Aktin: ακτίς = Strahl
Motorische Vorderhornzellen in Hirnstamm und Rückenmark steuern jeweils eine definierte Gruppe von Muskelfasern, eine motorische Einheit. Elektrische Aktivität der Vorderhornzelle setzt am Ende ihres Axons Acetylcholin frei. Das erregt alle zugeordneten Muskelfasern, führt zum Einstrom von Ca++-Ionen
in ihr Zytoplasma, zu elektro-mechanischer Kopplung und schließlich zur Kontraktion der motorischen Einheit. Einzelne Aktionspotentiale führen zu Einzelzuckungen (z.B. im Rahmen eines Sehnenreflexes), mehrere in knapper Folge zu tetanischer Kontraktion (der physiologischen Form von Kraftentfaltung und Bewegung). Tetanische Kontraktionen entfalten mehr Kraft als Einzelzuckungen (längere Dauer, effizientere elektromechanische Kopplung). Die Muskelkraft hängt vom Überlappungsgrad von Aktin- und Myosinfilamenten in den Sarkomeren ab. Der normale Arbeitsbereich der Muskeln umspielt die Länge, die optimale Bedingungen für die Zahl aktiver Aktin-Myosin-Querbrücken ermöglicht (~2-3 µm Sarkomerlänge). Vordehnung, Durchblutung, Zustand des Energiestoffwechsels sind weitere Faktoren, welche die Muskelkraft bestimmen. Die Verkürzungsgeschwindigkeit nimmt mit zunehmender Belastung ab. Kann sich der Muskel gar nicht verkürzen, weil die Gegenkraft zu groß ist, führt er eine isometrische Kontraktion aus (bei noch stärkerer Belastung wird der Muskel während der Kontraktion in die Länge gedehnt). Hebt der Muskel ein konstantes Gewicht, kontrahiert er sich isotonisch. Ändern sich während der Aktivität sowohl Belastung als auch Länge (was meist der Fall ist), vollbringt der Muskel eine auxotonische Kontraktion. |
Titin ist an Z- und M-Streifen verankert und dehnungselastisch |
Spaltung von Komponenten des SNARE-Komplexes verhindert die Freisetzung von Acetylcholin an der motorischen Endplatte |
Die präsynaptische Freisetzung von Acetylcholin wird durch Botulinumtoxin spezifisch gehemmt |
Ryanodinrezeptoren sind Ca++-Kanäle, die bei Erregung und Aktivierung durch DHPR Ca++-Ionen aus dem sarkoplasmatischen Retikulum in das Sarkoplasma lassen |
Der Überlappungsgrad zwischen Aktin- und Myosinfäden bestimmt (unter anderem) die Stärke einer Kontraktion |
Mit der Aktionspotentialfrequenz an Motoneuronen steigt die Kraftentwicklung der zugehörigen Skelettmuskelfasern |
Succinylcholin aktiviert an der Endplatte postsynaptische nikotinische Rezeptoren |
Hemmung der Cholinesterase reduziert die Wirkung von Tubocurarin / Succinylcholin |
Die Skelettmuskulatur beansprucht bei körperlicher Ruhe ~15% des
Herzminutenvolumens (etwa 1 l/min). Bei Ausbelastung kann die
Durchblutung ~20-fach ansteigen. Je mehr motorische Einheiten (Summe
der von einer Vorderhornzelle innervierten Fasern) aktiv sind und je
höher ihre Entladungsfrequenz ist, desto stärker kontrahiert sich der
