Muskulatur

Front 1

3 Konzepte für alle Muskeln

Back 1

1. Querbotenzyklus mit Aktin und Myosin zur Kontraktion

2. Calcium ist ganz zentral: je höher die Konzentration an zytoplasmatischem Calcium, desto stärker die Kontraktionund je länger es im Zytoplasma bleibt, desto länger bleibt die Kontraktionbestehen.

3. Die Sensitivität der Kontraktion ist abhängig vom Ca2+

Front 2

StrukturSkelettmuskel

Back 2

- Muskelfaser= Muskelzelle

- Skelettmuskelist aufgebaut aus Bündel von Muskelfasern, diese sind aus Myofibrillenzusammengesetzt

- Diekleinsten funktionellen Einheiten sind die Sarkomere

- DieFasern müssen gut versorgt werden von den Blutgefässen

- Sehneist sehr stabil auf Zug, aber labil auf Schwerkraft oder seitliche Schläge,dies kann zu einem Abriss führen.

- Muskelfasernunterscheiden sich durch ihren Myoglobingehalt

Front 3

Struktur Sarkomer

Myosin

Back 3

Myosin: isteine ATPase: ein molekularer Motor, der Myosinkopf ist für die Motorfunktion(Bewegung und Kraftentwicklung) verantwortlich. (Bewirkt Konformationsänderung:Bewegung wird ausgelöst

Front 4

Querbrückenzyklus

Back 4

1. Bindung von ATP an das aktive Zentrum desMyosinkopfes ➜ lösen der hochaffinen Bindung zwischenukleotidfreiem Myosinkopf und Aktinfilament ➜Myosinkopf löst sich vom Aktinfilament ab.

2. Myosin spaltet ATP (in ADP + P)➜Konformationsänderung des Myosinkopfes ➜ Umklappendes Hebelarms ➜ katalytische Domäne wird in RichtungZ-Linie verschoben

3. !! niederaffine Bindung von Myosinkopf u. Aktin(niedreaffiner Aktomyosinkomplex) !!

4. Konformationsänderung im Myosinkopf ➜ feste,hochaffine Bindung des Komplexes (hochaffinerAktomyosinkomplex)

5. Kippen des Hebelarms (90° ➜50°), Abdissoziation des Paus dem aktiven Zentrums des Myosinkopfes;Konformationsänderung im Hebelarm ➜ verschieben vonAktin u. Myosinfilament gegeneinander um 6-8 nm (1.Teilschritt des Kraftschlages)

6. Abdissoziation von ADP ➜ Umklappen des Hebelarms(50° ➜45°),verschieben von Aktin u. Myosinfilament umweitere 2-4 nm (2. Teilschritt des Kraftschlages)

7. Myosinkopf ist im nucleotidfreien Zwischenzustand, nochhochaffin an Aktin gebunden (hochaffinerAktomyosinkomplex) - bei physiologischen ATPKonzentrationen - schnelle Bindung (1 ms) eines neuenATP Moleküls an das aktive Zentrum des Myosinkopfes ➜lösen der hochaffinen Bindung (Aktomyosinkomplex) ➜erneutes Starten des Querbrückenzyklus ➜ zu 2

8. Bei ATP-Verarmung besetzen alle Myosinköpfe den hochaffingebundenen, nucleotidfreien Zustand (Rigorkomplex; z. B. beiTotenstarre = Rigormortis). Durch Zugabe von ATP kann diehochaffine Bindung im Rigor durchbrochen werden und derMuskel erschlafft (Weichmacherwirkung von ATP).

