Grundlagen und Methoden der Physiologie; molekulare und zelluläre Aspekte

  Funktion der Proteine, glatte Muskulatur

 
© H. Hinghofer-Szalkay


Aktin: agere = bewegen
 Dynein: δύναμις = Kraft
Gen: γενεά = Abstammung, γένεσις = Ursprung
Kinesin: κίνησις = Bewegung
Myosin: μυς, μυός = Muskel
Neurotrophin: νεῦρον = Nerv, τροφος = Nahrung
Podosom: πούς, ποδός = Fuß, soma = Körper
 Protein: πρῶτος = Erster (Berzelius meinte, alle Proteine würden auf einer gemeinsamen Grundsubstanz basieren), von höchster Bedeutung
Proteine übernehmen unzählige Funktionen in der Zelle. Ohne sie wäre weder ein funktionierender Metabolismus möglich (Enzyme), noch Vorgänge wie Zellteilung oder Eiweißsynthese (Transkription, Translation), Fortbewegung (Aktin, Myosin etc) oder Wachstum. Auch Rezeptoren, Permeasen und Pumpen in der Zellmembran bestehen aus Proteinen.

Beispiele für Motilität von Körperzellen sind Leukozytenmigration, Bewegung von Enterozyten, Spermienmotorik, Zellwanderung bei der Angiogenese, Neurozytenfortbewegung. Kräfte vom Zellinneren übertragen sich auf die umgebende Matrix, Membranrezeptoren werden im Lauf der Bewegung fortlaufend verlagert; Membranpermeasen erlauben die dabei notwendige Verlagerung von Zellflüssigkeit. Bei chemotaktischer Bewegung strebt die Zelle zu einer Signalstoffquelle hin oder von dieser weg.

Glatte Muskelzellen können vom Single-Unit-Typ sein (funktionelles Synzytium ähnlich wie im Herzmuskel, Beispiel Uterus) oder vom Multi-Unit-Typ (über vegetative Nervenfasern präzise gesteuert, Beispiel innere Augenmuskeln).

Glatte Muskelzellen zeigen häufig spontane rhythmische Aktivität (Eigenrhythmen), diese folgen Oszillationen der intrazellulären Kalzium-Konzentration (BER: basaler Organrhythmus) und bestimmen die Kontraktionsfrequenz - unterschreitet das Membranpotential einen bestimmten Schwellenbetrag, entstehen Aktionspotentiale.


Übersicht Membranproteine Intrazelluläre Strukturproteine, axonaler Transport Extrazelluläre Proteine Fortbewegung von Zellen Glatte Muskulatur
   
Zellen verwenden Proteine als Funktions- und Strukturträger

>Abbildung: Biomoleküle
Modifiziert nach einer Vorlage bei cerev.info

Biomoleküle (>Abbildung) bewerkstelligen unterschiedlichste Aufgaben. Die wichtigsten Beispiele, nach chemischer Struktur gruppiert:
  Glykogen, Lipide u.a. als Energieträger - Glykogen ist eine kurzfristig aktivierbare Energiespeicherform in der Muskel- und Leberzelle, während Fettgewebe den Energiebedarf für mehrere Wochen speichern kann.

   Nukleinsäuren als Informationsträger - hierher zählen Desoxyribonukleinsäure (DNS) und Ribonukleinsäure (RNS), die unter Verwendung des genetischen Codes die Erbinformation speichern und verwerten können.


  Lipide und Kohlenhydrate als Baustoffe insbesondere für die Zellmembran, wo sich Lipide zu hydrophoben Doppellamellen formieren. Kohlenhydrate finden sich an Membranproteine gebunden und vermitteln z.B. Blutgruppeneigenschaften.

  Proteine mit ihrer oft komplexen Form binden spezifisch an bestimmte andere Moleküle (Liganden) - selektiv an nur eine oder wenige Molekülarten - und wirken als Struktur- und Funktionsträger (Gerüstproteine, Enzyme, Filamente, Rezeptoren...).

Die Bindung an ein Partnermolekül erfolgt über mehrere schwache Bindungen (Wasserstoffbrücken, van der Waals-Kräfte, elektrostatische Wechselwirkung, hydrophobe Kraft) in einem dreidimensionalen Muster, das die Spezifität der Interaktion erklärt ("Schlüssel-Schloss-Prinzip").

Man nimmt an, dass in einer typischen Zelle etwa 104 Proteine vorhanden sind; jedes von ihnen interagiert mit 5-10 Partnermolekülen.

Membranproteine: Eiweißmoleküle in der Zellmembran haben mehrfache Aufgaben (<Abbildung):

      Sie sind für die Kommunikation der Zelle mit ihrer Umgebung unverzichtbar (Rezeptoren ermöglichen die spezifische Erkennung von Hormonen, Neurotransmittern, Zytokinen, Wachstumsfaktoren usw) und setzen diesen Reiz - je nach Rezeptortyp unterschiedlich - in intrazelluläre Folgereaktionen um.

     Sie ermöglichen die Passage von Ionen (z.B. Natrium, Kalium, Kalzium, Magnesium, Chlorid...) durch die Zellmembran - was aufgrund deren mangelnder Fettlöslichkeit sonst kaum möglich wäre - und tun dies mehr oder weniger spezifisch, entweder dem Konzentrationsmuster folgend (Diffusion), oder unter Verbrauch von Energie (z.B. Na-K-Pumpe).
 
