Zellulär

Der Muskelmyozyt ist eine Zelle, die sich für die spezielle Funktion der Kontraktion differenziert hat. Obwohl Herz-, Skelett- und glatte Muskelzellen viele Funktionen gemeinsam haben, sind ihre Merkmale, anatomischen Strukturen und Kontraktionsmechanismen nicht identisch.

Skelettmuskelmyozyt

Skelettmuskelmyoblasten (Vorläufermyozyten) differenzieren und verschmelzen zu mehrkernigen Muskelfasern, die Myofibrillen genannt werden und sich als Einheit verhalten. Diese Myofibrillen bestehen ihrerseits aus sich überlappenden dicken und dünnen Filamenten (Myofilamenten), die in Längsrichtung zu Sarkomeren angeordnet sind. Die Verkürzung oder Kontraktion von Skelettmuskelfasern ist somit das Ergebnis der Verkürzung von Sarkomeren. Die dicken Filamente bestehen aus Myosin, einem Proteinpolypeptid. Jedes Myosinmolekül hat zwei kugelförmige Köpfe, die durch die Bindung dünner Filamente an der Kontraktion beteiligt sind. Zu den dünnen Filamenten gehören Aktin (enthält eine Bindungsstelle für Myosinköpfe), Tropomyosin und Troponin (hat drei Untereinheiten: Troponin T, Troponin I und Troponin C). Diese Sarkomerstrukturen geben dem Skelettmuskel sein gestreiftes Aussehen und sind in der Elektronenmikroskopie gut sichtbar.

Skelettmuskelzellen enthalten auch Strukturen, die T-Tubuli genannt werden und Erweiterungen der Myozytenplasmamembran sind. Sie sind zum Extrazellulärraum hin offen und haben die Aufgabe, depolarisierende Potentiale in den Intrazellulärraum zu leiten, was koordinierte Kontraktionen ermöglicht. Außerdem enthalten die T-Tubuli Dihydropyridinrezeptoren, die für die Kontraktion nach der Erregung des Myozyten unerlässlich sind. Das sarkoplasmatische Retikulum (SR) ist eine grundlegende Struktur im Skelettmuskelmyozyten. Es ist der Ort, an dem Kalzium (Ca2+) im Myozyten gespeichert und reguliert wird. Das SR enthält endständige Zisternen, die mechanisch mit T-Tubuli und spannungsempfindlichen Ryanodin-Rezeptoren gekoppelt sind, die Kanäle zur Freisetzung von Ca2+ sind. Der SR verfügt auch über einen Ca2+ -ATPase-Kanal, der nach einer Erregung Ca2+ aus dem intrazellulären Raum in den SR zurückpumpt. Im Skelettmuskel bindet ein T-Tubulus zwei terminale Zisternen in einer Dreieranordnung.

Das populärste Modell zum Verständnis der Muskelkontraktion ist das Modell der gleitenden Filamente, das die Sarkomerverkürzung durch wiederkehrende Myosin/Actin-Interaktionen beschreibt. Bei jeder Interaktion arbeiten die Myosinköpfe daran, benachbarte freie Aktinenden näher an die Mitte des Sarkomers zu bringen. Im ruhenden Skelettmuskelmyozyten blockiert Tropomyosin die Myosin-Bindungsstellen am Aktin.