Front 5

Membransysteme Skelettmuskel

Back 5

Front 6

Elektromechanische Kopplung im Skelettmuskel

(ECC: Erregung-Kontraktionskopplung, "EC-coupling")

Back 6

• AP ➜ Skelettmuskel Na+ Kanal (Nav1.4) öffnet ➜ Na+ influx / Depolarisation Sarcolemm;• Änderung des Membranpotentials detektiert durch spannungsabh. Ca2+ Kanäle = Dihydropyridine Receptor, DHPR; ➜ Konformationsänderung des DHPR ➜ mechnischer Link zum Ryanodine Receptor (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 Verfügunggestellt werden kann ➜ zusätzlicher Ca2+ influx via Store-Operated Ca2+ (SOC) entrychannels (loksalisiert in tubulärem System);

• Signal für SOC Öffnung kommt vom STIM1 (intra SR-Ca2+ Sensor) zusätzliches Ca2+ kommt in die Zelle

Front 7

Myopathien- Channelopathien mit Bezug zu ECC

(Muskelerkrankungen, Erkrankungen der Membrankanäle)

(5)

Back 7

1. MH: malignant hyperthermia: durch eine Reaktion mit Substanzen welche zur Anästhesie gebraucht wurden (VA) wird sehr viel Ca2+ ausgeschüttet. Dies geschieht entweder durch das Sarcoplasmatische Retikulum (SR) wegen einer Mutation am RyR1 oder wegen einer erhöhten Aktivierung von RyR1 durch eine mutierte DHPRa1 Untereinheit. Es gibt einen übermässigen Ca2+ Eintritt via SOC Kanäle oder ECC-Kanäle. RyR1 versucht dann den Ca2+ Eintritt (und möglicherweise auch die Ausschüttung) zu unterdrücken. Daraus folgt ein Energiedefizit, multiples Muskelversagen.

2. PC: paramyotonia congenita: (Na+-Kanal Myopahtie) Probleme bei Muskel Relaxation

3. MC: myotonia congenita: (Cl-Kanal Myopathie) verminderte Cl- Kanal Leitfähigkeit "Warm-Up-Effekt"

4. DM: myotonic dystrophy (primär degenerative Muskelerkrankung), Kinder verlieren die Muskulatur sehr schnell, verstorbenen einem Herzproblem, nicht heilbar.

5. HypoPP/HyperPP: (Mutation am Vortage-Sensor des Na1,4 Kanals) verminderte Erregbarkeit, Muskelschwäche, Lähmungen

Front 8

Verlauf Elektrische --> Mechanische Phänomene

Ablauf einer Kontraktion

Back 8

Ablauf: Ruhepotential (-90mV Nernst) -> AP-> (Ca2+)i-Transient -> Kontraktion

AP Zeitverlauf: Dauer 10ms, Spannungsbereich: -80 bis +30mV, Depolarisation: I(Na) Rebpolarisation I(K)

(Ca2+)i-Transient: Rascher Anstieg, langsamer Abfall, Cytoplasma: ca. 100nM (Ruhe bzw. ca. mikroM (Einzelkontraktion), pro Zuckung werden 200nmol/g freigesetzt. Das gespeicherte Ca2+ ausreichend für eine vollständige Aktivierung/Absättigung der Ca2+ Bindungsstellen

Kontraktion: Latenz<15ms, Dauer 200ms, Kontraktion überdauert AP (wichtig Tetanisierbarkeit)

Front 9

Ca2+ abhängige Aktivierung des kontraktilen Apparates beim quergestreiften Muskel

Back 9

Am Aktin gibt es eine hoch- und eine niederaffine Bindungsstelle. in der Ruhephase, also bei niedrigem Calcium in der Zelle ist ein Tropomin C-Tropomyosin-Komplex an die hochaffine Bindungsstelle gebunden und das Myosinköpfchen an der niederaffinen Bindungsstelle. Durch den Ca2+ Einstrom, welches an das Troponin C bindet, gibt es eine Konformationsänderung vom Tropomyosin, und der Komplex löst sich vom Aktin und gibt die hochaffine Bindungsstelle für das Myosinköpfchen frei.