Membranproteine
 

<Abbildung: Proteine in der Zellmembran
Nach einer Vorlage bei nature.com/scitable
In die Membran integrierte Moleküle dienen als

      Transporter (für Ionen wie Natrium, Kalium, Chlorid..., oder für organische Moleküle wie Glukose oder Aminosäuren),

      Rezeptoren (für Neurotransmitter, Hormone, oder andere Signalstoffe),

      Enzyme (für intrazelluläre Signalvermittlung), oder

      für Brückenfunktionen, wie mechanische Verankerung

     Sie versorgen die Zelle mit Nährstoffen, indem sie z.B. Ionen gegen organische Moleküle austauschen (Beispiel Natrium-Glukose-Antiport).

      Sie wirken als Enzyme auf intrazelluläre Moleküle ein (z.B. Insulinrezeptor).

      Sie verankern die Zelle an extrazellulären Strukturen und vermitteln Kräfte in Richting Intrazellulärraum.
 
Intrazelluläre Strukturproteine, axonaler Transport
 

>Abbildung: Neuronaler Transport
Nach: Pasinelli P & Brown RH, Molecular biology of amyotrophic lateral sclerosis: insights from genetics. Nature Rev Neurosci 2006; 7: 710-23
Eigene Transportstrukturen und -Proteine ermöglichen die gerichtete und zügige Bewegung von Molekülen und Zellorganellen (wie Mitochondrien) durch Nervenzellen (die bis zu ≈1m Länge erreichen können).

Vom Zellkörper in die Peripherie des Neurons kann der Transport Geschwindigkeiten bis 0,4 Meter pro Tag erreichen (antegrad); in die Gegenrichtung (retrograd) ist er maximal halb so schnell
 
Der axonale Transport (>Abbildung) erreicht - je nach Mechanismus und Transportgut - Geschwindigkeiten zwischen <1 und 400 mm/Tag.

Anterograder Transport erfolgt vom Soma in die Peripherie. Es gibt
 
     schnellen anterograden Transport mit Geschwindigkeiten bis zu 400 mm/d. Er ist ATP-verbrauchend und bringt mittels Kinesinen  (<Abbildung) Proteine und verschiedene Zellorganellen entlang von Mikrotubuli in die Axonperipherie;
 
     langsamen anterograden Transport (1-10 mm/d), er befördert Neuropeptide, Enzyme und Teile des Zytoskeletts vom Soma das Axon entlang.

Retrograder Transport (bis 200 mm/d, daher ebenfalls als "schnell" eingestuft) benützt Dyneine und unterstützt physiologischerweise vermutlich für die Proteinsynthese, vielleicht wandern Mitochondrien auf diesem Wege zum Soma (>Abbildung). Pathologischerweise können über diesen Mechanismus neurotrope Viren zum Nervenzellkörper gelangen, z.B. Herpes- (labialis, genitalis), Varizellen- (Gürtelrose) oder Poliomyelitisviren (Kinderlähmung).
 
 
<Animation: Kinesin "wandert" einen Mikrotubulus entlang
Quelle: Wikipedia
Kinesine sind "Motorproteine" für den gerichteten, raschen Transport von Molekülen und Zellorganellen an Mikrotubuli entlang

Neurofilamente dienen als strukturelle Stütze, Mikrotubuli dienen der mechanischen Festigung und dem Transport (s. weiter unten).


Neurotrophe Faktoren (Neurotrophine ) sind sind kleine (≈13 kD) basische Proteine aus der Familie der Wachstumsfaktoren: Nervenwachstumsfaktor NGF, brain-derived neurotrophic factor BDNF, Neurotrophin3 bis 5 (NT-3 bis NT-5). Sie werden von benachbarten Zellen produziert und sichern Überleben (Verhinderung einer Apoptose), Differenzierung und Wachstum von Neuronen und damit auch den Fortbestand neuronaler Verbindungen. Sie sichern und kontrollieren auch die Bildung neuer Nervenzellen (Neurogenese), ein Vorgang, der auch beim erwachsenen Menschen im Hippokampus abkäuft.

Intrazelluläre Proteine beteiligen sich an Zellteilung, Transkription, Translation und ermöglichen Wachstum, Bewegung, aktive Verformung und Transportvorgänge (axonaler Transport s. >Abbildung). Die zahlreichen (oft über 1000) spezifischen Eiweißmoleküle pro Zelle (Proteom: Alle Proteine in einer Zelle, einem Zellkompartiment, Gewebe oder Lebewesen, unter definierten Bedingungen) liegen zum Großteil in sehr geringer Konzentration vor.

Der Organismus benötigt Proteine als Enzyme, Bauelemente, Rezeptormoleküle in der Zellmembran, Signalstoffe (Hormone, Transmitter, Wachstumsfaktoren, Mediatoren), Stütz- und Verbindungsmoleküle, und für weitere spezielle Zellfunktionen. Dazu gehört die Zellbeweglichkeit, der ein fließender Umbau des Zytoskeletts zugrunde liegt.
 
