Pflügors Archiv, Bd. 265, S. 11--17 (1957)

Aus dem Zoologischen Institut der Universität Jena

Die Wirkung von gerinnungsfördernden Faktoren auf Skelet- und IIerzmuskel

Von M. GERSCH und It. DEUSE

Mit 5 Text~bbildungen

(Eingegangen am 21. Februar 1957)

Verschiedene Beobachtungen lassen vermuten, daß die bei der Muskelkontraktion erfolgenden kol]oida]en Vorgänge £hnlich denen bei der Blutgerinnung sind. Dafür wird unter anderem die Wirkung der Ca++-Ionen angeführt, die bekanntlich einen für die Bintgerinnung not- wendigen Faktor darstellen, ebenso aber auch einen Verkürzungseffekt des Muskelplasmas hervorrufen (H]~ILB~U~~ u. WIE~CI~SKI 1947). Darüber hinaus ist ihre Beteiligung bei der Plasmagerinnung ganz allgemein erwiesen (H]~~]~~UNN 1956). Nach Versuchen von LOEB (1905, 1906) t reten im Muskel vom Hummer Gerinnungssubstanzen auf, die die Gerinnung der Hi~mo]ymphe dieses Tieres beschleunigen. Bei Wirbel- tieren wurde in noch weiter zurückliegenden Untersuchungen von SC~MrDT (1892), D~LEZn~~E (1897) U. a. festgestellt, daß Muskelextrakt den Gerinnungsvorgang des Bhites beschleunigt. KRAus u. Fuchs (1929) konnten mit der Gefriertrocknungsmethode erhebliche Mengen von Prothrombin in der Muskulatur des Kaninchens nachweisen. Umgekehrt hat sich gezeigt, daß Plasma ganz allgemein und Muskelplasma im besonderen Heparin oder Heparin-ähnliche Substanzen enthalten. In diesem Zusammenhang ist wohl die Tatsache, daß Heparin das Frosch- herz in der Diastole zum Stillstand bringt, als ttemmungserscheinung der Kontrakt ion des Herzmuskels zu deuten.

Für die Beziehung zwischen den Vorgängen von Plasma- bzw. Blut- gerinnung und Kontraktionsvorgang spricht auch das Verhalten von Thrombin und von anderen spezifischen proteoly~ischenEnzymen. Nach den Versuchen von W o o D w ~ D (1948) erfolgt eine Gerinnung isolierter Muskelfasern des Frosches in 0,1%iger Trypsin-t~inger-Lösung. ~oeh deutlichere Effekte erzielten WIEaCrSSKI u. CooKso~ (1949) nach Injektion einer 0,05 ~o igen Trypsinlösung in die Muske]fibrille. In beiden Fällen erfolgte eine zum Teil sogar heftige t~ontraktion.

Aus den hier kurz angeführten Verhältnissen erhob sich in bezug auf die Ergebnisse am Plasma von Amoeba proteus, zu denen unsere Versuche über die Einwirkung verschiedener extracelhilärer Faktoren geführt

12 M. G~.~sc~ und R. ])EUSE :

hatten (G~~scg, F~A~s:n, Dnvs~ 1957), die Frage, wie eine hochgradig differenzierte Zelle, wie es die Muskelzelle darstellt, auf diese Faktoren reagiert. Die Muskelzelle zum Vergleich heranzuziehen und hierbei die Wirkungen der Substanzen zu prüfen, erschien auch deshalb besonders naheliegend, weil es sich bei Vitamin K und Ca++-Ionen um Faktoren handelt, die Fällungs- bzw. Gerinnungserscheinungen hervorrufen. Dabei interessierte besonders, ob das bei Amoeba proteus mit der Kombination Vitamin K-Ca++-Ionen-Lösung erzielte überraschende Ergebnis auch am Muskel festzustellen war. Am Amöbenplasma führte das Zusammen- treffen der beiden Faktoren Vitamin K und Ca++-Ionen, von denen jeder für sich in der entsprechenden Konzentrationsstufe Gelierung bzw. Gerinnung des Plasmas bedingt, nicht zur Summierung der Effekte, sondern im Gegenteil zur gegenseitigen Aufhebung. Dies konnte bei Amoeba auf Grund elektronenmikroskopischer Untersuchungen mit dem micellaren Umbau erklärt werden (Gv,~SCH, F~ANKE, Dv~vs~ 1957).

