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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
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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
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Muskelkontraktion
Gleitfaser-Modell
(Huxley and Niedergerke (1954) Nature
Huxley and Hanson (1954) Nature)
Interferenzmikroskopie
A-Fasern
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Muskelkontraktion
Gleitfaser-Modell
(Huxley and Niedergerke (1954) Nature
Huxley and Hanson (1954) Nature)
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Muskelkontraktion:
Zyklus der Aktin-Myosin
Interaktion
(Alberts et al.,
„Molecular Biology of
the Cell“, verändert)
gebunden
gelöst
gebunden
Kraftschlag „Rigor“
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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
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Regulation der Interaktion von Myosin und Aktin:
Sarkoplasmatisches Retikulum
SERCA
(Sarcoplasmic/endoplasmic
reticulum Ca2+ ATPase)
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Organisation der Muskeln
Zusammenspiel zwischen (Endo-)Skelett und Muskeln
Muskeln können nur kontrahieren
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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
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Tetanische (fließende) Kontraktion
Summation bei Reizintervallen
zwischen 75 und 200 ms
Tetanische (fließende) Kontraktion bei
Reizintervallen < 75 ms
(Campbell, Biologie)
Steuerung der Muskelkontraktion
Motor Einheit: Einzelnes Motoneuron (alpha-Motoneuron) + alle Muskelfasern
die durch dieses Neuron innerviert werden
Rekrutierung von Motoneuronen
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Die motorische Endplatte als Prototyp einer Synapse
Vorteil:
• Gute Zugänglichkeit
• Größe
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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 ?
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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)
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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
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Scheidung? (nach Julien, Trends Cell Biol. 7:243(1997))
Amyotrophe Lateralsklerose
(ALS)
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Signalübertragung an der motorischen Endplatte
Aktivierung des (nikotinischen)
Acetylcholinrezeptors induziert die
Bildung eines Aktionspotentials, das sich
in die T-Tubuli ausbreitet
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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)
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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.