• Vorklinik
  • Physikum-Fokus

Muskelgewebe

Abstract

Die Besonderheit des Muskelgewebes ist seine Fähigkeit, Kraft aufzubauen und Körperteile zu bewegen. Ermöglicht wird dies durch die kontraktilen Myofilamente Aktin und Myosin, die gegeneinander verschoben werden können. Anhand der intrazellulären Anordnung dieser Myofilamente unterteilt man das Muskelgewebe in quergestreifte (Skelett- und Herzmuskulatur) und glatte Muskulatur (bspw. im Darm). Die molekulare Interaktion der kontraktilen Filamente unterscheidet sich wenig bei den verschiedenen Muskeltypen (Filamentgleittheorie), die Funktion hingegen sehr.

Muskelzellen

Überblick

Grundlegender Aufbau einer Muskelzelle

Nomenklatur bei Muskelzellen
Nicht-Muskelzelle Muskelzelle
Plasmamembran Sarkolemm
Zytoplasma Sarkoplasma
Endoplasmatisches Reticulum Sarkoplasmatisches Reticulum

Strukturelle Besonderheiten einer Muskelzelle

  • Kontraktilität: Durch die Interaktion von sog. Myofilamenten aus Aktin und Myosin können Muskelzellen Spannung erzeugen bzw. sich verkürzen
  • Calciumspeicher: Das sarkoplasmatische Reticulum (SR) dient als Calciumspeicher (wird für die Kontraktion benötigt) und ist unterschiedlich stark erweitert zu sog. L-Tubuli und Terminalzisternen
  • Einstülpungen des Sarkolemms: Das Sarkolemm hat tief in die Zelle reichende Membrankanälchen in der quer gestreiften Muskulatur (sog. T-Tubuli) bzw. Membraneinbuchtungen in der glatten Muskulatur (Caveolae)
Strukturelle Unterschiede der Muskelzelltypen
Skelettmuskulatur Herzmuskulatur Glatte Muskulatur
Zellmorphologie Große lange Zellen mit vielen randständigen Kernen Verzweigte Zellen mit einem zentralen Zellkern Spindelförmige Zellen mit einem zentralen Zellkern
Funktionelle Einbuchtungen des Sarkolemms T-Tubuli (1x) und Terminalzisternen (2x) bilden Triaden T-Tubulus (1x) und Terminalzisterne (1x) bilden Diade Caveolae (anstatt T-Tubuli)

Myofilamente

Aufbau von Myofilamenten

Die Kraft sowohl der glatten als auch der quergestreiften Muskelzelle wird immer durch die Verschiebung von Aktin gegen Myosin erzeugt. Damit die Aktivität dieser Myofilamente gesteuert werden kann, verhindern spezielle Proteine deren freie Interaktion. Nur im Rahmen der Kontraktion werden diese Regulatorproteine durch Calcium so verändert, dass Aktin und Myosin interagieren können.

Aktinfilamente (Muskulatur)

Myosinfilamente

  • Synonym: Dicke Filamente
  • Funktion: Gleiten unter ATP-Verbrauch an Aktinfilamenten entlang
  • Aufbau
    • Myosinfilament besteht aus ca. 300 Myosinmolekülen
    • Myosinmolekül besteht aus einem Schwanz- und einem Kopfteil, die je nach Myosinart aus mehreren schweren und leichten Ketten gebildet werden
      • Myosinköpfe haben sowohl Affinität zu Aktin, als auch ATPase Aktivität
      • Schwere Ketten sind wie ein Zopf umeinander gewickelt, von dem auf beiden Seiten Myosinköpfe abstehen

Sowohl die quergestreifte als auch die glatte Muskelzelle vermittelt ihre Kontraktion immer über Aktin und Myosin! G-Aktin ist "globulär" und reiht sich wie Perlen auf einer Kette zu einem sog. Aktinf(!)ilament (daher F-Aktin genannt) zusammen!

Kardiales Troponin bei Herzinfarkt :
Der genaue Aufbau der Proteine des Troponinkomplexes (s.u.) unterscheidet sich leicht bei der Herz- und bei der Skelettmuskulatur. Dies wird im Rahmen der Herzinfarktdiagnostik genutzt. Verspürt ein Patient Enge in der Brust, liegt dies häufig entweder an einer relativen oder einer absoluten Sauerstoffunterversorgung der Herzmuskelzellen (z.B. beim Herzinfarkt). Bei einem Herzinfarkt werden Herzmuskelzellen aufgrund des absoluten Sauerstoffmangels geschädigt und geben ihren Zellinhalt ins Blut ab. Der Anstieg von kardialem Troponin im Blut deutet daher auf die Zerstörung von Herzmuskelgewebe und damit auf einen Herzinfarkt hin.

