2020.09.29.

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MuskelphysiologieLernziele 21-24

Dr. Mária Dux

Michelangelo Buonarotti

Im Körper: Bewegung und Transport

-Atmung-Herz/Kreislauf-Magen-Darm-Kanal

Histologie:Glatte Muskulatur

Herzmuskulatur

Skelettmuskulatur- Querstreifung - AP des Motoneurons löst die Kontraktion aus - willkürliche Steuerung- keine direkte Kommunikation zwischen Muskelfasern

Kontraktionund

Erschlaffung

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Die Muskulatur des Menschen macht etwa 50% seiner Körpermasse aus.

Themen:Skelettmuskulatur (etwa 400 Muskeln)

StrukturKontraktion

Elektromechanische KopplungEnergetikMechanik

Glatte Muskulatur – im Vergleich zu der Skelettmuskulatur

Muskel

Muskelfaser(Zelle)

Myofibrille

Erschlaffung

Kontraktion

A-Band I-Band

Z-Linie

M-Linie H-Zone

Sarkomer (2 µm)

Z-Linie

Durchmesser: 10-100 µm

Die Skelettmuskulatur

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Skelettmuskelfaser

Triadenstruktur

„T”„L”

Dickes Filament: MYOSIN

Dünnes Filament: AKTIN

TROPOMYOSIN

TROPONIN

Weitere Strukturproteine: α-Aktinin

Titin

Kontraktile Proteine

Regulatorproteine

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Duchenne-Dystrophie: Dystrophin-Mutation(Der Erbgang ist X-chromosomal rezessiv)

Der kontraktile Apparat ist über verschiedene Proteine mit dem

Sarkolemm und Kollagenfibrillen der extrazellulären Matrix verbunden.

Myosin G-Aktin

F-Aktin

Tropomyosin Troponin

dickes Filament dünnes Filament

schwere Ketten

leichte

Ketten

Aufbau von Myosin- und Aktinfilamenten

Myosin (2 schweren und 4 leichten Ketten):ATPase-Aktivität

Hebelarm-Funktion

bindet an Aktin

Aktinmonomere binden:

- andere Aktinmonomere,

- Myosin,

- Tropomyosin,

- Troponin

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TnI TnC TnT

Aktin TropomyosinTroponin

Untereinheiten des Troponin

Dünnes Filament

TnI (Inhibitorische Untereinheit)

TnC (Calcium-bindende Untereinheit)

TnT (Tropomyosin-assoziierte Untereinheit)

Aktin

Bindungsstelle für Ca2+

Troponin-Komplex TnC, TnI, TnT

In der Abwesenheit von Ca2+ der Querbrückenzyklus blockiert ist.

Bindungsstelle

für Myosin

Bei Bindung von Ca2+ an TnC wird die Blokade aufgehoben.

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Breite des Sarkomers (µm)

Breite der A Streifen (µm)

Gleitfilamenttheorie

Huxley A.F., Niedergerke R.: Structural changes in muscle during contraction. Interference microscopy of living muscle fibres. Nature, 173, 971-973. (22 May 1954)

Huxley H.E., Hanson J.:Changes in the cross-striations of muscle during contraction and stretch and their structural interpretation. Nature, 173, 973-976. (22 May 1954)

1. Motorische

Einheit

2. Motorische

Einheit

Rückenmark

Motoneuron

Axon

Muskel

Muskelfaser

Motorische Einheit

Dying Lioness, ca. 650 B.C.Palace of Ashurbanipal at Ninevah

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Elektromyographie

Mit Hilfe von konzentrischen Nadelelektroden lassen sich die Potentialschwankungen einzelner motorischer Einheiten ableiten. Auch Messungen der Potentialänderungen auf der Haut mit Oberflächenelektroden sind möglich, jedoch wesentlich unpräziser.

subsynaptischeEinfaltungen

Muskelfaser

aktive Zone

Neuromuskuläre Synapse

Muskelfaser

PresynaptischeEndknöpchen

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Endplattenpotential

Neuromuskuläre Synapse

motorische Endplatte

Hemmung der neuromuskulären Erregungsübertragung

Hemmung der ACh-Freisetzung:Botulinustoxin

Hemmung der ACh-Rezeptoren:Curare

Hemmung der Acetylcholinesterase:reversibel: Neostigminirreversibel : Insektizide, chemische Kampfstoffe

Myastenia gravis: Bildung von Antikörper gegen den nicotinischen ACh-Rezeptor

Acetat

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Elektromechanische KopplungDihydropyridin-

Rezeptor (DHPR)

Ryanodin-

Rezeptor (RyR)

Ca2+<10-7 MCa2+≈10-3 M

Kalsequestrin: 44-67 kDa Protein

1 Molekül bindet 40-45 Ca2+

Querbrückenzyklus

Ca2+

Mg2+-abhängige ATPase

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AktinMyosin

TroponinTropomyosin

Elektromechanische KopplungDihydropyridin-

Rezeptor (DHPR)

Ryanodin-

Rezeptor (RyR)

Ca2+<10-7 MCa2+≈10-3 M

SERCA: Sarcoplasma-endoplasma reticulum ATP-ase

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Querbrückenzyklus

Ca2+

ATP

Ca2+

Mg2+

5 Zyklen /sec

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Energieumsatz

ATP

KreatinphosphatKreatinphosphat + ADP Kreatin +ATP

Glykolyse und Lipolyse- anaerob (Laktatproduktion)- aerob (Myoglobin)

Myoglobin ist ein Muskelprotein aus der Gruppe der Globine. Myoglobin enthält eine sauerstoffbindende Hämgruppe, eskann Sauerstoff aufnehmen und wieder abgeben und ist verantwortlich für den intramuskulären Sauerstofftransport.

