Grundlagen des Aktionspotentials und der Muskelphysiologie

Aktionspotential

Das Aktionspotential beschreibt eine elektrische Änderung, die nur in erregbaren Zellen wie Neuronen und Muskelzellen erfolgen kann.

Betrieb der Neuronen

Die Erregung erfolgt über die Dendriten oder das Soma, wobei die Informationen über das Axon weitergeleitet werden. Viele Axone sind von Schwann-Zellen (Myelinisierung) umgeben. Bei Nervenfasern beziehen wir uns auf Axone, bei Muskelfasern auf Muskelzellen.

Schwann-Zellen bilden eine diskontinuierliche Hülle um das Axon. Neuronen verfügen über verschiedene transmembrane Transportproteine:

• Spannungsgesteuerte Kanäle: Öffnen oder schließen sich in Abhängigkeit von der elektrischen Potentialdifferenz.
• Chemisch gesteuerte Kanäle: Öffnen oder schließen sich bei Bindung chemischer Botenstoffe.
• Passive Kanäle: Ermöglichen eine ständige Diffusion.

Aktionspotential-Mechanismus

Die spannungsgesteuerten Na⁺- und K⁺-Kanäle sind für die Entstehung des Aktionspotentials verantwortlich:

• Depolarisation: Bei Erreichen des Schwellenpotentials öffnen sich die Na⁺-Kanäle schnell, gefolgt von einer langsameren Aktivierung der K⁺-Kanäle.
• Repolarisation: Die Na⁺-Kanäle inaktivieren sich rasch, während die K⁺-Kanäle offen bleiben, sodass K⁺ aus der Zelle strömt und das Ruhepotential wiederhergestellt wird.
• Hyperpolarisation: Wenn K⁺-Kanäle nach der Repolarisation kurzzeitig offen bleiben, sinkt das Potential unter den Ruhewert.

Refraktärzeiten

• Absolut: Keine Erregung kann eine neue Depolarisation auslösen.
• Relativ: Tritt während der Hyperpolarisation auf.

Sarkolemm (Muskelzellmembran)

Das Sarkolemm besteht aus zwei Hauptelementen:

• Inneres Plasmalemm: Eine Lipid-Doppelschicht, die für Aktionspotentiale erregbar ist.
• Basalmembran: Besteht aus der Lamina lucida (intern) und der Lamina reticularis (extern).

Funktionen

• Verbindung von Endomysium, Motoneuronen und Sehnen.
• Regeneration der Muskelfasern.
• Feedback von der motorischen Endplatte.
• Enthält Acetylcholinesterase (AChE).

Myofibrillen

Myofibrillen bestehen aus dunklen und hellen Streifen. Das Sarkomer ist der Abstand zwischen zwei Z-Linien.

Filament-Struktur

• Dicke Filamente (Myosin): Bestehen aus zwei schweren Ketten (Köpfe und Schwänze) und vier leichten Ketten. Titin ist ein komplexes Protein, das in der Z-Linie verankert ist und für die elastische Rückstellung nach Dehnung sorgt.
• Dünne Filamente:
  • Aktin: Kugelförmige Proteine in Reihen angeordnet.
  • Tropomyosin: Bedeckt die aktiven Zentren des Aktins.
  • Troponin: Besteht aus drei Untereinheiten (Troponin I: Inhibitor, Troponin C: Calcium-Bindung, Troponin T: Bindung an Tropomyosin).

Sarkoplasmatisches Retikulum

Es handelt sich um eine Invagination der Membran im Sarkoplasma, die ein Netzwerk um jede Myofibrille bildet.

Struktur und Funktion

• Terminalzisternen: Befinden sich beidseitig der Z-Linie. Sie dienen als Calcium-Reservoir und enthalten Ryanodin-Rezeptoren (RR).
• Längs- und Quer-Tubuli: Reich an Calcium-Pumpen.
• T-Tubuli: Invaginationen des Plasmolemms auf Höhe der Z-Linien. Ein T-Tubulus bildet zusammen mit zwei Terminalzisternen eine Triade.