Skelettmuskel Die Übertragung der Aktionspotentiale von motorischen Neuronen auf die Muskelzellen erfolgt an der motorischen Endplatte. Sequenz: Depolarisierung des Neuriten öffnet präsynaptisch Ca++-Kanäle → Ca++-Ionen strömen ein, Acetylcholin enthaltende synaptische Vesikel wandern zur präsynaptischen Membran, mit der sie fusionieren → Acetylcholin wird in den synaptischen Spalt freigesetzt, diffundiert zur postsynaptischen Membran, bindet an nikotinische cholinerge Rezeptoren → diese wirken als Natriumkanäle, Na+ strömt ein, depolarisiert die Muskelzelle (postsynaptisches Generatorpotential) → entsteht ein Aktionspotential, läuft es über die Muskelfaser (Voltage operated channels) und in die transversalen Tubuli → das triggert die elektromechanische Kopplung, der Muskel kontrahiert Die präsynaptische Freisetzung von Acetylcholin wird durch Botulinumtoxin spezifisch gehemmt Curare bindet an Acetylcholinrezeptoren der motorischen Endplatte, ohne Ionenkanäle zu öffnen (kein Natriumeinstrom, keine Depolarisierung) und blockiert so die Erregungsübertragung. Auch nichtdepolarisierende Muskelrelaxantien blockieren die nikotinischen Acetylcholinrezeptoren. Abbau (Acetylcholinesterase) und Wiederverwertung (Recycling) des Acetylcholins beendet seine Wirkung an der Endplatte; andernfalls erfolgt Dauerentladung und Refrakterität der motorischen Endplatte (schlaffe Lähmung). Diesen Effekt haben Cholinesterasehemmer (Muskelrelaxantien, Pestizide, Nervengas). Succinylcholin aktiviert an der Endplatte postsynaptische nikotinische Rezeptoren; Hemmung der Cholinesterase reduziert die Wirkung von Tubocurarin / Succinylcholin. Acetylcholinesterase-Hemmer wie Neostigmin (Anwendung bei Curarevergiftung), einige Insektizide und Nervenkampfstoffe bewirken rasche Anreicherung von Acetylcholin im synaptischen Spaltraum der Endplatte, der Muskeltonus steigt an Elektro-mechanische Koppelung verknüpft Erregung mit Kontraktion. Transversale Tubuli enthalten spannungsgesteuerte Ca++-Kanäle (Dihydropyridinrezeptoren DHPR) in unmittelbarer Nähe von Ca++-Kanälen (Ryanodinrezeptoren RyR) des sarkoplasmatischen Retikulums. DHPR wirken als Spannungssensoren, durch RyR dringt Ca++ in das Sarkoplasma, bindet an Troponin und aktiviert den Kontraktionsmechanismus. Das SERCA-System befördert Ca++ in das Retikulum zurück (Relaxation) Einzelne Aktionspotentiale bewirken Einzelzuckungen (z.B. bei Auslösung eines Muskelspindelreflexes), Aktionspotentialsalven motorischer Vorderhornzellen durch Summation einen Tetanus (physiologische Kontraktionsform). Mit der Aktionspotentialfrequenz an Motoneuronen steigt die Kraftentwicklung der zugehörigen Skelettmuskelfasern Kontraktionsmechanismus: Ca++ bindet an Troponin C, Troponin I an Aktinmoleküle, Troponin T an Tropomyosin und unterstützt die Positionierung an Aktin. Der Myosinkopf richtet sich auf, spaltet ATP und kippt unter Kraftentwicklung zurück, das Myosinmolekül überträgt die Energie auf das Aktinfilament ("Kraftschlag"). Der Überlappungsgrad zwischen Aktin- und Myosinfäden bestimmt (unter anderem) die Stärke einer Kontraktion Titin ist an Z- und M-Streifen verankert und dehnungselastisch Die Kraftentwicklung hängt ab u.a. von Stoffwechselzustand (Sauerstoffangebot), Muskellänge (Überlappungsgrad Aktin-Myosin) und Aktionspotentialfrequenz der Motoneuronen (Ausprägung des Tetanus) Die Verkürzungsgeschwindigkeit des Muskels ist umgekehrt proportional zu seiner mechanischen Belastung. Maximale Leistung wird bei einem Drittel der maximalen Belastung bzw. Verkürzungsgeschwindigkeit erbracht |