Quergestreifte Muskulatur
IMPP-Score: 1.1
Struktur und Funktion der quergestreiften Muskulatur
Allgemeine Organisation und Charakteristika
Quergestreifte Muskulatur umfasst die Muskeln, die für die Bewegung unseres Skelettsystems verantwortlich sind und kann willkürlich gesteuert werden. Diese Muskeln sind durch ihre strenge und regelmäßige Anordnung von myofibrillären Proteinfilamenten charakterisiert, was ihnen ein gestreiftes Aussehen unter dem Mikroskop gibt.
Beispiele für quergestreifte Muskeln sind die Skelettmuskulatur, die Zungenmuskulatur und spezielle Muskeln wie die äußere Augenmuskulatur. Im Gegensatz zur glatten Muskulatur, die in Organen wie dem Darm oder Blutgefäßen gefunden wird und nicht willkürlich gesteuert wird, ist die quergestreifte Muskulatur essentiell für gezielte Bewegungen und Haltungssteuerung.
Sarkomere: Die funktionelle Einheit
Das Sarkomer ist die kleinste funktionelle Einheit einer Muskelfaser und besteht aus sich überlappenden Myosin- und Aktinfilamenten.
- Myosinfilamente sind dick und enthalten ein Protein namens Myosin, das Aktin binden und ziehen kann, um eine Muskelkontraktion zu verursachen.
- Aktinfilamente sind dünner und enthalten das Protein Aktin.
Die beiden Filamente greifen ineinander, ähnlich wie die Finger beider Hände, wenn man sie ineinander verschränkt. Diese Anordnung ermöglicht es den Muskeln, sich effektiv zu kontrahieren und zu entspannen.
Kontraktile Mechanismen von Myosin und Aktin
Die Interaktionen zwischen Myosin- und Aktinfilamenten innerhalb eines Sarkomers sind entscheidend für die Muskelkontraktion. Hier ist der Ablauf:
- Bindung: Myosin-Köpfe binden an die Aktinfilamente, ein Prozess, der durch Bindung von Calcium an Troponin und die daraus resultierende Verschiebung von Tropomyosin initiiert wird.
- Kraftschlag: Nach der Bindung führen die Myosinköpfe einen ‘Power Stroke’ durch — sie drehen sich, ziehen das Aktinfilament entlang des Myosinfilaments und verkürzen das Sarkomer.
- Freisetzung und Wiederanbindung: Myosin löst sich und bindet erneut, um den Vorgang zu wiederholen, solange Calcium anwesend ist und elektrische Impulse die Kontraktion fördern.
Bei der Bindung von Myosin an Aktin ist Calcium essentiell, das an Troponin bindet und so die Bindungsstellen auf Aktin freigibt.
Kalzium und Muskelkontraktion
Der intrazelluläre Kalziumspiegel spielt eine zentrale Rolle bei der Kontrolle der Muskelkontraktion. Im Ruhezustand ist Kalzium im sarkoplasmatischen Retikulum (SR), einer speziellen Form des endoplasmatischen Retikulums in Muskelzellen, gespeichert.
Freisetzung und Aufnahme von Calcium
Bei Erregung der Muskelfaser durch ein Aktionspotential wird Kalzium aus dem SR freigesetzt. Diese Erhöhung der Kalziumkonzentration im Cytoplasma führt zur Bindung von Kalzium an Troponin, was folglich die Muskelkontraktion initiiert. Nach der Kontraktion wird Kalzium durch aktiven Transport zurück ins SR gepumpt, was zur Muskelentspannung führt.
Neurologische Steuerung und Muskeldehnungsreflex
Die neuromuskuläre Endplatte spielt eine Schlüsselrolle bei der Übertragung von Nervenimpulsen auf die Muskeln. Acetylcholin, ein Neurotransmitter, wird von Nervenendigungen freigesetzt und bindet an die nikotinischen Acetylcholinrezeptoren der Muskelfasern, was zu einer Depolarisation und anschließenden Muskelkontraktion führt.
Das IMPP fragt besonders gerne nach der Rolle von Acetylcholin und Acetylcholinesterase bei der neuromuskulären Übertragung.