 
>Abbildung: Proteine in der Zellmembran einer Muskelzelle
Nach Rahimov F, Kunkel LM. Cellular and molecular mechanisms underlying muscular dystrophy. JCB 2013; 201: 499
Zahlreiche Proteine verbinden Extra- und Intrazellulärraum. Dadurch werden u.a. extrazelluläre Matrix und Zytoskelett funktionell miteinander verknüpft.

Laminin ist ein muskelspezifisches Protein
Ca++-Ionen spielen bei solchen Vorgängen eine Schlüsselrolle. An der Membran kann z.B. die Anlagerung chemotaktischer Substanzen an einen Rezeptor Auslöser für einen Transportvorgang in der Zelle sein. Für den intrazellulären Transport sind Mikrotubuli (Durchmesser 20-30 nm) wichtig; zusammen mit Mikrofilamenten (Durchmesser 7 nm) und Intermediärfilamenten (Durchmesser 10 nm) bilden sie die Hauptmasse des Zellskeletts (Zytoskelett). Zu den Bausteinen dieser Strukturen gehören Moleküle wie Aktin, Tubulin, Lamine, Vimentin, Keratin etc.
Durch die Reihenfolge ihrer Aminosäuren haben Proteine spezifische Gestalt und Funktion. Enzyme identifizieren Substratmoleküle, immunologische Rezeptoren und Antikörper erkennen körperfremde Moleküle, Rezeptoren binden und reagieren auf Signalmoleküle.

Mikrofilamente und Mikrotubuli des Zellskeletts bestehen aus Eiweißmolekülen. Sie werden auf-, um- und abgebaut, können z.B. an einem Ende der Zelle wachsen, während sie am anderen wieder zerfallen (gezielte Bewegung). Kontraktile Filamente ermöglichen Verformung (glatte Muskelzellen) und Verkürzung.
 

<Abbildung: Proteinstrukturen im Z-Streifen-Bereich einer Herzmuskelzelle
Nach einer Vorlage in www.e-heart.org
Das Bild zeigt die Komplexität intrazellulärer Proteinstrukturen am Beispiel einer Herzuskelzelle.

   Aktinin bewirkt die Anheftung von Aktinfilamenten

   Desmin sind Intermediärfilamente des Zytoskeletts, es verbindet Myofibrillen und Z-Scheiben in Muskelfasern

   Titin ist das größte bekannte Protein des Menschen, es ist elastisch und hat "ordnende" Funktion in Muskelzellen

   Tropomyosin ist ein Struktureiweiß in Muskelzellen, das an der Kontraktion beteiligt ist (dense bodies in glatten, Z-Streifen in quergestreiften Muskelzellen)
Extrazelluläre Proteine
 
Außerhalb der Zelle beteiligen sich Proteine an
  Abwehr (als Antikörper und Komplementfaktoren)
 
  Intaktheit der Gefäßwände (Gerinnungs- und Fibrinolysefaktoren)
 
  Transport von Fett, Hormonen, Spurenelementen usw. (Plasmaeiweiß)
 
  Aufbau extrazellulärer Strukturen:

   Fasern aus Kollagen (≈30% der Gesamtmasse an Körpereiweiß) für Faszien, Sehnen, Bänder, Unterhautgewebe, Knorpel, Knochen
 
   Elastin für dehnbare Strukturen (Lunge, Haut, Blutgefäße u.a.) und spezielle Proteine, wie
 
   Fibronektin für Hämostase, Gewebsreparatur, Zelladhäsion und -migration, Embryogenese
 
   Laminin, mit Bindungsstellen für zelluläre Rezeptoren; häufig in Basalmembranen
 
  Integrine für die Verbindung zwischen Zellen untereinander und mit extrazellulären Strukturen

 Zellmigration
  

>Abbildung: Zellmigration
Nach Schwab A, Fabian A, Hanley PJ, Stock C. Role of Ion Channels and Transporters in Cell Migration. Physiol Rev 2012; 92: 1865-1913
Änderung des "Transportoms" während der Fortbewegung (Protrusion, Retraktion). Diese Dynamik der Kanalausstattung der Zellmembran ist Voraussetzung für Bewegungsphänomene der Zelle.

 AE2, Anion Exchanger 2

 AQP, Aquaporin

 CIC3, ein temporär exprimiertes Protein

 ENaC, epithelialer Natriumkanal

 KCa, kalziumaktivierter Kaliumkanal

NHE1, Natrium-Wasserstoffionen-Austauscher

 NKCC1, Natrium-Kalium-Chlorid-Kotransporter

 VRAC, Volume-regulated anion channels, transportieren außer Chlorid auch organische Moleküle (Taurin, Glutamat, Aspartat) und beteiligen sich an der Regulation der Osmolalität in der Zelle

  Fortbewegung von Zellen. Motilität von Körperzellen ist eine physiologische Konstante. Beispiele: Migration von Leukozyten zwischen Blutbahn und extravasalem Raum; Auswanderung von antigenpräsentierenden Zellen aus dem Gewebe; Bewegung von Enterozyten entlang der Krypten-Zotten-Achse; gezielte Motilität von Spermien; Vorsprossen von Gefäßwandzellen während der Angiogenese; Migration verschiedenster Zellen (z.B. Neuriten) während ontogenetischen Entwicklungs- und Differenzierungsvorgängen. (Pathophysiologisches Beispiel: Propagation von Krebszellen.)