Es ist eigentlich erstaunlich, dal~ die Wirkungsweise von Vitamin K auf den Muskel bisher kaum untersucht worden ist, obgleich andererseits Auftreten und Bedeutung von gerinnungshemmenden Substanzen im Muskel, wie vor allem von Heparin, mehrfach diskutiert wurden. Die am Muskel prinzipiell ganz ghnlichen Versuchsergebnisse führen zu der Frage, ob die für die Verhältnisse der Protozoenzelle auf Grund elektro- nenmikroskopischer Untersuchungen entwickelten Vorstellungen über die Beeinflussung des submikroskopischen Gefüges durch Vitamin K und Ca++-Ionen auch auf die Muskelze]le übertragen werden können.

Methodik Die Versuche wurden am M. gastrocnemins (25 Frösche) und am Herzmuksel

(35 Frösche; in der Anordnung nach STrAUß) durchgeführt. Am elektrisch ge- reizten Muskel wurden folgende Lösungen geprüft: CaClu 0,015mol, Vitamin K 10 -~, 10 -5, 10 -6, 10 -v, 10 -s (Vitamin K "Pharma" = 2-Methyl-l,4-naphtho- chinon-Natriumbisulfit von ,VEB Pharmazeutisches Werk Ber]in-Johannisthal") in Ringer-Lösung für Amphibien. Bei den Fröschen (Rana esculenta) handelte es sich um Herbsttiere, die noch nicht eingewintert waren. Der Skeletmuskel wurde direkt elektrisch gereizt bei gleichzeitigem Auftropfen der jeweiligen Lösung auf das Muskelpr~parat. In den Versuchen mit dem tterzmuskel wurden die Lösungen entsprechend der Straubschen Anordnung durch eine Kanüle in den Ventrikel eingespült. Alle Versuche kamen bei Zimmertempera~ur zur Ausführung.

Versuchsergebnisse Die Reizung des Skeletmuskels, der mit CaC12 0,015 mol-Lösung

betropft wurde, führte zu stärkerer Verkürzung als bei Ringer-Lösung (Abb. 1). Der Effekt t ra t meistens schon unmittelbar nach der ersten Einwirkung der Ca++-Ionen ein. Dort, wo eine deutliche Erhöhung der Amplitude nicht sofort erfolgte, ist dies möglicherweise aus physiologi- schen Unterschieden der einzelnen Muskeln zu verstehen, zumal die

Wirkung von gerinnungsfördernden Faktoren auf Skelet- und Herzmuskel 13

verhältnismäßig hohe Impermeabilität des Skeletmuskels gegenüber Ca++ im Gegensatz zur glatten Muskulatur und zu den Zellen des Herz- muskels eine allgemein anerkannte Tatsache darstellt. Unsere Ergebnisse über die Wirkung von Ca++ auf die Kontraktionsfähigkeit des ganzen Muskels stehen in Übereinstimmung mit den Befunden von HEI~~~v~~ u. WI]~RCINSKI (1947). Die Autoren erzielten durch Injektion verschie- dener Ca++-haltiger SMzlösungen in isolierte Muskelfasern mittels einer

Mikropipette heftige Kontraktion.

l R/)Taep

Abb. 1. Wirkung von 0,015 mol CaCI~ auf den Abb. 2. Wirkung von Vi tamin K 10 -4 auf den Skeletmuskel vom Frosch Skeletmuskel vom Frosch