Front 10

Zusammenfassung: Elektromechanische Kopplung im Skelettmuskel

Back 10

Front 11

Erregung der Skelettmuskulatur

Back 11

Jede Muskelfaser (Muskelzelle) hat einenKontakt (neuromuskuläre Endplatte) zu einerNervenfaser;

Eine Nervenfaser bildet viele Verzweigungenund kann so viele Muskelzellen aktivieren

Ein alpha-Motoneuron des Rückenmarks und dievon ihm versorgten Muskelfasern bildenzusammen eine motorische Einheit. Jedemotorische Einheit enthält nur einenMuskelfaser-Typ.

Die Übertragung erfolgt über das Hormon Acetylcholin (ACh). Das durch das AP ausgeschüttete Ca2+ bindet sich an mit ACh gefüllt Vesikel, diese werden an der präsynaptischen Seite eingebaut und der Inhalt wird ausgeschüttet, das ACh erreicht auf der postsynoptischen Seite ACh Rezeptoren, welche an Innenkanäle gebunden sind, diese öffnen und Ca 2+ und Na+ können in die Zelle einströmen.

Front 12

Regulation der Muskelkraft:

Räumliche Summation

Back 12

ZNS gesteuert

mehrere alpha Mononeurone versorgen bestimmte Muskeln, polyneuronale/ multiple Innervation von einzelnen Muskelfasern möglich.

Nicht alle Nervenfasern sind gleichzeitig aktiv, Nervenfasern verzweigen, Verzweigungen bilden motorische Einheiten.

Ausmass und Geschwindigkeit der Kraftentwicklung können über die Anzahl der rekrutierten motorischen Einheiten variiert werden. wichtigster Mechanismus der Regulation der Muskelkraft --> räumliche Summation!

je mehr Nervenfasern aktiv sind,d desto mehr Muskelfasern /motorische Einheiten arbeiten simultan, d.h. desto kraftvoller ist die resultierende Kontraktion.

Muskel ist "plastisch" --> Adaption (Kraft, Ausdauer) und Remodelingabhängig von physischer Aktivität via Aktivierung von Calcineurin abhängigen Transkriptionsfaktoren

Front 13

Regulation der Muskelkraft:

zeitliche Summation

Back 13

Mononeurone können unterschiedlich oft aktiv sein (kurz nacheinander oder in langsamer zeitlicher Abfolge)

Einzelzuckungen: vollständige Erschlaffung (4.2 Hz)

superposition von 2 Einzelzuckungen: reizfrequent wird erhöht (8.3Hz): unvollständige Erschlaffung, Amplitude wird etwas grösser: Superposition

Tetanus: maximalkraft, nach Serie von hochfrequenten elektrischen Einzelreizen, diese sind unvollständig. vollständiger Tetanus bei ca. 35 Hz.

je öfter eine Nervenfaser aktiv ist, desto grösser ist die Kraft, die der Muskel entwickelt!!

Front 14

Muskelspindel

Back 14

peripherer Rezeptor im Muskel drin

Verantwortlich für die Übertragung von Informationen über die absolute Muskellänge und Änderungen der Länge zum ZNS

Sie spielen eine wichtige Rolle in der motorischen Kontrolle und sie werden benutzt um die Muskellänge während einer Bewegung zu regulieren.

Front 15

Unterschiedliche Fasertypen der Skelettmuskulatur

(3 Kriterien)

Back 15

Kontraktionseigenschaften:

ST-Faser (slow twitch fibers)

Intermediärtyp: schnell, grosse Kraft

FT-Faser (fast twitch fibers) sehr schnell arbeitende Faser mit kurzfristig hoher Kraftleistung

Farbe:

rote Muskeln: hoher Myoglobingehalt (entspricht ST, Typ I)

weisse Muskeln: niedriger Myoglobingehalt (entspricht FT, Typ IIb/IIx)

Enzymaktivität

Typ I Fasern: SO (slow oxidative fibers) niedrige Myosin-ATPase Aktivität, Expression langsamer MyHC2- Isofrom

