Struktur und Funktion der Organismen

Übersicht der Themen

  1. Einführung und Überblick

    • Muskeltypen

  2. Elektromechanische Kopplung (Skelettmuskulatur)

  3. Das Skelettmuskelsystem: Spinale Kontrolle

  4. Zentrale motorische Kontrolle

Muskeltypen und deren Merkmale

  • Quergestreifte Muskulatur

    • Organisierte Struktur von Aktin und Myosin (Sarkomer)

    • Muskelfasern: vielkernige Zellen, Fusion aus Myoblasten

    • Besonderheiten: Zellverband, Verbindung durch Glanzstreifen

  • Glatte Muskulatur

    • Spindelförmige Zellen

    • Ungeordnete Struktur von Aktin und Myosin

    • Elektrische Verbindungen: Gap junctions

  • Herzmuskulatur

    • Eigenanregung

    • Modulation durch das vegetative Nervensystem

Verhältnis der Filamente in verschiedenen Muskeltypen

  • Quergestreifte Muskulatur: Aktin : Myosin = 2 : 1

  • Glatte Muskulatur: Aktin : Myosin = 12 : 1

Aufbau eines Skelettmuskels

  • Bestandteile:

    • Muskel

    • Faszikel

    • Muskelfaser (quergestreift)

    • Myofibrille

    • Nerven (α-Motoneuron mit motorischer Endplatte)

    • Blutgefäße

    • Bindegewebe

Struktur von Muskelfasern

  • Dicke: ca. 80 µm

  • Besteht aus vielen Sarkomeren (Länge ca. 2 µm) und Myofibrillen (Dicke ca. 1 µm)

Aufbau eines Sarkomers

  • Strukturen:

    • A-Band

    • M-Scheibe

    • Z-Scheibe

    • I-Band

    • Myosinfilament

    • Actinfilament

    • Titinfilament

  • Elektronenmikroskopische Bilder zur Veranschaulichung

    • Isotrop (hell)

    • Anisotrop (dunkel, elektronendicht)

Muskelarbeit: Energie und Kontrolle

  • ATP-Verbrauch:

    • 1 ATP für 10 nm pro Brückenschlag

    • Neues ATP zur Lösen der Bindung

Ablauf des Querbrückenzyklus

  1. Myosin bindet an Actin

  2. Energieunabhängige Bindung

  3. ADP und Pi lösen sich von Myosin

  4. Kraftschlag erfolgt

  5. Neues ATP bindet und löst Myosin von Actin

  6. Wiederholung des Zyklus

Sarkolemm und Sarkoplasmatisches Reticulum

  • Sarkolemm:

    • Erregbare Zellmembran, die die Muskelfaser umgibt

  • Sarkoplasmatisches Reticulum (SR):

    • Ca²+-Speicher

    • Umgibt Myofibrillen

Erregung des Sarkolemm

  1. Ankommendes Aktionspotential (AP) an der motorischen Endplatte

  2. Ausschüttung von Acetylcholin

  3. Erregung durch EPSP via nikotinischen ACh-Rezeptoren

  4. Aktionspotenzial breitet sich über das Sarkolemm und T-Tubuli aus

Ca²+-Kontrolle

  • Schritte der Ca²+-Freisetzung:

    1. AP im T-Tubulus

    2. Aktivierung des Dihydropyridin-Rezeptors (DHPR)

    3. Aktivierung des Ryanodinrezeptors

    4. Ca²+-Freisetzung aus dem SR

    5. Wiederaufnahme von Ca²+ ins SR (ATP-Verbrauch erforderlich)

Kontrolle des Querbrückenzyklus

  • Ca²+-Freisetzung aktiviert Actin/Myosin

  • Erneuerter Zyklus möglich durch ATP-Verbrauch und Ca²+ am Troponin

Zeitverlauf der elektromechanischen Kopplung

  • Diagramm zeigt das Aktionspotential und Ca²+-Signal über Zeit

  • Vergleich von isometrischer und isotone Kontraktion mit unterschiedlichen Muskelbedingungen

Kraft und Sarkomerlänge

  • Kontraktionskraft ändert sich mit Sarkomerlänge

  • Wichtigkeit des Grades der Filamentüberlappung (Wehner/Gehring, 24. Aufl., 2007)

Arten der Muskelkontraktion

  • Isotonisch: Krafterhöhung mit Muskelverkürzung

  • Isometrisch: Krafterhöhung ohne Muskelverkürzung

Literaturverzeichnis

  • Wehner / Gehring, 25. Auflage, 2013, Thieme-Verlag

  • Clauss / Clauss, 1. Auflage 2006, Spektrum Verlag

  • Engel / Bear / Connors / Paradiso, 3. Auflage 2009, Spektrum