Die Wirkung von Vitamin K 10 .4 wurde gleichfalls in der Weise geprüft , daß der M. gastrocnemius elektrisch gereizt und zunächst mit Ringer-Lösung, dann mit der Vitamin-K-Lösung betropft wurde. Diese Versuche erfolgten meistens mit dem Muskel der anderen Extremität desjenigen Tieres, das schon für die Ca++-Versuche verwendet worden war, um möglichst konstante Ausgangsbedingungen zu schaffen. Konzen- tration der Vitamin-K-Lösung 10 -5, 10 -~, 10 -7, 10 -s führte ebenfalls zum Anstieg der Amplitude, besonders deutlich bis zur Konzentration 10 -6. t~ei Konzentration 10 .7 und 10 -s war die Erhöhung zwar erkennbar, betrug aber bei Vitamin K 10 -s nur noch 0 ,1 -0 ,2 cm gegenüber der Normalhöhe nach Ringer (3,5---7~o Erhöhung). Die Amplifuden- erhöhung setzte unmittelbar nach Zugabe der Lösung ein (Abb. 2).

Nach Eintauchen des Muskell0räparates in die Vitamin-K-Lösung fiel der Effekt bei Reizung nicht so eindeutig aus. Dies ist wohl auf Grund der Erfahrungen über die Einw~kung konzentrierter Lösungsstufen von Vitamin K am Plasma der Amöben mi~ Schädigungsërscheinungen infolge heftiger Plasmagerinnung zu erklären. Gleichfalls eine starke Kontraktion durch Vitamin K (Menadion) in der Konzentration

14 M. G~Rsc~ und R. DEvsE:

2,5 • 10 -a mol am M. rectus abdominis des Frosches stellten TORDA und WOLFF (1944) Rest. Der Vergleich des Verhaltens des Plasmas der Amöbe und der spezialisierten Muskelzelle gegenüber Ca ++ und Vit- amin K führt zu der SchlnBfolgerung, daß in beiden Fällen Gerinnungs- erscheinungen eingeleitet werden, die sich in einem Fall in Ver~nderungen

der Bewegungsfähigkeit, im anderen Fall in der Muskel- kon~raktion ausdrücken.

Hierfür läßt sich auch das gleichsinnige Verhalten von ù Amöbenp]asma" und , ,Muskel- plasma" der Faktoren_kombi- nation Vitamin-K-Ca ++ gegen- über anrühren. In diesen Ver- suchen wurde zunächst das

- - Muskelpräparat nach Betropfen Abb. 3. W i r k u n g von V i t amin K 10 -~ und CaC12

0,015 m o l a u f den Gas t rocnemius v o m Frosch m i t Ringer-Lösung gereizt, die Reizung nach tropfenweiser Zu-

gabe von Vitamin K 10 -~ fortgesetzt, wobei sich wiederum die Er- höhung der Amplitude zeigte (Abb. 3). Unmittelbar anschließende Behandlung mit CaCl~ 0,015 mol verursachte bei weiterer Reizung ein Absinken des Amplitudenausschlages atff das für Ringer-Lösung typische Niveau (Abb. 3). Die Kombination beider Faktoren, von denen jeder für sich eine Vergrößerung der Muskelkontraktion hervorruft, führt also am Skeletmuskel ebenfalls zu einer Aufhebung des Effektes.

Abb. 4. W i r k u n g von V i t amin X 10 -« a u f d e n ' H e r z m u s k e l v o m Frosch

Vergleichsweise wurde schließlich auch der Einfluß der Faktoren Vitamin K und Ca++, getrennt von einander und beide kombiniert, auf den I-Ierzmuskel des Frosches geprüft. Die Empfindlichkeit des Herzmuske]s gegenüber Ca++-Ionen ist durch zahlreiche Versuche gut bekannt. Sie t ra t in gleicher Weise auch hier in Erscheinung. Vitamin K 10 -5 bzw. 10 -6 bewirkte auch hier eine Amplitudenerhöhung (Abb. 4). Nach Zugabe von Vitamin K 10 -5 bzw. 10 -6 wurde die einseitige Ca++-Wirkung entweder völlig aufgehoben oder zumindest st~rk ~bgeschw£cht (Abb. 5). Dem-

Wirkung von gerinnungsfördernden l~aktoren auf Skelet- und tIerzmuskel 15

entsprechend verursachte eine Lösung von CaC12 und Vitamin K gemein- sam von vornherein eine weitgehend normale Amplitude, die höchstens durch ungenügende Ausgewogenheit beider Faktoren mehr oder weniger gestört werden kann (vgl. Abb. 5, Beginn der Kon~raktionskurve). Insgesamt bestätigt sich also auch für den tIerzmuskel die am Skelet- muskel getroffene Feststellung, daß der durch Ca++-Ionen erzielte Effekt nach Vitamin-K-Zugabe normalisiert wird.

