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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"