ➜ Wärme wird freigesetzt. 

Muskel verkürzt sich, d.h. er leistet äussere mechanische Arbeit und setzt Wärme frei. 

Der Muskel leistet äussere Arbeit und setzt Wärme frei. Bei mittlerer Belastung ist die Arbeit am grössten. 

Arbeit = 0, falls: 

• Last = max. isometrische Kraft, Weg = 0
• Muskel sich unbelastet verkürzt, Kraft = 0

Last nimmt zu ➜ Kontraktionsgeschwindigkeit (v) nimmt ab (hyperbolisch)
Muskellänge nimmt zu ➜ v nimmt zu

• Last=0➜ v=max.,P = 0; 
• Last=max.Muskelkraft➜ v = 0,P = 0 = P_o

  • P_o = isometrische Maximalkraft 

• Belastung (Last) > Muskelkraft ➜ Streckung ➜ v < 0, P < 0, d.h. Bremswirkung (Berg ab!) 

Grosse Last ➜ Transition (Umklappen der Hebelarme) verlangsamt 

• Langsame Geschwindigkeit der Kontraktion;
• Wahrscheinlichkeit der kraftproduzierenden Zustände (Hebelarmbewegung) erhöht;
• mehr Muskelkraft 

Kleine Last ➜ Transition (Umklappen Hebelarm) schnell 

• hohe Geschwindigkeit der Kontraktion
• Wahrscheinlichkeit der kraftproduzierenden Zustände (Hebelarmbewegung) erniedrigt
• weniger Muskelkraft 

Vergl. Bild

1. ATP bindet an den Myosin-Kopf. Die hochaffine Aktin-Myosin-Bindung löst sich
2. Myosin spaltet das ATP, der Myosinkopf richtet sich auf (Richtung Z-Linie) von 45°-->90°. Es kommt erst zu einer niederaffinen Bindung zwischen Aktin und Myosin, dann zu einer hochaffinen.
3. P_i wird abgegeben. Dadurch kippt der Habelarm von 90 -->50° (1. Teilschritt des Kraftschlages). Aktin- und Myosinfilament werden  um 6-8nm gegeneinander verschoben.
4. Durch Abdissoziation von ADP kippt der Myosin-Kopf von 50° --> 45°. Das verschiebt Aktin- und Myosinfilament um weitere 2-4nm gegeneinander (2. Teilschritt des Kraftschlages).
5. Myosinkopf ist ohne ATP noch hochaffin an das Aktinfilament gebunden. Bei physiologischer ATP Konzentrationen bindet ATP sehr schnell (1ms) an den Myosinkopf und der Zyklus beginnt von Neuem.

Nach dem Tod sinkt der ATP-Spiegel der Muskelzelle auf Null. Dadurch können gebundenen Querbrücken nicht mehr abgelöst werden. 

50-80nm dicke Schläuche. Die Transversaltubuli sind tiefe Einstülpungen der Plasmamembran der Muskelzelle, d.h. des Sakrolemms. Sie ermöglichen es, dass sich die Depolarisation der Zellmembran bei Muskelzellen schneller in das Zellinnere überträgt.

• AP --> Skelettmuskel Na⁺ Kanal öffnet --> Na⁺ influx / Depolarisation des Sarkolemms
• Änderung des Membranpotentials wird detektiert durch spannungsabhängige Ca²⁺ Kanäle = Dihidropyridin Rezeptor (DHPR) --> Konformationsänderung des DHPR --> mechanischer Link zum Ryanodin Rezeptor (RYR1, lokalisiert SR)
• --> Übertragen der Konformationsänderung auf den Ryr1 --> Ryr1 öffnet --> Ca²⁺ Freisetzung aus dem SR; 
•  Ca²⁺ im SR ist an den Ca²⁺Puffer (Ca²⁺bindendes Protein) Calsequestrin (CSQ) gebunden.
• benötigt die Muskelfaser mehr Ca²⁺ als durch die SR-Ca²⁺ Freisetzung zur Verfügung gestellt werden kann --> zusätzlicher Ca²⁺ Influx via Store-Operated Ca²⁺ (SOC) entry channels (lokalisiert in tubulärem System);
• Signal von SOC Öffnung kommt vom STIM+ (intra SR-Ca²⁺-Sensor)

Unter dem Dihydropyridin-Rezeptor ist ein spezifischer Calciumkanal zu verstehen, der sich in Muskelzellen und Kardiomyozyten befindet. In der quergestreiften Muskelzelle befindet sich der Rezeptor in der Zellmembran des transversalen Systems (T-Tubuli). In den Herzmuskelzellen liegen sie an der Oberflächenmembran. Daher sind sie am Herzen Bindungsstelle für Arzneimittel aus der Gruppe der Dihydropyridine, die diese Kanäle blockieren und eine antihypertensive Wirkung entfalten.

Der Ryanodin-Rezeptor existiert in zwei Isoformen. RyR1 kommt in Skelettmuskelzellen vor, und  RyR2 befindet sich in Herzmuskelzellen. Der Ryanodin-Rezeptor ist an der Muskelkontraktion in beiden Muskeltypen beteiligt, da er als Kalziumkanal fungiert, der Kalziumionen aus dem SR ins Zytosol schleust, und damit den intrazellulären Kalziumspiegel erhöht. Die erhöhte Kalziumkonzentration löst an den  Sarkomeren die Kontraktion aus.

Calsequestrin ist ein Calzium bindendes Protein, welches sich in den Muskelzellen befinden. Dort befinden si sich im SR, genauer im longitudinalem tubulärem System.

Das Ruhemembranpotential bertägt ca. -90mV

Es dauert ca 10ms, Spannungsbereich -80 bis +30 mV

Wenn das AP ankommt, steigt die intrazelluläre Ca²⁺ Konzentration rasch an (von ca. 100nM auf ca 10nM: pro Zuckung werden ca 200nmol/g freigesetzt), danach fällt es langsam wieder ab.

Steigt die Ca²⁺-Konzentration über 100nM, sättigt Ca²⁺ die Bindungsstellen von Troponin C. Die hebt den Troponin vermittelten Hemmeffekt des Tropomyosins auf das Filamentgleiten auf, sodass nun eine hochaffine Bindung zwischen Aktin und Myosin II stattfinden kann.

• AP Oberflächenmembran (regenerativ)
• Erregungsleitung T_Tubuli (regenerativ, Na⁺-Kanäle)
• Signalüberleitung Triadensystem: T-Tubuli, Terminalzisternen SR
  • Depolarisation T-Tubuli (Dihydropyridin-Rezeptor; spannungsabh.)
  • "mechanischer Link" (Konformationsänderungen: DHPR ⇔ RyR1)
  • Öffnen Ca²⁺-Kanäle in Terminalzisternen (Ryanodin-Rezeptor)
• Ca²⁺ Freisetzung aus Terminalzisternen

• ↑[Ca²⁺]_i von ~10^-7 auf 10^-5 mol/l (Deblockade via Tropomyosin) 

• Kontraktion (Querbrückentätigkeit)

• ↓[Ca²⁺]_i von ~10^-5 auf 10^-7 mol/l (Blockade via Tropomyosin) 

• Relaxion

• Jede Muskelfaser (Muskelzelle) hat einen Kontakt (neuromuskuläre Endplatte) zu einer Nevenfaser;
• eine Nervenfaser bildet viele Verzweigungen und kann so viele Muskelzellen aktivieren
• Ein α-Motoneuron des Rückenmarks und die von ihm versorgten Muskelfasern bilden zusammen eine motorische Einheit. Jede motorische Einheit enthält nur einen Muskelfaser-Typ.