Energieliefernde Prozesse

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Geschwindigkeit der Kontraktion

Ermüdung

Mitochondriendichte

Kapillarendichte

Myoglobin-Gehalt

ATPase-Aktivität von Myosin

Durchmesser der Muskelfaser

Langsameoxidative

langsam

langsam

hoch

hoch

hoch

langsam

klein

SchnelleOxidative/glykolytische

schnell

mittelmäßig

hoch

hoch

hoch

schnell

mittelmäßig

Schnelleglykolytische

schnell

schnell

niedrig

niedrig

niedrig

schnell

groß

Marathonläufer Kurzstreckenläufer

Typen der Skelettmuskulatur

Typ I. Typ II.

II. a II. b

Michael Phelps – der erfolgreichste Olympionike der Geschichte.

Die Zahl der Gene, die sich mit sportlichen Höchstleistungen in Verbindung bringen lassen,wächst unaufhörlich (≈ 200).

„schnelle” Myosin-Isoformen

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Ermüdung

Abfall der intrazellulären ATP-Konzentration

Abfall des intrazellulären pH-Wertes (Laktat)

Transmitterverarmung

+ Psychologische Ermüdung

Wärmeproduktion

(Wirkungsgrad ist max. 20-30%)

Thermoregulation – Kältezittern/Willkürbewegung

Totenstarre

Kontraktur – Kontraktion ohne Aktionspotentiale

(Rigor mortis)

Kein ATP!

Androgene, Wachstumshormon – anabole Wirkung

Muskelkater

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Kontraktion der Muskelfaser

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Zuckung

unvollständiger Tetanus

vollständiger

Tetanus

Zeit (ms)

Überlagerung der Kontraktionen

Größenprinzip

Die Muskelkraft von Willkürbewegungen kann durch:

1) Erhöhung der Aktionspotential-Frequenz in den einzelnen motorischen Einheiten, und

2) „Rekrutierung” zusätzlicher motorischer Einheiten gesteigert werden.

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ISOTONISCHE KONTRAKTION

(Verkürzung)

ISOMETRISCHE KONTRAKTION

(Kraftgenerierung)

Verkürzung Kraft

Muskel

Zeit Zeit

Muskel

Sensor

AUXOTONE KONTRAKTION

(Verkürzung UND Kraftgenerierung)

Formen der Muskelkontraktion

Kraft-Längen-Beziehung

Isotonische Kontraktion Isometrische Kontraktion

Passive Kraft: Dehnung der Titinmoleküle.

Aktive Kraft: Die Strukturumlagerungen beim

Kraftschlag im Verlauf des Querbrückenzyklus

führen bei festgehaltener Filamentposition zu

elastischer Verformung des Myosinkopfes.

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Einfluss der Sarkomerlänge auf aktive isometrische Kraft

Die glatte Muskulatur

Verkürzung: max. 70% der Ruhelänge

(Skelettmuskel max. 40% der Ruhelänge)

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Kein Troponin!

+ Tropomiosin, Caldesmon, Calponin

Calmodulin ist ein

Ca2+-Sensorprotein

(eine regulatorische

leichte Kette)

Regulation des Querbrückenzyklus beim glatten Muskel

MLCK: Myosin-leichte-Ketten-Kinase

MLCP: Myosin-leichte-Ketten-Phosphatase

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„Ca2+ Signal”

Ca2+-induzierte Ca2+ Freisetzung+ Mechanomechanische Koppelung

mechanosensitive Ca2+-Kanäle der Membran

RyR: Ryanodinrezeptor

StickstoffmonoxidNO

MLCK

MLCP

Myosin-leichte-Ketten-Kinase

Myosin-leichte-Ketten-Phosphatase

Ca2+-Sensitivierung und Ca2+-Desensitivierung

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MULTI-UNIT-TYP

Irismuskeln

Ziliarmuskulatur

Pilomotoren

SINGLE-UNIT-TYP

Blutgefäßmuskeln

Darmmuskulatur

Uterus

Muskelschicht

Endothel

Arterie

„Gap Junctions” – funktionelles Synzytium

Haupttypen

Die Kontraktion ist langsamer und weniger energieaufwendig als im

Skelettmuskel.

ATPase-Aktivität ist niedrig.

ATP-Spaltung ist 100-1000mal langsamer als bei der Skelettmuskulatur.

„langsam” „sparsam”

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gap junctions – funktionelles Synzytium„Schrittmacherzellen”

Myogener Tonus- bei Dehnung werden die Schrittmacherzellen zunehmend depolarisiert- über das vegetative Nervensystem moduliert

SINGLE-UNIT-TYP

MULTI-UNIT-TYP Keine Spontanaktivität

Vegetative Nervenfasern innervieren die Muskelzellen, die aus Varikositäten erregende oderhemmende Neurotransmitter freisetzen.

Dehnung führt nur vorübergehend zu passiven Rückstellkräften, die rasch abklingen (Füllung der Harn- oder Gallenblase).

„Stress-Relaxation"