Ein Charakteristikum der Zellbewegung ist ihre Gerichtetheit - entlang einer Achse, welche mit einer Polarisierung der Zelle einhergeht (z.B. Epithelzellen bei Wundheilung, Leukozyten bei Diapedese). Der führende Teil besteht aus einem fächerförmigen, organellenfreien Fortsatz (0,3 µm dick), dem Lamellipodium. Hier lagern sich Aktinmoleküle zusammen und bilden eine mechanische Leitstruktur. Kräfte werden vom Zellinneren auf die umgebende Matrix übertragen, damit die Zelle eine Stütze hat. Meist spielen dabei Integrine eine zentrale Rolle; entsprechende Membranrezeptoren müssen im Lauf der Bewegung fortlaufend verlagert werden.

Chemotaxis bedeutet, dass sich die Zelle auf eine Signalstoffquelle zustrebt oder von dieser abwendet, was wiederum die Wirkung spezifischer Rezeptoren erfordert. Die involvierten Mechanismen sind komplex.

Damit die notwendigen Volumenverlagerungen und -änderungen möglich werden, ist die Anwesenheit bestimmter Membrankanäle nötig, um Flüssigkeit in die Zelle (Front: Protrusionen, sog. Podosomen ) bzw. aus ihr heraus gelangen zu lassen (Endpartie: Retraktion) - diese Vorgänge müssen nicht synchron, sie können auch unabhängig voneinander erfolgen.

Für den notwendigen transmembranalen Ionentransport spielt z.B. der Na+/H+-Austauscher NHE1 eine Rolle, weiters der epitheliale Natriumkanal ENaC, der Na-K-Cl-Kortransporter NKCC, Anionenaustauscher AE, sowie Kalium- und Chloridkanäle (>Abbildung); die Bindung von Integrin kann Kaliumkanäle aktivieren; kalziumsensitive Proteine (wie das an Zellmotilität und -teilung beteiligte proteolytische Enzym Calpain) sprechen auf Ca++-Einstrom (und damit auch das Membranpotential) an. Veränderungen der Osmolalität (Aquaporine!) können zum An- oder Abschwellen entsprechender Zellpartien genutzt werden; die Wirkung der Permeasen kann darüber hinaus über reinen Ionentransport hinausgehen (nicht-konduktive Eigenschaften).

Insgesamt geht man von einer gegenseitigen Beeinflussung von Ionentransport, Zellvolumenregulation und Zellskelett-Dynamik aus, welche zusammen erst eine geordnete Migration der Zelle ermöglichen.
 
Die Aktivierung glatter Muskulatur ist vielfältig kontrolliert
 

<Abbildung: Tonusabhängige Formveränderung einer glatten Muskelzelle
Nach einer Vorlage bei Benjamin Cummings / Addison Wesley Longman Inc. 2001
Dense bodiessind Verdichtungszonen im Zellplasma, an denen Aktinfilamente ansetzen (ähnlich wie an Z-Streifen im quergestreiften Muskel). "Relaxiert" = geringer, "kontrahiert" = hoher Tonus in der Längsachse. Dadurch erlangt die Zelle mechanische Festigkeit und kann sich im Verbund mit Nachbarzellen in glatter Muskulatur ausrichten, wie z.B. in Gefäßen (Vasokonstriktion), im Auge (Akkommodation) u.a.
Muskelzellen sind auf Verkürzung und Kraftentfaltung spezialisiert. Sie können in einer hochspezialisierten Organisationsform vorliegen, als sogenannte quergestreifte Muskulatur (so genannt wegen des regelmäßigen Sarkomeraufbaus). Hierher gehören Skelettmuskel- und Herzmuskelzellen.

Eine andere Form sind - morphologisch weniger auffällige - glatte Muskelzellen ("glatt", weil mikroskopisch ohne Querstreifung). Sie finden sich in der inneren Augenmuskulatur, in der Haut, in der Wand aller Gefäße, der Atemwege, sowie vieler Hohlorgane (Harnwege, Magen-Darm-Trakt, Uterus u.a.).

Intrazelluläres Kalzium. Wie andere Zellen auch, zeigen glatte Muskelzellen eine extrem niedrige Konzentration freier Kalziumionen ([Ca++]) im Zytoplasma. Das ist u.a. im Zusammenhang mit der elektromotorischen  Kopplung (s. weiter unten) wesentlich (über intrazelluläre Ca++-Speicher s. auch dort). Zur Senkung des zytoplasmatischen Kalziumspiegels stehen zwei Wege zur Verfügung: Entweder wird Ca++ durch die Zellmembran nach außen transportiert, dazu stehen Ca++-ATPasen zur Vefügung (Kalziumexportpumpen, Plasma membrane calcium ATPases, PMCAs); oder in das sarkoplasmatische Retikulum, über ebenfalls ATP-verbrauchende Ca++-Transporter (SERCA: Sarcoplasmic / endoplasmic reticulum calcium ATPases) des endoplasmatischen Retikulums.
 