Typ Ina Fasern: FOG (fast oxydativ glycolytic fibers) Soffwechselmischtyp

Typ Gib (IIx) Fasern: FG (fast glycolytic fibers) hohe Myosin-ATPase Aktivität, Expression schneller MyHC2-Isofrom

Typ IIc Fasern: undifferenzierter Fasertyp mit der Fähigkeit zur Veränderung seiner Charakteristika in Richtung ST/FT

Front 16

Kontraktionseigenschaften verschiedener Fasertypen

Back 16

ST-Faser (slow twitch fibers): spricht auf Reize langsam an, hat längere Kontraktionszeit, ermüdet sehr viel langsamer - ermüdungsresistente Faser, Bsp: Radfahrer (entspricht SO; Typ I)

Intermediärtyp: schnell, grosse Kraft bei vergleichsweise hohem Ausdauerpotential (entspricht Typ IIa/c)

FT-Faser (fast twitch fibers): sehr schnell arbeitende Faser mit kurzfristig hoher Kraftleistung, schneller Ermüdung, Bsp: Sprinter (Typ Gib-Faser)

Front 17

Verhältnis der Fasertypen

Back 17

Das Verhältnis der Fasertypen ist genetisch bestimmt - durch ein gezieltes Ausdauer - und/oder Krafttraining nur begrenzt veränderbar.

Das Verhältnis zwischen Typ I und Typ II Fasern wird nicht verändert, aber aus vielen IIb Fasern können IIa Fasern gebildet werden; Umwandlung von ST in FT scheint nicht möglich!

aus einem Sprinter kann ein guter Marathonläufer werden aber nicht umgekehrt!

Front 18

Neurone und mechanische Stimulation (+hormonelle Stimuli, Anabolika) der Muskeln

Back 18

führen zu intrazellulären Ca2+ Veränderungen, die Ca2+ abhängige Enzyme (Calcineurin) aktivieren, welche wiederum über Transkriptionsfaktoren (NFAT) die Expression von Muskel-spezifischen Genen kontrollieren bzw. eine Proliferation von Satellitenzellen bewirken.

Front 19

Motoneuron und Muskelfaser

Back 19

Das Aktivitätsmuster des Motoneurons bestimmt den Phonotyp der Muskelfasern

wenn das schnell AKtivitätsmuster auf den langsamen Muskel umgeleitet wird, wird er nicht wirklich viel schnell, umgekehrt funktioniert das aber.

1: Zweiköpfiger Wadenmuskel

2: Schollenmuskel (Wade)

Front 20

Ermüdungsverhalten der verschiedenen Fasertypen

Back 20

Wieso gibt es Ermüdung wenn die Muskeln immer mit Blut und Sauerstoff versorgt sind?

Hat nicht wirklich mit der Übersäuerung des Muskels zu tun, der pH-Wert ändert sich nicht im Blut. Wahrscheinlich gibt es mit der Zeit ein Problem mit der Ca Freisetzung, es ist jedoch nich klar weshalb das passiert, evtl. wird der Nerv weniger sensitiv auf die Reize oder das Aktin und Myosin reagieren weniger sensitiv. Es kann sein, dass das Laktat in der Zelle selbst eine Rolle spielt aber nicht im ganzen Organ sondern nur intrazellulär.

Front 21

"Remodeling" motorischer Einheiten (altern)

Back 21

Verlust von Nervenverbindungen

Weniger Nervenfasern müssen mehr Muskelfasern kontrollieren - motorische Einheiten werden "grösser"

Genauigkeit der Muskelkontrolle nimmt ab, "Feinmotorik" wird schlechter

"Nichtsnutzen" führt zur Atrophie (Muskelschwund: Verlust von Myofibrillen, kein Verlust an Fasern!!, altersunabhängig, Prozess reversibel)

Kraft und Koordination nehmen ab, Sakopenie: altersbedingter Muskelschwund mit einhergehenden funktionellen Einschränkungen

Training verlangsamt den Prozess!

aber Verlust an Nervenverbindungen ist weitgehend irreversibel

Muskelabbau ist ein Schlüssel des Alterns, aber Muskeln sind auch altarunabhängig trainierter

Use it or lose it!