1. Wenn ein signifikantes depolarisierendes Potential der motorischen Endplatte die Schwelle des Skelettmuskelmyozyten überschreitet, feuert die Zelle ein Aktionspotential ab.
2. Dieses depolarisierende Potential pflanzt sich zu den T-Tubuli fort und verursacht eine Konformationsänderung in den Dihydropyridinrezeptoren.
3. Die mechanisch gekoppelten terminalen Zisternen erfahren ebenfalls eine Konformationsänderung, die eine Ca2+-Freisetzung aus dem SR und eine erhöhte intrazelluläre Ca2+-Konzentration hervorruft.
4. Ca2+ bindet an Troponin C und verursacht eine Konformationsänderung im Troponin, die das Tropomyosin von der Myosin-Bindungsstelle am Aktin wegbewegt. Hinweis: In Anwesenheit von Ca2+ bleibt Troponin C in dieser Konfiguration, so dass die Myosin-Bindungsstelle auf Aktin für Myosin-Interaktionen zur Verfügung steht.
5. Zunächst ist kein Adenosintriphosphat (ATP) an Myosin gebunden, so dass Myosin an Aktin bindet (ein permanenter Mangel an ATP führt zu einer permanenten Interaktion von Myosin und Aktin und ist der Mechanismus hinter der Totenstarre).
6. ATP bindet dann Myosin und Myosin dissoziiert mit Aktin.
7. Die Hydrolyse dieses gebundenen ATP zu ADP plus anorganischem Phosphat führt zu einer Veränderung des Myosins in die „gespannte Position“. Man beachte: nur ADP bleibt an Myosin gebunden.
8. Der Myosinkopf interagiert dann mit Aktin an einer anderen Bindungsstelle.
9. ADP wird von Myosin freigesetzt und verursacht eine weitere Veränderung, die zum „Kraftschlag“ führt. Zu diesem Zeitpunkt ist Myosin an Aktin gebunden und wird ohne weiteres ATP gebunden bleiben.
10. Ein weiteres ATP-Molekül bindet Myosin. Der Zyklus setzt sich fort und verkürzt das Sarkomer, während das Myosin am Aktin entlanggleitet.

Relaxation tritt ein, wenn die erregenden motorischen Endplattenpotentiale abnehmen, die Aktionspotentiale abnehmen und der Myozyt repolarisiert. Ca2+ wird durch Ca2+ -ATPase-Pumpen zurück in den SR sequestriert, wodurch die intrazelluläre . Diese Myozyten enthalten auch Na+/Ca2+-Austauscher auf der Zelloberfläche, die den elektrochemischen Na+-Gradienten nutzen, um Na+ in die Zelle im Austausch gegen Ca2+ aus der Zelle auszutauschen. Ca2+ dissoziiert von Troponin C, und Tropomyosin blockiert wieder die Myosin-Bindungsstellen am Aktin.

Ein paar wichtige Punkte, die man bei der Elektronenmikroskopie des Sarkomers beachten sollte, sind folgende. Das Sarkomer erscheint zwischen Z-Linien, und die Kontraktion nähert sich diesen Z-Linien an. Die Kontraktion führt zu einer Verkürzung sowohl der H- (nur dicke Filamente) als auch der I-Bänder (nur dünne Filamente). Das A-Band (Länge eines dicken Filaments mit darüber liegendem dünnen Filament) im Sarkomer bleibt immer gleich lang.

Die folgenden Punkte sind bemerkenswert für Muskelkontraktionen. Die Skelettmuskulatur steht unter freiwilliger Kontrolle, mit Ausnahme der Reflexe und des Zwerchfells bei der unwillkürlichen Atmung. Die unteren Motoneuronen innervieren diese Myozyten vom Rückenmark aus und reagieren auf den Neurotransmitter Acetylcholin (ACh). Wenn ACh an seine Rezeptoren auf dem Myozyten bindet, wird Natrium (Na+) in die Zelle gelassen, was die oben erwähnte Depolarisation verursacht. Die maximale Muskelspannung tritt auf, wenn eine optimale Überlappung von dicken und dünnen Filamenten vorhanden ist. Das heißt, alle Myosinköpfe können mit Aktin interagieren. Wenn die Muskelfaser zu weit gedehnt wird, nimmt die Interaktion zwischen dicken und dünnen Filamenten ab. Wenn sich der Muskel zu stark verkürzt, verdrängen sich die großen Myosinköpfe gegenseitig, wodurch die Interaktion zwischen den Myofilamenten abnimmt. Schließlich nimmt die maximale Geschwindigkeit, mit der sich eine Muskelfaser zusammenziehen kann, mit zunehmender Belastung des Muskels ab.

Glatter Muskelmyozyt

Ähnlich wie der Skelettmuskel enthalten auch glatte Muskelzellen dicke und dünne Filamente. Im Gegensatz zum Skelettmuskel sind diese Myofilamente jedoch nicht in Längs-Sarkomeren organisiert, und sie enthalten kein Troponin. Das Fehlen von Sarkomeren und damit das Fehlen von Streifen gibt dem glatten Muskel seinen Namen. Die Myozyten des glatten Muskels verschmelzen zu drei Arten von Muskeln. Die Myozyten, die als separate Einheiten kontrahieren, werden als mehrgliedrige glatte Muskeln bezeichnet. Sie befinden sich in der Iris des Auges oder im Vas deferens. Die glatte Muskulatur mit mehreren Einheiten ist in der Regel stark innerviert und steht unter autonomer Kontrolle. Glatte Muskelzellen, die sich gemeinsam zusammenziehen, werden als glatte Einheitsmuskeln bezeichnet. Sie sind häufiger anzutreffen und können im Magen-Darm-Trakt, in der Blase und in der Gebärmutter vorkommen.