>Abbildung: Organisation glatter Muskulatur
Nach einer Vorlage bei Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003
Der Multi-unit-Typ (links) knüpft Muskelzellen definiert an Nervenzellen (motorische Einheiten ähnlich wie bei der Skelettmuskulatur), die Muskelzellen sind untereinander nicht verbunden, der Muskel ist vom Vegetativum präzise steuerbar.

Beim Single-unit-Typ (rechts) hingegen sind die Muskelzellen - über gap junctions - zu einem funktionellen Synzytium verknüpft, ähnlich wie im Herzmuskel. Nervenimpulse regen lediglich die Aktivität des Zellverbandes an

Glatte Muskulatur ist sehr unterschiedlich steuerbar. Das ist von Innervationsdichte und der elektrischen Kopplung über gap junctions abhängig, über die elektrische Impulse und auch Stoffe von Zelle zu Zelle gelangen. Dementsprechend unterscheidet man zwei Spezialisierungsformen des glatten Muskels (>Abbildung), wobei es fließende Übergänge gibt:
 
  Der Single-Unit-Typ ist ein funktionelles Synzytium mit intensiven Kopplungen und eher globaler Steuerbarkeit (single unit: Funktionelle Gesamtheit). Die Muskelzellen kontrahieren synchron, ähnlich wie im Herzmuskel (aber wesentlich langsamer im Ablauf). Beispiel: Ureter, Harnblase, Gallenblase, Uterus, große Blutgefäße. Hier tritt gelegentlich auch rhythmische Spontanaktivität auf (z.B. Wehentätigkeit der Gebärmutter). Solche Spontanentladungen erinnern an die rhythmische Aktivität des Herzmuskels.

  Der Multi-Unit-Typ zeichnet sich durch präzisere Steuerbarkeit mittels vegetativer Nervenfasern aus (multi-unit: Funktionelle Untergliederung). Diese geben aus Varikositäten Transmitterstoff ab und beeinflussen glatte Muskelzellen auf kurze Distanz (Synapsen "en passant"). Die Zellen können unabhängig voneinander aktiviert, also präzise gesteuert werden, ähnlich (aber nicht so ausschließlich) wie im Skelettmuskel. Beispiele: Innere Augenmuskeln, m. arrectores pilorum, Atemwege, Harnblase.
   

<Abbildung: Rhythmische Depolarisation glatter Muskulatur
Modifiziert nach einer Vorlage bei droualb.faculty.mjc.edu (Pearson education 2011)
Wird das Schwellenpotential unterschritten, treten Aktionspotentiale (spikes) auf. Diese bewirken Kontraktionen des glatten Muskels (elektromechanische Koppelung)

Heterogenität: Die unterschiedliche Ausstattung mit gap junctions ist nur ein Zeichen der funktionellen Optimierung. Glatte Muskelzellen exprimieren Proteine (insbesondere Rezeptoren) in sehr wechselndem Ausmaß; sie sind auf die Anforderungen im jeweiligen Gewebe spezialisiert.

Auch haben sie die Fähigkeit, ihren Differenzierungsgrad zwischen kontraktilen Ausprägungen (Phänotypen) zu wechseln, je nach Anforderung (phänotypische Plastizität). Dabei liegen sehr unterschiedliche Muster und Intensitäten der Genexpression vor (z.B. für spannungsgesteuerte Kalziumkanäle), diese kann also je nach Bedingungen im Gewebe wechseln.

Die kontraktilen Filamente sind in der glatten Muskelzelle etwa diagonal orientiert und mittels dense bodies (aktininreichen Ankerpunkten) zu einem dreidimensionalen Netzwerk verbunden (<Abbildung oben). Der Aktinanteil ist in glatten Muskelzellen mindestens 10mal größer als der Myosinanteil (im quergestreiften Muskel beträgt der Aktin-Myosin-Quotient 2:1 bis 4:1).
Glatte Muskelzellen können sich bis auf ein Viertel ihrer entspannten "Ruhelänge" verkürzen (Skelettmuskelfasern nur bis auf ≈60%).
 

>Abbildung: Glatte Muskelzellen bilden je nach Typus verschiedene Entladungsmuster aus
Nach einer Vorlage bei humanphysiology.academy
Einige bilden überhaupt keine Aktionspotentiale, z.B. in den meisten Blutgefäßen; ihr Membranpotential schwankt lediglich (abhängig z.B. von sympathischer Stimulierung), und dies spiegelt sich im Tonusverlauf wider (oben).
Andere, wie im Magen, haben Schrittmacherwirkung - ihr Aktionspotential dauert verhältnismäßig lange (5-10fach länger als im Herzmuskel).
 Plateaus im Membranpotentialverlauf von Zellen des Dünndarms dauern noch länger, hier zeichnen sich auch "Spikes" ab, welche die Kontraktion triggern.
 Das tun auch Spikes im graviden Uterus - sie bilden bursts und lösen die Wehentätigkeit aus.
Die Depolarisierung erfolgt hauptsächlich über Kalziumeinstrom, die Repolarisierung über Kaliumausstrom

Glatte Muskelzellen "zucken" nicht wie quergestreifte, ihre Kontraktion äußert sich eher in einem mehr oder weniger ausgeprägten Tonus.