Erörterung der Ergebnisse Zur Deutung des Verhaltens des Muskels gegenüber den einzelnen

Faktoren und auch gegeniiber der Faktoren]~ombination erscheint es wertvoll, die Ergebnisse am Plasma der Amöben heranzuziehen (G]~~sc~, F~A~KE, D~~SE /957). Das Plasma der Amöbenzelle wie auch das der Muskelzelle haben auf die Faktoren Ca ++ und Vitamin K isoliert sowie in Kombination beider in bemerkenswert übereinstimmender Weise reagiert. Es ist daher der Schluß naheliegend, daß dies trotz der morpho- logisch und funktionell so unterschiedlichen Zelltypen durch prinzipiell ähnliche Einflußnahme auf die Plasmakolloide bedingt sein muß.

Von den Unterschieden des submikroskopischen Feinbaues der Amöben nach Behandlung mit verschiedenen extracellulären Faktoren, wie es im elektronenmikroskopischen Bild sichtbar wurde, interessiert hier nur die Wirkung von Ca++ und Vitamin K bzw. beider zusammen. Ca++-Behandlung führte zunächst zu einer Verdiehtung des Plasmas, was z. B. in einer Verbreiterung des Ektoplasmas zum Ausdruck kam. Außerdem traten im Entoplasma stärkere Entmischungserscheinungen auf, wie aus der Vakuolisierung zu schließen war. Dieses unterschiedliche Verhalten ist auf der Grundlage der Haftpunkttheorie von F~E:~- WYSSLIXG mit der Annahme zu erklären, daß Ca++-Ionen einerseits in den Begrenzungsschichten hauptvalent in das Eiweißmicellargerüst ein- gebaut werden, während sie im entoplasmatischen Reticulum neben- valeng an die Sei~enketten gebunden sind. Die Verflüssigung erkl/~rt sich durch die gerade den Ca++-Ionen eigene große Hydra~ationsschieht, die die bereits bestehende Solvat- bzw. Hydratationshü]]e der Kolloide vergrößert.

16 M. GERSCH und R. DEVSE :

Die Änderungen des submikroskopischen Gefüges am Plasma der Amöben nach Behandlung mit Vitamin K weisen sehr deutlich auf die eingetretenen Gerinnungserscheinungen hin. Offenbar wird der für die normale Fließbewegung wichtige Prozeß der Umwandlung von Ento- plasma zu Ektoplasma und umgekehrt gestört. Das Ektoplasma kann sich durch die Vitamin-K-Einwirkung nur schwer wieder in Entoplasma umwandeln. Hierfür sprechen neben anderen Erscheinungen besonders die starke Verbreiterung des Ektoplasmasaumes.

Aus der elektronenmikroskopischen Untersuchung des Amöben- plasmas ergab sich schließlich auch der Ansatz für die Erklärung des zuni~ehst überraschenden Befundes über die Wirkung beider Faktoren zusammen. Wie die GegenübersteUung ,Normalbild" und ,Ca ++- Vitamin-K-Bild" deutlich zeigt, wird das normalerweise vorhandene fibrill~re Grundgerüst in ein Reticulum aus dichten Einheiten globul~rer bis granuli~rer Zusammensetzung umgewandelt. Mit der Verkürzung der Eiweißfibrillen ist zwangsl/~ufig eine Verringerung der Haftpunkte ver- bunden. In Verbindung mit der Rednktion des Plasmalemmas und der Vacuolen bedeutet dies eine Viscosit~tserniedrigung. Damit ist aber auch das wieder erreichte normale Bewegungsvermögen zu erklgren. Für die Richtigkeit dieser Auffassung kann die in Zentrifugierungsversuehen ermittelte Tatsache angeführt werden, daß die Viseositgt der ,Ca++- Vitamin-K-Amöben" niedriger als die normaler Amöben ist.