Im Gegensatz zur mehrgliedrigen glatten Muskulatur kommunizieren die Zellen der eingliedrigen glatten Muskulatur in hohem Maße, um koordinierte Kontraktionen durchzuführen. Diese Zellen unterliegen der autonomen Kontrolle und Modulation durch Hormone oder Neurotransmitter. Schließlich können sich glatte Muskelmyozyten in glatte Gefäßmuskeln differenzieren. Diese Zellen sind auch für die Blutdruckregulierung verantwortlich.

Der Mechanismus der Kontraktion der glatten Muskulatur unterscheidet sich von dem oben für die Skelettmuskulatur beschriebenen Mechanismus. Ähnlich wie bei der Skelettmuskelzelle ist jedoch ein Anstieg der intrazellulären Spannung der entscheidende Faktor bei der Muskelkontraktion. Im glatten Muskelmyozyten können mehrere Mechanismen eine Erhöhung des intrazellulären Anteils bewirken. Die Depolarisierung des Myozyten nach der Bindung von ACh an seine Rezeptoren auf der Zelloberfläche führt zur Öffnung von spannungsabhängigen Ca2+-Kanälen vom Typ L. Die Öffnung von Ca2+-Kanälen an der Myozytenmembran als Folge der Bindung eines Hormons oder Neurotransmitters an seinen Rezeptor (ligandengesteuert). Hormone oder Neurotransmitter induzieren die Freisetzung von Ca2+ aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (SR) über Inositol-1,4,5-Triphosphat (IP3)-gesteuerte Ca2+-Kanäle. Unabhängig vom Mechanismus der Erhöhung bleibt der nachgeschaltete Mechanismus derselbe.

1. Ca2+ bindet ein Molekül namens Calmodulin.
2. Der Ca2+-Calmodulin-Komplex aktiviert anschließend ein Enzym namens Myosin-Leichtketten-Kinase. (Kinasen dienen der Phosphorylierung).
3. Dann phosphoryliert die Myosin-Leichtketten-Kinase das Myosin (fügt eine Phosphatgruppe hinzu).
4. Das phosphorylierte Myosin bindet sich an Aktin und beginnt mit der Kontraktion durch den oben unter Skelettmuskel erwähnten Querbrückenzyklus. Hinweis: Der Mechanismus der Verwendung von ATP für die Muskelkontraktion in der Skelettmuskulatur ist derselbe wie in der glatten Muskulatur.
5. Eine Abnahme der intrazellulären und eine erhöhte Aktivität eines Enzyms namens Myosin-Leichtketten-Phosphatase (entfernt Phosphat von Myosin) führt zur Entspannung.

Intrazellulär nimmt ab, indem es durch ATPase-Pumpen oder durch Na+/Ca2+-Austauscher auf der Zelloberfläche zurück in den SR gepumpt wird.

Anmerkung: Hormone, die eine Kontraktion oder Entspannung der glatten Muskulatur bewirken, tun dies durch Modulation der intrazellulären oder der Myosin-Leichtkettenphosphatase. Zum Beispiel sorgt Stickstoffmonoxid für Entspannung, indem es die Aktivität der Myosin-Leichtkettenphosphatase erhöht.