      Der Tonus ist z.T. alleine durch die Höhe des Membranpotentials bedingt (z.B. in Arterienwänden), es genügt schon eine Reduktion des Membranpotentials (Depolarisation), um ihn zu erhöhen;

      in anderen glatten Muskelfasern (<Abbildung) bedarf es zur Tonussteigerung plötzlicher Entladungen (Spikes). Spikes ähneln Aktionspotentialen (die in quergestreifter Muskulatur zur Kontraktionsauslösung notwendig sind).

Das Membranpotential glatter Muskelzellen liegt meistens zwischen -40 und -65 mV (also weniger negativ als bei einer quergestreiften Muskelzelle oder Nervenzelle).

Wie auch bei anderen Zellen, ist das "Ruhepotential" vorwiegend ein Kaliumpotential. Tatsächlich sind es mehrere Kaliumkanäle, welche das Membranpotential der glatten Muskelzellen wesentlich bestimmen - vor allem ein "inward rectifier" und ein ATP-sensitiver Kaliumkanal (vgl. dort).

ATP-sensitive Kaliumkanäle öffnen sich, wenn der intrazelluläre ATP-Spiegel sinkt. Wahrscheinlich helfen sie z.B. dabei, die Durchblutung von Organen entsprechend deren Stoffwechselzustand zu steuern (Wirkung auf die Gefäßmuskulatur).


Elektromechanische Kopplung. Wie in Herz- und Skeletmuskulatur, wird die Verknüpfung von Membranpotentialänderung zu Kontraktion durch Erhöhung der intrazellulären Ca++-Konzentration (von ≈10-8 zu ≈10-5 molar) bewerkstelligt (<Abbildung unten). Da die extrazelluläre Konzentration viel höher ist (≈10-3 M) als intrazellulär, bewirkt erhöhte Kalziumdurchlässigkeit der Membran (durch spannungsgesteuerte Kalziumkanäle: VOCs, Voltage-operated channels) Ca++-Einstrom, wenn die Membran depolarisiert.

  Außer durch Öffnung rezeptorgesteuerter sarkolemmaler Kalziumkanäle (z.B. durch IP3) kann die Ca++-Konzentration im Sarkoplasma auch gesteigert werden, wenn die anschließende Entfernung der Kalziumionen aus dem Zytosol blockiert wird: Das ist möglich durch Hemmung entsprechender Transportsysteme, wie der Kalziumexportpumpe nach extrazellulär (PMCA) oder der Kalzium-ATPase des sarkoplasmatischen Retikulums (SERCA).
 

<Abbildung: Regulierung der MLC-Phosphorylierung in einer glatten Muskelzelle (Gallengang)
Modifiziert nach Sharanek A et al. Rho-kinase/myosin light chain kinase pathway plays a key role in the impairment of bile canaliculi dynamics induced by cholestatic drugs. Nature Conferences Scientific Reports 2016; 6, Article # 24709
Die Myosin-Leichtkettenkinase (MLCK) wird durch Bindung von Kalzium - über Calmodulin (CaM) - aktiviert. Sie phosphoryliert die regulatorische leichte Kette des Myosinmoleküls in glatten Muskelzellen. Dadurch kann die Aktin-Myosin-Reaktion erfolgen, die Muskelzelle kontrahiert.

Dieser Vorgang wird gehemmt durch die Myosin-Leichtkettenphosphatase (MLCP).
  GF, Wachstumsfaktor
 
  ERK, extracellular signal-regulated kinases, gehören zu den mitogen-aktivierten Kinasen (MAPK)
 
  ET-1, Endothelin-1   ETR, endothelin receptor
 
  Inositolphosphatweg:   DAG, Diazylglyzerol   GPCR, G-protein coupled receptor   IP3, Inositoltriphosphat    PI3K, Phosphatidylinositol 3-Kinase    PKC, Proteinkinase C     PLCβ, Phospholipase C β
 
  MAPK, Mitogenaktivierte Proteinkinase (Signalweg enthält mindestens drei in Serie geschaltete Kinasen)
 
  MYPT-1, myosin phosphatase target subunit 1
 
  ROCK, Rho-kinase, aktiviert andere Enzyme in der Zelle durch Phosphorylierung, dient der Signaltransduktion

Die nachfolgende Verknüpfung von elektrischem Membransignal und mechanischer Antwort (Tonuserhöhung, Kontraktion) nennt man elektromechanische Kopplung. Diese erfolgt im glatten Muskel folgendermaßen (<Abbildung):



     Nach intrazellulär gelangtes freies Ca++ bildet einen Komplex mit dem kalziumbindenden Protein Calmodulin. Glatte Muskelzellen besitzen kein Troponin (wie quergestreifte Fasern), sondern Calmodulin, das Ca++ bindet und die enzymatische Reaktion auslöst:
 
     Der Ca++-Calmodulin-Komplex aktiviert das phosphorylierende (aber selbst nicht phosphorylierte) Enzym Myosin-Leichtkettenkinase (Myosin-Leichtketten - MLC: Myosin light chain - sind Bestandteile des Myosins)
 
     Durch Phosphorylierung der MLC kommt es zu aktiver Verlagerung zwischen Aktin- und Myosinfäden (Kontraktion)
  
  Der Mechanismus der Tonusregulierung in der glatten Muskelzelle ist komplex und Gegenstand der Forschung (2019). Offenbar aktiviert die Myosin-Leichtkettenkinase (MLC-Kinase) Myosinköpfe im nicht-phosphorylierten Zustand. Phosphorylierte MLC-Kinase wird durch den Ca++-Calmodulin-Komplex kaum aktiviert, und die Kontraktion der glatten Muskelzelle nimmt ab. Eine MLC-Phosphatase dephosphorlyliert die leichten Myosinketten und führt so zu Relaxation.