Anordnung von Myofilamenten

In quergestreiften Muskelzellen (Herz- und Skelettmuskel) sind die Myofilamente Aktin und Myosin in vielen kleinen und gleich aufgebauten Organisationseinheiten angeordnet. Jede dieser Einheiten wird als ein Sarkomer bezeichnet. Innerhalb einer quergestreiften Muskelzelle liegen eine Vielzahl dieser Sarkomere in Ketten hintereinander vor. Die von den Sarkomeren entwickelte Kraft wird über Intermediärfilamente wie Dystrophin auf das Sarkolemm und schließlich auf die Muskelsehne übertragen. Im glatten Muskel ordnen sich die Myofilamente nicht in Strukturen wie Sarkomeren an, sondern liegen mehr oder weniger "ungeordnet" in der Muskelzelle.

Anordnungsarten

Sarkomer der quergestreiften Muskulatur

Die regelmäßige Anordnung von einfach (isotrop: I-Bande) und doppelt brechenden (anisotrop: A-Bande) Banden erzeugen lichtmikroskopisch den Eindruck einer Querstreifung!

Zwischen M- und Z-Streifen eines Sarkomers der quergestreiften Muskulatur ist das Protein Titin gespannt. Es ist elastisch und wirkt wie eine Feder, um das Sarkomer nach Dehnung wieder in den Ausgangszustand zu bringen. Es begrenzt somit die passive Dehnbarkeit eines Muskels und schützt vor Schäden!

Bei der Kontraktion einer Muskelzelle gleiten die kontraktilen Filamente aneinander vorbei und verkürzen somit das Sarkomer. Die Länge der Filamente bleibt unverändert!

Muskeldystrophie Typ Duchenne
Skelett- und Herzmuskelzellen besitzen eine große Menge des Strukturproteins Dystrophin, das das Zytoskelett (an dem u.a. die kontraktilen Filamente befestigt sind) mit dem Sarkolemm sowie der Extrazellulärmatrix verbindet. Die genaue Funktion der verschiedenen Proteine des Dystrophinkomplexes ist noch unbekannt, jedoch wird diese Verbindung einerseits zur Übertragung von Kraft und andererseits zur Stabilisierung der Muskelzelle benötigt. Ist dieser Dystrophinkomplex nicht voll funktionsfähig (wie bspw. im Rahmen der Muskeldystrophien Typ Becker und Typ Duchenne) führt dies zu einem zunehmenden Kraftverlust und Untergang der quergestreiften Muskulatur. Je weniger funktionsfähiges Dystrophin vorhanden ist, desto früher und stärker zeigt sich die Muskelschwäche.

Kontraktion der Myofilamente

Mechanismen zur Auslösung eines Kontraktionszyklus

  • Ziel: Übertragung der elektrischen oder chemischen Information auf die kontraktilen Filamente zur Initiation einer Kontraktion
  • Bedingungen
    1. Auslösender Reiz
    2. Hohe intrazelluläre Calciumspiegel, damit Aktin und Myosin interagieren können
  • Grundlegender Ablauf der elektro-/pharmakomechanischen Kopplung
    • Ausgangszustand: Aktin und Myosin können nicht interagieren
    • Auslösender Reiz depolarisiert Sarkolemm
    • Elektrischer Reiz breitet sich über Sarkolemm aus → Einbuchtungen des Sarkolemms (T-Tubuli oder Caveolae) bringen Reiz in die Nähe von intrazellulären Strukturen
    • Öffnung von Calciumkanälen im Sarkolemm und im sarkoplasmatischen Reticulum → Erhöhung der intrazellulären Calciumkonzentration
    • Myosinbindungsstellen werden frei → Interaktion von Aktin und Myosin (siehe: Filamentgleittheorie) → Mechanische Kontraktion

Grundlegender Ablauf eines Kontraktionszyklus (Filamentgleittheorie)

Wird eine Muskelzelle durch einen elektrischen oder chemischen Reiz stimuliert, breitet sich eine elektrische Erregung über dem Sarkolemm aus. Die Übersetzung des elektrischen Reizes in eine mechanische Kontraktion wird elektromechanische Kopplung genannt und basiert auf der Verschiebung der beiden kontraktilen Filamente Aktin und Myosin gegeneinander. Wie diese Filamente auf molekularer Ebene miteinander interagieren, um eine Muskelbewegung auszulösen, wird anhand der sog. Filamentgleittheorie beschrieben.