Muskeldystrophie: genetische Erkrankung, das Protein Dystrophin wird nicht mehr gebildet (kommt nur bei Jungs vor)

Front 22

Elementare Kontraktionsformen

Back 22

Der kontraktile Apparat ermöglicht sowohl Kraftentwicklung als auch Verkürzung, die Kontraktionsform hängt von den äusseren Bedingungen ab.

Isometrische Kontraktion

Auxotone Kontraktion

Isotonische Kontraktion

Front 23

Isometrische Kontraktion

Back 23

Kraftentwicklung bei konstanter Länge.

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

Front 24

Isotonische Kontraktion

Back 24

Längenänderung mit konstanter Kraft.

An die Sehne wird ein Gewicht angehängt, und das wird über eine Rolle laufen gelassen. beim stimulieren des Muskels ändert sich die Spannung nicht, aber er verkürzt sich.

Front 25

Auxotome Kontraktion

Back 25

Muskel verkürzt sich mit variabler Kraft z.B. Wegen einer Last (mit Winkeländerung des Arms)

Front 26

Abgeleitete Kontraktionsformen

(2)

Back 26

Elementare Kontraktionsformen in zeitlicher Abfolge führen zu abgeleiteten Kontraktionsformen.

Unterstützungskontraktion: Isometrische Kontraktion, gefolgt von iostonischer Verkürzung oder auxotoner Kontraktion, z.B. Anheben einer Last. Der Muskel muss eine Kraft entwickeln entsprechend der Gewichtskraft des Gewichtes. Gefolgt von isotoner Bewegung.

Abschlagskontraktion

Kontraktion ist durch eine Anschlag begrenzt. Isotope Verkürzung oder auxotone Kontraktion, gefolgt von isometrische Kontraktion z.B. "Kieferschluss"

(kann danach nur noch Spannung aufbauen)

Front 27

totale Muskelkraft

Back 27

Summe der Zugkräfte alle parallel angeordneten Muskelfaser

setzt sichaus passiver Muskelspannung (elastische Elemente) und aktiver Kontraktionskraft (kontrastive Elemente) zusammen.

CE: Kontraktion Elemente (Aktin-Myosin)

SE: Serie-elastische Elemente (Sehnen(steif) Querbrücken, Z-Scheiben)

PE: Parallel-elastische Elemente (BG, Sarkolemm (Membran), Titin)

Front 28

isometrische Kontraktion

(Muskelkraft)

Back 28

beide Enden sind fixiert, Kraftübertragung auf die Serie elastischen Elemente (SE) (Zickzack oben)

- die aktiven CE (Kontraktile Elemente, Block) verkürzen sich

- die aktive Kraft wird auf SE übertragen

Front 29

Iostonische Kontraktion

(Muskelkraft)

Back 29

Bewegung:

die aktiven CE verkürzen sich

die PE entspannen sich

SE bleiben gleich

Front 30

Passive Muskelkraft: Ruhedehnungskurve

Hooke'sches Gesetz, Muskel

Back 30

Dehnbarkeit des ruhenden Muskels reflektiert die elastischen Eigenschaften des Muskels (PE)

die passive Dehnung spannt vor allem die parallel elastischen Elemente (PE) des Muskels

F= E A (dL/ L0)

dL: Längenänderung

L0: Ausgangslänge

A: Querschnitt

Je grösser Dehnung (L), desto grösser die Spannung/Kraft (F) Elastizität-Modul (E) nimmt zu: Widerstand welcher dem Material der Verformung entgegengesetzt ist. (bei Muskel: ca. 9N/m^2)

Front 31

Aktive Muskelkraft

Back 31

Die aktive Kraft wird über SE übertragen (Sehnen, Z-Scheiben, Querbrücken, z.T. auch Aktin)

die maximale aktive Kraft hängt von der Sarkomerlänge ab.

die aktive Kraft nimmt ab einer gewissen Spannung ab, dies hat mit der Überlappung der Querbrücken zu tun, der Anzahl Querbrücken pro Sarkomer.