Relaxierend auf glatte Muskelzellen wirken auch zyklische Nukleotide (cAMP aktiviert Proteinkinase A, cGMP aktiviert Proteinkinase G, beide phosphorylieren Zielproteine - ß-Rezeptor-Wirkung) sowie Stickstoffmonoxid (NO aktiviert lösliche Guanylatzyklase und dadurch die Reaktion GTP zu cGMP).


  s. auch dort

Der Tonus / Kontraktionszustand kann mit minimalem Energieaufwand für lange Zeit aufrechterhalten bleiben (Haltefunktion). Wie das genau vor sich geht, ist noch nicht ganz klar.
 

>Abbildung: Kontraktionsauslösung in glattem Muskel
Nach einer Vorlage bei Mohrman DE / Heller LJ, Cardiovascular Physiology, 8th ed. McGraw Hill 2014
Die Kontraktion kann über Aktivierung spannungsabhängiger Ionenkanäle (links - VOC, voltage-operated channels) oder Rezeptoren (rechts - ROC, receptor-operated channels) ausgelöst werden.

   Über second-messenger-Mechanismen s. dort
Pharmakomechanische Kopplung: Nicht nur Depolarisierung / Aktivierung spannungssensitiver Kalziumkanäle (VOCs) kann Einstrom von Ca++ bewirken, auch Bindung extrazellulärer Signalstoffe an Rezeptoren kann dies tun (Receptor-operated channels, ROCs - >Abbildung). Solche Stoffe können z.B. Neurotransmitter sein.

Zur Aktivierung der glatten Muskelzelle ist dann keine Depolarisierung notwendig. Folge der Reaktion kann z.B. - über G-Proteine - die Aktivierung der Phospholipase C und Bildung von Inositolphosphat (IP3) sein. Dieses führt zur Freisetzung von Kalziumionen aus intrazellulären Ca++-Speichern durch Öffnung von Ca++-Kanälen in der Membran des sarkoplasmatischen Retikulums, und Ca++ besorgt die elektromechanische Kopplung (Kontraktion).
  Eine Senkung der IP3-Konzentration führt umgekehrt zu einer Verminderung des [Ca++] im Zytosol und senkt damit den Tonus der glatten Muskelzelle.

Die meisten vasoaktiven (gefäßwirksamen) Stoffe, die auf Rezeptoren an glatten Muskelzellen wirken, führen auch zu Depolarisierung der Zelle; ihre Rezeptoren wirken meist auch auf Ionenkanäle. Reine Rezeptorwirkung ohne Änderung des Membranpotentials ist selten.
  
 
<Abbildung: Spontane Oszillationen in glatter Muskulatur (slow waves)
Nach einer Vorlage bei Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003
Einige glatte Muskelgewebe generieren spontane Rhythmen - mehrere Depolarisationswellen pro Minute - beruhend auf der Wechselwirkung von Kalziumeinstrom (die Kanäle lassen im "Ruhezustand" Ca++ in die Zelle, was diese depolarisiert) und Ca++-gesteuerten Kaliumkanälen (Kaliumausstrom hyperpolarisiert die Zelle)
Eigenrhythmen: Viele glatte Muskelzellen zeigen spontane rhythmische Aktivität. Dabei spielen Oszillationen der intrazellulären Ca++-Konzentration die führende Rolle.

Größe und Dauer der Aktionspotentiale sind in der glatten Muskulatur variabler ausgeprägt als in Nervenzellen oder quergestreiften Muskelzellen. Einstrom von Ca++-Ionen durch spannungsabhängige Kalziumkanäle sind Hauptverursacher der Spikes bzw. Aktionspotentiale. Diese werden ausgelöst, wenn das Membranpotential unter einen bestimmten Schwellenwert sinkt (Abbildungen). 

Dabei folgt die Triggerung der Aktionspotentiale dem aktuellen Membranpotential. Dieses schwankt oft rhythmisch, die Oszillationen heissen basaler Organrhythmus - BER = Basic electrical rhythm, auch ECA = Electrical control activity. Der BER bestimmt z.B. die Kontraktionsfrequenz im Darm; unterschreitet hier das Membranpotential einen Betrag von -45 mV, treten Aktionspotentiale auf und es kommt zur Kontraktion. Schrittmacherfunktion haben dabei Cajal-Zellen (interstitielle Zellen).

