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Die motorische Endplatte und die Steuerung der
Muskelkontraktion
1. Aufbau des Muskels
2. Mechanismus und Steuerung der
Muskelkontraktion
2.1 Gleitfilamenttheorie
2.2 Zyklus der Actin-Myosin Interaktion
2.3 Regulation der Interaktion durch Calcium-Ionen
2.4 Organisation der Muskeln
3. Entwicklung und Funktion der motorischen Endplatte
3.1 Die motorische Endplatte als Prototyp einer Synapse
3.2 Synaptogenese
3.3 Signalübertragung an der motorischen Endplatte
Aufbau des Muskels
Mehrkernige Muskelfasern (im
Menschen: 50 µm Durchmesser, bis
zu 50 cm lang: Syncytium)
Myofibrillen
Sarkomer (etwa 2,5 µm lang)
Muskeltypen:
- Skelettmuskel (quergestreifte
Muskeln)
- Herzmuskel (quergestreifter
Muskel aber mit elektrischer
Kopplung)
- Glatte Muskeln
Muskelkontraktion
Gleitfaser-Modell
(Huxley and Niedergerke (1954) Nature
Huxley and Hanson (1954) Nature)
Milestones:
Muscle sliding filament
Interferenzmikroskopie
A-Fasern
Muskelkontraktion
Gleitfaser-Modell
(Huxley and Niedergerke (1954) Nature
Huxley and Hanson (1954) Nature)
Milestones:
Muscle sliding filament
Muskelkontraktion:
Zyklus der Aktin-Myosin
Interaktion
(Alberts et al.,
„Molecular Biology of
the Cell“, verändert)
gebunden
gelöst
gebunden
Kraftschlag „Rigor“
Regulation der Interaktion von Myosin und Aktin: Ca 2+
benötigt: Ca2+-Ionen, ATP
Troponin-Tropomyosin Komplex
F-actin
Troponin-
Tropomyosin
Ca2+ ATP/
ADP
F-actin
Troponin-
Tropomyosin
Ca2+
ATP/
ADP
Myosin
Myosin
Regulation der Interaktion von Myosin und Aktin:
Sarkoplasmatisches Retikulum
Ca2+-ATPase
Organisation der Muskeln
Zusammenspiel zwischen (Endo-)Skelett und Muskeln
Muskeln können nur kontrahieren
Motor Einheit: Einzelnes Motoneuron (alpha-Motoneuron) + alle Muskelfasern
die durch dieses Neuron innerviert werden
Anzahl an Muskelfasern, die durch ein einzelnes Motoneuron innerviert
werden: 2-3 (Finger) bis 50-60 (andere Muskeln)
Steuerung der Muskelkontraktion
Die motorische Endplatte als Prototyp einer Synapse
Vorteil:
• Gute Zugänglichkeit
• Größe
Anatomie der motorischen Endplatte als Prototyp einer Synapse
3 interagierende Zelltypen: Motoneuron, Skelettmuskel, Schwannzelle
Strukturen:
- Präsynaptische Spezialisierung
- postsynaptische Spezialisierung
- Basalmembran
Ramon y Cajal (um 1900):
„protoplasmatischer Kuß“
- erste Erkennung
(romantische Phase)
- Ausbildung des Kontakts
(Heirat)
- Gegenseitige Anpassung
(verheiratete Phase)
- Scheidung ?
Stufen der Synaptogenese
E13 (Ratte): Myoblasten fusionieren zu Muskelfasern, Motoneurone sekretieren
Acetylcholin
E14: Erste Kontakte, Flecken an Basalmembran bilden sich
E16: Acetylcholin-Rezeptoren klustern, Multiple Innervation der Muskelfasern,
Basalmembran wird kontinuierlich, Synaptische Vesikel akkumulieren,
Cholinacetyltransferase wird vermehrt gebildet, Acetylcholinesterase akkumuliert
in der Spalte
Geburt: Menge an extrajunktionalen Acetylcholin-Rezeptoren nimmt ab
Erwachsenes Tier: Falte bildet sich, alle bis auf eine Nervenendigung verschwinden,
keine extrajunktionalen Acetylcholin-Rezeptoren, Struktur der Acetylcholin-
Rezeptoren ändert sich (Epsilon-Untereinheit ersetzt Gamma-Untereinheit)
Regulation der Synaptogenese
Wie findet die Kommunikation statt?
Agrin KO:
- keine korrekte Innervation
- keine postsynaptische
Differenzierung
Vermutlich ist Agrin ein
neuronales Signal für korrekte
Synapsenbildung
Agrin (225 kDa)
Mosaikstruktur, alternativ gespleißte Isoformen
(vermutlich Rolle auch im ZNS)
Bdg. an Basallamina
AchR-Clustering
Scheidung? (nach Julien, Trends Cell Biol. 7:243(1997))
Amyotrophe Lateralsklerose
(ALS)
Signalübertragung an der motorischen Endplatte
Aktivierung des (nikotinischen)
Acetylcholinrezeptors induziert die
Bildung eines Aktionspotentials, das sich
in die T-Tubuli ausbreitet
Vergleich der Muskelarten
Skelett-
muskulatur
Herz-
muskulatur
Glatte
Muskulatur
Motorische
Endplatte Syncytium
Zellkern/Faser
oder Zelle Sarkomer
ja
nein
nein
ja
nein
(funktionell
aber ja)
nein
mehrere
1
1
ja
ja
nein
(„cytoplasmic dense
bodies“ analog
der Z-Scheibe)
Signalübertragung durch Motoneurone des vegetativen
Nervensystems
Keine spezialisierten prä- oder
postsynaptischen Regionen sondern
Auftreten von Schwellungen
(Varikositäten) an denen
Neurotransmitter (Acetylcholin oder
Noradrenalin) sekretiert werden.