Herzmuskelmyozyt

Die Physiologie des Herzmuskels ist komplizierter als die des Skelettmuskels oder des glatten Muskels, obwohl er einige Ähnlichkeiten aufweist. Der Herzmyozyt enthält Sarkomere wie der Skelettmuskel, ist also quergestreift. Der Mechanismus der Muskelmyozytenverkürzung ist derselbe wie beim Skelettmuskel (siehe oben). Herzmyozyten haben einzigartige Strukturen, die für das reibungslose Funktionieren des Herzens unerlässlich sind. Interkalierte Scheiben, die sich an der Peripherie der Zelle befinden, sorgen für die Adhäsion zwischen den Myozyten. Die Gap Junctions, die sich an den Interkalationsscheiben befinden, ermöglichen die elektrische Kommunikation zwischen den Zellen. Die schnelle Ausbreitung des depolarisierenden Potenzials zwischen benachbarten Zellen trägt zu koordinierten Kontraktionen bei, die für das Überleben wichtig sind. Herzmuskelzellen enthalten ebenfalls T-Tubuli. Im Gegensatz zum Skelettmuskel bindet jedoch ein T-Tubulus eine terminale Zisterne in einer Dyadenanordnung. Das sarkoplasmatische Retikulum ist in Herzmyozyten vorhanden und dient ebenfalls der Ca2+-Speicherung.

Das Aktionspotenzial in einem Herzmyozyten ist einzigartig. Es besteht aus einer Ruhephase, der so genannten Phase 4, die durch die Durchlässigkeit der Zelle für Kalium (K+) aus der Zelle aufrechterhalten wird. Auf Phase 4 folgt Phase 0, die durch einen schnellen Aufschwung/Depolarisation aufgrund der Öffnung von spannungsabhängigen Na+-Kanälen und dem Na+-Einstrom in die Zelle gekennzeichnet ist. Phase 1 ist die anfängliche Repolarisation, die durch das Schließen der Na+-Kanäle und das Öffnen der spannungsgesteuerten K+-Kanäle verursacht wird. Phase 2 wird als Plateauphase bezeichnet. In Phase 2 gelangt Ca2+ über spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle in die Zelle, während K+ die Zelle weiterhin verlässt. Dieses Gleichgewicht von ein- und ausströmenden Kationen hält die Plateauphase aufrecht. In Phase 3 schließen sich die Ca2+-Kanäle, und der schnelle Abfluss durch offene K+-Kanäle führt zur Repolarisation der Zelle.

Der Herzmyozyt kann seinen Reiz von Herzschrittmacherzellen im SA- oder AV-Knoten, dem His-Bündel, den Bündelästen oder den Purkinje-Zellen erhalten.

1. Das Aktionspotenzial dieser Zellen (im Allgemeinen SA-Knoten und AV-Knoten) breitet sich entlang der Herzmyozytenmembran in die T-Tubuli aus.
2. Ca2+ dringt während der Phase 2 durch Ca2+-Kanäle vom L-Typ in die Zelle ein.
3. Der Eintritt von Ca2+ induziert die Ca2+-Freisetzung aus dem SR, auch Ca2+-induzierte Ca2+-Freisetzung genannt.
4. Die Ca2+-Konzentration steigt an, kann Troponin C binden und die oben im Abschnitt über den Skelettmyozyten erwähnten Myosin/Actin-Querbrücken-Zyklen auslösen.
5. Relaxation tritt auf, wenn das Ca2+ durch Ca2+-ATPase-Pumpen oder durch Na+/Ca2+-Austauscher an der Zellmembran in den SR aufgenommen wird.

Die Herzmuskelspannung und die Fähigkeit zur Kontraktion sind direkt proportional zur intrazellulären Ca2+-Konzentration. Faktoren, die die intrazelluläre Ca2+-Konzentration erhöhen, führen also zu einer Steigerung der Kontraktionskraft. Beispielsweise beginnt sich bei erhöhter Herzfrequenz Ca2+ im Myozyten zu sammeln, was ebenfalls zu stärkeren Herzkontraktionen führt. Vorlast ist ein Begriff für das enddiastolische Volumen (klassischerweise bezogen auf den Druck im rechten Vorhof). Wenn ein größeres Blutvolumen eine Herzkammer füllt, dehnen sich die Myozyten, was zu stärkeren Kontraktionen führt. Dieses Phänomen wird als Frank-Starling-Beziehung bezeichnet und kann mit einem dehnungsinduzierten Anstieg der Ca2+-Konzentration zusammenhängen. Diese Beziehung entspricht dem venösen Rückfluss zum Herzen und dem Herzzeitvolumen des Herzens. Die Nachlast ist der Druck, gegen den die Myozyten kontrahieren müssen. Die maximale Kontraktionsgeschwindigkeit nimmt mit steigender Nachlast ab.