Ein unmittelbarer Bestandteil der neurologischen Kontrolle ist der Muskeldehnungsreflex. Er dient als Schutzmechanismus, durch den Muskeln bei plötzlicher Dehnung automatisch kontrahieren, um Schäden zu minimieren.
Was ist anders bei glatter Muskulatur?
Ein wichtiger Unterschied zur glatten Muskulatur ist das Fehlen von Dense bodies in quergestreifter Muskulatur. Dense bodies dienen in glatter Muskulatur als Ankerpunkte für Filamente, ähnlich den Z-Scheiben in der quergestreiften Muskulatur.
Neuromuskuläre Endplatte und elektromechanische Kopplung
Die neuromuskuläre Endplatte ist eine spezialisierte synaptische Verbindung, die essentiell für die Initiation von Muskelkontraktionen in quergestreifter Muskulatur ist. Hier treffen die Enden der motorischen Neuronen auf die Muskelzelle. Lassen uns dieser faszinierenden Struktur und ihrem Funktionieren genauer anschauen.
Struktur der neuromuskulären Endplatte
Die neuromuskuläre Endplatte, auch motorische Endplatte genannt, bildet die Synapse zwischen einem Motoneuron und einer quergestreiften Skelettmuskelfaser. Am axonalen Ende des Motoneurons befinden sich zahlreiche kleine Bläschen, die Acetylcholin - einen Neurotransmitter - enthalten. Dieses wird bei Eintreffen eines Nervenimpulses freigesetzt.
Die gegenüberliegende Seite der Synapse, also der Teil der Muskelfaser, ist die subsynaptische Platte. Hier sind besonders viele nikotinische Acetylcholinrezeptoren lokalisiert, welche als liganden-gesteuerte Ionenkanäle funktionieren. Die hohe Dichte an Rezeptoren an dieser Stelle sorgt dafür, dass die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass das freigesetzte Acetylcholin mit einem Rezeptor interagiert.
Funktion der Übertragung eines Nervenimpulses
Wenn ein elektrischer Impuls das Ende des Motoneurons erreicht, kommt es zur Freisetzung von Acetylcholin in den synaptischen Spalt. Dieses diffundiert durch den Spalt und bindet an die nikotinischen Acetylcholinrezeptoren auf der subsynaptischen Platte. Die Bindung führt zur Öffnung der Ionenkanäle, was letztlich eine Depolarisation der Muskelfaser durch einen Natriumeinstrom und in manchen Fällen auch einen gleichzeitigen Kali
umsausstrom bewirkt. Die daraus resultierende elektrische Veränderung wird als Endplattenpotential bezeichnet.
Das IMPP prüft häufig die Mechanismen, wie Acetylcholin das Endplattenpotential auslöst und welche Ionenvorgänge damit verbunden sind.
Elektromechanische Kopplung
Die Depolarisation durch das Endplattenpotential ist oft stark genug, um ein sich anschließendes Aktionspotential auszulösen. Dies propagiert entlang der Muskelfaser und führt zur Freisetzung von Calciumionen aus dem sarkoplasmatischen Retikulum. Diese Calciumionen binden an Troponin auf den dünnen Filamenten der Muskelzelle, was eine Konformationsänderung im Tropomyosin bewirkt und so das Myosin-Bindungssite auf Aktin freilegt. Die dadurch ermöglichte Interaktion von Myosin mit Aktin führt schließlich zur Muskelkontraktion.
Abbau von Acetylcholin
Um die Signalübertragung kurz zu halten und eine Dauererregung der Muskelzelle zu vermeiden, wird Acetylcholin schnell durch das Enzym Acetylcholinesterase in Cholin und Acetat gespalten. Das Cholin wird wieder in das Motoneuron aufgenommen, um erneut für die Synthese von Acetylcholin verwendet zu werden.
Der schnelle Abbau und die Wiederaufnahme von Cholin sind zentral, um eine konstante, kontrollierte Muskelaktivität sicherzustellen.
Zusammenfassung
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Footnotes
Credits Charakteristika der quergestreiften Skelettmuskulatur. Grafik: Marlus Gancher, Bauplan der Skelettmuskulatur, CC BY 2.5↩︎
Credits Aufbau der neuromuskulären Endplatte. Grafik: Paul Hege, Motorische Endplatte, CC BY-SA 4.0↩︎