  • Funktion: Krafterzeugung, indem Myosin und Aktin aneinander vorbeigleiten; hierbei verkürzt sich lediglich das Sarkomer
  • Kontraktionsbedingungen: Ausreichend ATP und hohe intrazelluläre Calciumkonzentration
  • Ablauf
    • Ruhestellung: Aktin und Myosin können nicht miteinander interagieren, da sie durch Begleitproteine (bspw. Tropomyosin) gehemmt werden.
    • Kontraktionszyklus
      1. Aufrichten des Myosinkopfes
        • Spaltung von ATP zu ADP und P (beides verbleibt noch am Myosinköpfchen) → Myosinköpfchen ändert seine Konformation (wird "vorgespannt"), interagiert aber noch nicht mit Aktin
      2. Querbrückenbildung
        • Aktivierung der Muskelzelle (bspw. chemisch, elektrisch) führt zu erhöhter intrazellulärer Calciumkonzentration (siehe: elektromechanische Kopplung ) → Bindung von Calcium an die Begleitproteine
        • Konformationsänderung der Begleitproteine → Myosinbindungsstellen werden freigelegt
        • Myosin bindet an freigewordenes Aktin im 90°-Winkel
      3. Kraftschlag des Myosinkopfes
        • ADP und P werden vom Myosinkopf abgegeben → Abknickung des Myosinkopfes um 45°
        • Myosinfilament zieht Aktinfilament durch Abknickung an sich entlang (sog. Kraftschlag) → Verkürzung der Sarkomere
      4. Lösen der Querbrücken
        • Bindung eines neuen ATPs an die leere Bindungsstelle des Myosinkopfes → Konformationsänderung
        • Lösen der Querbrücken zwischen Myosin und Aktin durch ATP-Bindung
      5. Wiederholung des Zyklus
        • Solange die Calciumkonzentration in der Muskelzelle erhöht bleibt, kann der Querbrückenzyklus erneut ablaufen
        • Abhängig von ATPase-Aktivität (ATP-Spaltungsrate pro Zeiteinheit) der schweren Myosinkette sind etwa 10-100 Querbrückenzyklen pro Sekunde möglich
        • Je mehr Querbrückenzyklen/Zeiteinheit ablaufen können, desto schneller und stärker ist die Muskelkontraktion.
    • Ruhestellung: Erneuter Beginn des Kontraktionszyklus möglich

Rigor mortis
Um die Querbrücken zwischen den Muskelfilamenten Myosin und Aktin zu lösen, wird ATP benötigt. Stirbt ein Mensch, so wird in seinen Zellen kein weiteres ATP produziert, weshalb Aktin und Myosin nicht mehr voneinander gelöst werden. Die Muskeln werden steif, was als sog. Totenstarre (Rigor mortis) bezeichnet wird. Die Starre tritt dabei in der Regel zuerst in Muskeln auf, die zuletzt benutzt wurden.

Bereitstellung von Energie für die Kontraktion

Die Muskulatur benötigt stetig Energie, um einerseits ihre Struktur und ihre Ionengradienten aufrecht zu erhalten und um andererseits die Myofilamente Aktin und Myosin kontrahieren zu lassen. Ohne diese Energie in Form von ATP lösen sich die Myofilamente nicht mehr voneinander und der Muskel erstarrt. ATP wird im Skelettmuskel hauptsächlich aus der Verwertung von Glucose (Glykolyse) und Fettsäuren (β-Oxidation) erzeugt. Deren Stoffwechselprodukte werden dann in Citratzyklus und Atmungskette zur oxidativen Bildung von ATP verwendet.

Wird die Belastungsintensität kurzfristig stark gesteigert (bspw. bei kurzem Sprint aus dem Gehen heraus), steigt auch der Energieverbrauch der Muskulatur kurzfristig so stark an, dass Mechanismen zur Überbrückung dieses hohen Energiebedarfs einsetzen: Einerseits liefert die anaerobe Glykolyse aus Muskelglycogen Energie, andererseits produzieren Enzyme wie die Kreatinkinase und die Myokinase kurzfristig ATP aus energiereichen Verbindungen wie Phosphokreatin (Kreatinkinase) bzw. aus zwei Molekülen ADP (Myokinase). Phosphokreatin stellt also neben ATP eine weitere energiereiche Verbindung für die Muskelkontraktion dar. Doch sowohl die Vorräte an ATP als auch die an Phosphokreatin sind begrenzt. Für eine langanhaltende Belastung muss dann auf Energie aus der aeroben Zellatmung zurückgegriffen werden.