Da Aktionspotentiale Kalziumionen einströmen lassen und die elektromechanische Kopplung auslösen, wird auf diese Weise der elektrische Rhythmus des Muskelgewebes zu Kontraktionen gleicher Frequenz übersetzt. Beispielsweise haben verschiedene Darmabschnitte charakteristische Eigenrhythmen ihrer Kontraktionsaktivität.

  Auf Konstriktion folgt Relaxation: Der Gegenspieler der Leichtkettenkinase ist die Leichtketten-Phosphatase (MLCP, >Abbildung), sie dephosphoryliert - und hemmt dadurch - das Myosin. Ca++-Ionen werden über eine ATP-abhängige Pumpe (SERCA: Sarcoplasmic / endoplasmic reticulum calcium ATPase) in das sarkoplasmatische Retikulum zurückbefördert. Beim Transport nach extrazellulär hilft zusätzlich ein Na+-Ca++-Austauscher (NCX), der wesentlich ist für die zelluläre Ca++-Homöostase.

Hyperpolarisation der glatten Muskelzelle ist einer der Mechanismen, der zur Relaxation führt; Wirkung auf Rezeptoren ist ein anderer (z.B. durch Bildung von cAMP, das Proteinkinase A einschaltet und über Phorphorylierung verschiedener Enzyme den Ca++-Ausstrom fördert sowie die Ca++-Empfindlichkeit der Kontraktionsmaschinerie senkt).

Kontraktion und Relaxation glatter Muskulatur (z.B. in Gefäßen, im Darm etc.) steht im Mittelpunkt zahlreicher pharmakologischer Wirkungen (Kalziumblocker, Hormonagonisten und -antagonisten etc). Meist werden dabei entweder Ionenströme durch die Membran oder die Aktivität von Signalstoffen modifiziert (die involvierten Rezeptoren können ionotrop oder metabotrop sein).

Die folgende Tabelle zeigt Unterschiede zwischen Skelett- und glatter Muskulatur:


 Glatte Muskulatur
 Skelettmuskulatur
Verhältnis Aktin / Myosin
 ≈15:1, unregelmäßig angeordnet
 2:1, als "Querstreifung" regelmäßig angeordnet (wie Herzmuskel)
Dimensionen
 Länge bis 0,2 mm
 Länge bis mehrere cm, Durchmesser bis 80 µm
Kontraktionsauslösung
 Bindung Ca++ an Calmodulin
 Bindung Ca++ an Troponin
Dauerkontraktion durch
 erhöhte Transmitterkonzentration (Tonus)
 dauerhaft hohe Aktionspotentialfrequenz (Tetanus)
Ermüdung
 nein
 ja
Innervation
 Nerven / Schrittmacherzellen / Transmitter (Azetylcholin, Noradrenalin, etc)
 Motoneuron / motorische Endplatte (Azetylcholin)




 
Intensiver Informationsaustausch macht es möglich, dass sich Billionen Zellen im Körper gegenseitig erkennen und regulieren. Ketten von Zuckermolekülen an der Außenseite der Zelle (die Glykokalyx = Kapsel = Schleimhülle besteht aus Polysacchariden, die an Glykoproteine und Glykolipide der Zellmembran gebunden sind) spielen dabei wegen der enormen Vielfalt ihrer Struktur und der gegenseitigen Erkennung molekularer Muster eine tragende Rolle. Fehlregulationen führen zu Funktionsstörungen, die schwere Krankheitsbilder zur Folge haben können. Solche Funktionsstörungen können betreffen:
  Schutz gegenüber chemischen Störfaktoren

  Erkennung potentiell schädlicher Fremdzellen

  Gewebetyperkennung

  Krebsresistenz

  Zelladhäsion

  Entzündungsvorgänge

  Fertilisierung (Erkennung der Eizelle durch Spermien)

  Embryonale Entwicklung / Differenzierung

Die Funktion der Mikrotubuli kann durch Colchicin, das Gift der Herbstzeitlosen, gehemmt werden. Dies führt zu verringerter Beweglichkeit der Zelle und hemmt die Mitose. Colchicinvergiftung ist u.a. durch Atemlähmung gekennzeichnet.

Die mutationsbedingte Schwächung von Verankerungsmolekülen wie Dystrophin (aktinbindendes Spektrin, das Verbindungen zwischen intra- und extrazellulären Molekülen herstellt) führt zu progressiver Muskeldystrophie (eine durch Mutationen im Erbgut verursachte Erbkrankheit, die zu Defekten oder Mangel muskulärer Proteinen führt).

Die meisten Stoffwechselkrankheiten beruhen auf angeborenen Defekten von Eiweißmolekülen (Rezeptoren, Enzymen, Transportproteinen...) - Gicht, Hyperlipoproteinämien, von der Norm abweichende Verstoffwechslung von Arzneimitteln, Adipositas, Diabetes etc.

Retrograder axonaler Transport (Abbildung oben) kann Viren (z.B. Polio, Herpes, Rabies) oder Toxine (z.B. Tetanus) aus der Peripherie zum Nervenzellkörper transportieren und diesen schädigen. So kann z.B. Gürtelrose auftreten, wenn - bei geschwächtem Immunsystem, z.B. infolge Stress - die Entzündung herpesvirusbefallener Nervenzellen auf das umliegende Dermatom übergreift.
Eine Reise durch die Physiologie


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