Bei 2.2 die perfekte Länge, maximal 50-70% Verkürzung möglich

Front 32

Muskelmechanik: Unterstützungsmaxima

Back 32

Der Muskel ist auf eine bestimmt Länge durch eine angehängte Last vorgelehnt. Bei darauffolgender Stimulation erzeugt der Muskel zuerst isometrisch Kraft (Spannung)- in dem Moment wenn die Kraft die Last überschreitet, verkürzt sich der Muskel unter physiologischen Bedingungen auxoton und hebt somit die Last an. Die somit erreichte Muskelverkürzung (bzw. Hubhöhe) nimmt mit zunehmender Last ab.

Front 33

Muskelarbeit

Isometrische Kontraktion

Iostonische/auxotonische Kontraktion

Unterstützungskontraktion

Back 33

Muskelarbeit:

Arbeit= Kraft x Weg (Hubhöhe x Last)

Isometrische Kontraktion:

Keine Verkürzung, d.h. der Muskel leistet keine äussere Arbeit, setzt aber Wärme frei. SE werden gedehnt (innere Arbeit, Wärme wird freigesetzt) Bsp: Kältezittern

Iostonische/auxotonische Kontraktion:

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

Unterstützungskontraktion:

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

Arbeit = 0 falls:

a) Last = max. isometr. Kraft: Weg= 0 (Last zu schwer)

b) Muskel sich unbelastet verkürzt, Kraft=0

(wenn der Arm ohne Belastung gehoben wird)

Front 34

Muskelleistung

Kraft-Geschwindigkeitsbeziehung

Back 34

Muskelleitung (P)= Kraft x Geschwindigkeit (Watt: m^2 kg s^.3)

Experiment: tetanische Reizung; max. Unterstützungskontraktion bei gegebener Vordehnung, Last wird variiert.

Verkürzung zu beginn mit max. Geschwindigkeit, erreicht dann ein Plateau (V= f (Last, Länge))

Je grösser die Last desto langsamer die Kontraktionsgeschwindigkeit (hyperbolisch).

Je grösser die Muskellänge, desto grösser v.

Last=0, v= max., P=0

Last= max. Muskelkraft, v=0, P=0=P0

P0: isometrische Maximalkraft

Ist die Last grösser als die Muskelkraft gibt es eine Streckung des Muskels, und die Geschwindigkeit ist kleiner als 0.

--> es gibt eine Bremswirkung (Bergab!)

bereits bei kleinen Dehnungsgeschwindigkeiten kann der Muskel das Doppelte seiner max. isometrischen Kraft als Bremswirkung aufbringen.

Front 35

Kraft-Geschwindigkeitsbeziehung-Querbrückenzyklus

Back 35

Grosse Last: Transition (T) verlangsamt:

langsame Geschwindigkeit der Kontraktion;

Wahrscheinlichkeit der kraftproduzierenden Zustände (K) erhöht; mehr Muskelkraft

Kleine Last: T schnell:

hohe Geschwindigkeit der Kontraktion;

Wahrscheinlichkeit von K erniedrigt;

weniger Muskelkraft

Dissoziation von ADP bestimmt die Dauer der Kontraktion:

Bei isometrischer Kontraktion ist ADP bis zu 100x länger gebunden (bei F1), somit ist auch die Dauer des Kraftbeitrags im Verlauf eines Querbrückenzyklus entsprechend bis zu 100x länger.

(je schneller das ATP gespalten wird, je höher die Myosin-Aktin-ATPase Aktivität, desto schneller kann die Kontraktion verlaufen)