Die Ergebnisse unserer Untersuchungen an Amöben haben, wie ein- gangs erwiihnt, zu den Versuchen an der Muskelzelle angeregt. Das prinzipielle gleichartige Verhalten von Amöbenplasma und Muskelplasma gegenüber Ca ++, Vitamin K und insbesondere auch gegenüber der Kombination beider Faktoren berechtigt zu der Vermutung, daß die kol]oidalen Veriinderungen in beiden F~llen ghnlich sind. Die für das Verhalten des Amöbenplasmas erörterte Deutung dürfte damit auf die Muskelzelle übertragen werden können. Das heißt, die am Muskel durch Vitamin K und Ca++-Ionen erzielten Effekte sind ebenfalls damit erklgrbar, daß der durch Ca++-Ionen verursachten ttydratisierung des Plasmas die dehydratisierende Wirkung von Vitamin K entgegenwirkt. Höhere Ca++-Konzentrationen allein bedingen Gelation, und Vitamin K allein verursacht Gerinnung des Plasmaeiweißes. Zugleich ergeben sich damit Hinweise über kolloidale Zustandsi~nderungen, die mit der Muske]kontraktion ablaufen.

Zusammenfassung Es wurde der Einfluß von Ca++-Ionen, Vitamin K und die Kombi-

nation beider Faktoren auf den quergestreiften Muskel vom Frosch (Ske]etmuskel und Herzmuskel) nach elektrischer Reizung untersucht. Sowohl durch Vitamin K als auch durch Ca++-Ionen l~ßt sich eine

Wirkung von gerinnungsfördernden Faktoren auf Skelet- und Herzmuskel 17

Vergrößerung der Ampl i tude des sich kont rah ie renden Muskels erzielen. Die K o m b i n a t i o n beider Fak to ren führ t jedoch nicht zu ihrer Summie-

rung, sondern zur gegenseitigen Kompensa t ion . Die am Muskel fest- gestell ten Reak t ionen lassen sich in Parallele zu Versuchsergebnissen am Plasma von Amoeba proteus mit kolloidalen Zustands/~nderungen der Plasmaeiweiße deuten, die durch die angewandten Fak to ren ausgelöst werden.

Literatur

DEL~ZE~~E, C.: Arch. physiol, norm. et pathoL [5], 9, 333 (1897). - - FREY- W¥SSLrNG, A.: Submicroscopic morphology of pro~plasm. Amsterdam-ttouston- London-NewYork 1 9 5 3 . - Gv.Rsc~, M., H. F~A~K~ u. R. D~tTs~: Protoplasma (im Druck). - - ttE~BRV~~¢, L. V. : The Dynamics of living protoplasm. New York 1956. - - I-IExr.BI~V~~¢, L. V., and F. J. WXE~Cl~SKI: J. Cellular a. Comp. Physiol. 29, 15 (1947). - - KRAvs, F., u. H. J. F~c~s: Z. exper. Med. 68, 245 (1929). - - LeEr, L.: Chem. Physiol. u. Patho]. 6, 260 (1905); 8, 67 (1906). - - SCm~IDT, A.: Zur Blut]ehre. Leipzig 1892. - - TORDA, A. , and H. G. WOLFF: Proc. Sec. Exper. Biol. a. Med. 57 (2), 236 (1944). - - WIE~cI~sKI, F. J., and B. A. COOKSON: Federat. Proe. 8, 165 (1949). - - WooDw~a~D, A. A.: Biol. 33ull. 97, 264 (1949).

Prof. Dr. M. GERSe]L Zoologisches Institut Jena, Erbertstr. 1

Pflügers Arch., Bd. 265 2