Details zum Myokardstoffwechsel und zum Stoffwechsel der Skelettmuskulatur werden in der Leistungsphysiologie dargestellt (siehe: Leistungsphysiologie und Altern).

Phosphokreatinstoffwechsel

Kreatinsynthese

Kreatinkinase

Phosphokreatin ist zusätzlich zum ATP-Vorrat ein wichtiger kurzzeitiger Energiespeicher in der Muskelzelle!

Abbau von Kreatin

Myokinase (= Adenylatkinase)

  • Definition: Enzym des Intermembranraums der Mitochondrien, das einen Phosphatrest von einem ADP auf ein zweites ADP überträgt und dadurch ATP bereitstellt
  • Katalysierte Reaktion: ADP+ADPATP+AMP

Glucose-Alanin-Zyklus

Da die Gluconeogenese mehr Energie verbraucht als die Glykolyse Energie bringt, kostet der Glucose-Alanin-Zyklus Energie! Er dient also im thermodynamischen Sinne nicht der Energiegewinnung des Organismus, sondern dazu, der Muskulatur Glucose bereitzustellen!

Cori-Zyklus

Vergleich der verschiedenen Muskelgewebe

Vergleicht man quergestreifte und glatte Muskulatur, so finden sich viele strukturelle und funktionelle Gemeinsamkeiten. Es gibt jedoch sowohl im Aufbau als auch in der Funktion der verschiedenen Muskelgewebstypen entscheidende Unterschiede. In dieser Sektion werden explizit nur diese dargestellt.

Gegenüberstellung der kontraktilen Filamente

Skelettmuskulatur / Herzmuskulatur Glatte Muskulatur
Organisation/Ausrichtung Sarkomere "Ungeordnet"
Interaktion mit Calcium Troponin-Komplex Calmodulin
Blockierung der Myosinbindungsstellen Tropomyosin Tropomyosin mit Caldesmon und Calponin
Verankerung Z-Streifen (Skelettmuskel) / Glanzstreifen (Herzmuskel) Dense Bodies
Phosphorylierung der leichten Myosinketten notwendig Nein Ja

Gegenüberstellung der Erregung und Kontraktion

Skelettmuskulatur Herzmuskulatur

Glatte Muskulatur

Auslösende/r Struktur bzw. Reiz
  • Hormone (bspw. aus vegetativen Neuronen
  • Schrittmacherzellen
  • Metabolische Faktoren (bspw. pH-Wert)
  • Mechanische Reize (bspw. Dehnung eines Sphinkters)
Besonderheiten der elektromechanischen Kopplung
Funktion als Einheit
  • Zwei Typen vorhanden: Single-Unit-Typ und Multi-Unit-Typ
    1. Single-Unit-Zellen sind via Gap Junctions verbunden und kontrahieren gemeinsam (sog. funktionelles Syncytium)
    2. Multi-Unit-Zellen liegen getrennt vor und müssen separat erregt werden

Wiederholungsfragen zum Kapitel Muskelgewebe

Myofilamente

Welche Proteine verhindern im Skelettmuskel die Bindung von Aktin und Myosin?

Welches Muskelprotein verhält sich elastisch (ähnlich einer mechanischen Feder)?

Woraus besteht das Membranskelett einer Skelettmuskelfaser hauptsächlich?

Welche Funktion hat der Dystrophin-Glycoprotein-Komplex im Skelettmuskel?

Welche Funktion hat α-Aktinin im Skelettmuskel?

Welche Rolle spielen Aktinfilamente im Skelettmuskel?

Kontraktion der Myofilamente

Wozu führt im Rahmen des Querbrückenzyklus die Bindung von ATP an Myosin?

Wie lange dauert ein Querbrückenzyklus etwa und wovon hängt die Dauer eines Zyklus ab?

Welche Rolle spielt Calcium bei der Kontraktion der quergestreiften Muskulatur?

Bereitstellung der Energie für die Kontraktion

Welche Möglichkeiten zur kurzfristigen Energiegewinnung nutzt der Skelettmuskel?

Wie wird Kreatin synthetisiert? Wie erfolgt sein Abbau?

Welchen Zusammenhang kannst du zwischen Glucose-Alanin-Zyklus und Cori-Zyklus herstellen?

Vergleich der verschiedenen Muskelgewebe

Welches Protein blockiert in glatten Muskelzellen die Myosinbindungsstellen? Welches in der quergestreiften Muskulatur?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.