Die neuromuskuläre Erregungsübertragung ist ein fundamentaler physiologischer Prozess, der die willkürliche Steuerung der Skelettmuskulatur ermöglicht. Sie basiert auf der Funktion der motorischen Endplatte, einer spezialisierten Synapse zwischen einer motorischen Nervenzelle und einer Muskelfaser. Fehler an dieser kritischen Schnittstelle können jedoch schwerwiegende Muskelfehlfunktionen hervorrufen. Dieser Artikel beleuchtet detailliert den Aufbau, die Funktion und die Beeinflussung der motorischen Endplatte sowie die klinische Relevanz von Endplattenerkrankungen.
Einführung in die neuromuskuläre Erregungsübertragung
Die neuromuskuläre Erregungsübertragung ist der Prozess, durch den ein Aktionspotential von einem Motoneuron auf eine Muskelfaser übertragen wird, was letztendlich zur Muskelkontraktion führt. Dieser Vorgang ist essenziell für alle willkürlichen Bewegungen des Körpers. Die motorische Endplatte spielt hierbei eine zentrale Rolle als Vermittler zwischen Nerven- und Muskelzellen.
Reize, die auch Erregungen genannt werden, können beispielsweise durch die Sinneseindrücke (sehen, riechen, fühlen, schmecken, hören) entstehen. Diese werden von ihrem Entstehungsort (z.B. dem Finger) bis zum Gehirn transportiert. Dafür nutzt der Körper sogenannte Nervenzellen, die an Ihren Enden die Synapsen aufweisen. Diesen kommt die spezielle Aufgabe zu, den jeweiligen Reiz an die nächste Zelle zu übergeben.
Aufbau der motorischen Endplatte
Die motorische Endplatte stellt eine Synapse zwischen der Nervenzelle (Neuron) und einer Muskelzelle dar. Es handelt sich dabei immer um die Muskelzellen eines Skelettmuskels. An glatten Muskelzellen findet keine Erregungsübertragung über eine motorische Endplatte statt. Dazu gehören beispielsweise die glatten Muskelzellen des Darms. Die motorische Endplatte wird auch als neuromuskuläre Synapse bezeichnet. Es handelt sich dabei immer um motorische Nervenzellen, die efferente Eigenschaften besitzen.
Die motorische Endplatte ist genauso aufgebaut, wie eine „normale“ Synapse. Die Hauptfunktion der motorischen Endplatte lässt sich leicht anhand ihrer Lage herleiten: Sie ermöglicht die Übertragung eines Aktionspotenzials von einem alpha-Motoneuron auf eine Muskelfaser.
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Präsynapse
Die Präsynapse ist der Anteil der Synapse, welcher durch das an der motorischen Endplatte beteiligte Neuron gebildet wird. Am präsynaptischen Axon läuft ein elektrisches Signal bis zum Endknöpfchen. Bis hier ist alles genauso wie in der normalen Erregungsübertragung an einer Nervenzelle.
Zunächst erreicht ein Aktionspotential das Endknöpfchen / Sohlenplatte der Nervenzelle. Darunter verstehst du eine Abweichung der Spannung von der im Ruhezustand (Ruhepotential). Daraufhin öffnen sich Calciumionenkanäle. Somit kommt es zur Freisetzung des Neurotransmitters Acetylcholin aus den Vesikeln in den synaptischen Spalt. Dazu verschmelzen die Vesikel mit der Membran.
Der präsynaptische Neurotransmitter, also Botenstoff, der durch ein Signal in den synaptischen Spalt abgegeben wird, ist immer der Transmitter Acetylcholin, kurz ACh. Die Neurotransmitter sind in Vesikeln gespeichert. Sie laufen durch das eintreffende Aktionspotential in Richtung des synaptischen Spalts. Hier wird im Anschluss durch die sich öffnenden Vesikel der Neurotransmitter frei. Dieser gelangt dadurch in die Synapse. Die Membran des Endknöpfchens ist mehrmals eingefaltet, sodass durch diese Oberflächenvergrößerung mehr Vesikel andocken. Somit können mehr Neurotransmitter in kurzer Zeit in den synaptischen Spalt abgegeben werden. Eine solche Auffaltung zur Oberflächenvergrößerung ist nicht nur an der Synapse im menschlichen Körper zu finden.
Die Moleküle können dann von der Präsynapse wieder aufgenommen und recycelt werden. bildet daraus neues Acetylcholin und verpackt es wieder in Vesikel.
Synaptischer Spalt
Von dort aus kann es bei Bedarf auf einen Reiz hin in den etwa zehn bis 50 Nanometer breiten synaptischen Spalt freigesetzt werden.
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Im synaptischen Spalt lässt sich außerdem die ACh-Esterase auffinden. Dies ist ein Enzym, welches den präsynaptischen Neurotransmitter spaltet, nachdem er an der Postsynapse angedockt ist. Die gespaltenen Teile werden vom synaptischen Spalt aus zurück in die Präsynapse befördert. Dort werden sie einem Recycling unterzogen. Die Stoffe befinden sich nach dem fertigen Recycling wieder in den präsynaptischen Vesikeln.
Postsynapse
Wie oben schon erwähnt, ist die Postsynapse der zur Muskelzelle gehörige Anteil der motorischen Endplatte. Genauer gesagt ist die Postsynapse ein Anteil an deren Membran. Die gesamte Membran der Muskelzellen bezeichnet man als Sarkolemm. Dabei kann jedes Endknöpfchen der Nervenzelle ein Signal an jeweils eine Membran gleichzeitig abgeben.
Nachdem sich der Transmitter zur postsynaptischen Membran bewegt hat, kann er dort an spezifische - sogenannte nikotinerge Acetylcholin-Rezeptoren - binden. Du bezeichnest die Art von Rezeptor als ionotrop. Das bedeutet, dass er gleichzeitig auch einen Ionenkanal bildet. (positive Ionen). Ein sogenanntes Endplattenpotential entsteht und breitet sich aus. Der Neurotransmitter Acetylcholin löst sich nach einer Weile wieder von seinem Rezeptor.
Auch diese ist aufgefaltet und in ihrer Membran befinden sich viele Rezeptoren für das präsynaptische ACh. Wenn dieses an die Membran andockt, öffnen sich ligandengesteuerte Natriumkanäle und die Postsynapse wird depolarisiert. Ligandengesteuert bedeutet, dass der Kanal der Membran einen bestimmten Stoff benötigt, der spezifisch an ihn andockt. In diesem Fall ist der Ligand das ACh oder Nikotin, welches den Kanal hemmen kann.
Funktion der motorischen Endplatte: Erregungsübertragung im Detail
Die Hauptfunktion der motorischen Endplatte besteht darin, Nervensignale in Muskelkontraktionen umzuwandeln. Sie ermöglicht die Übertragung von elektrischen Impulsen vom motorischen Neuron auf die Muskelzelle durch die Freisetzung von Acetylcholin, das an Rezeptoren bindet und eine Kette von Ereignissen auslöst, die zur Muskelkontraktion führen.
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Wie du schon erfahren hast, strömt Natrium in die Postsynapse. Dies geschieht, nachdem ACh an die Kanäle angedockt hat. Nun wird in der Muskelzelle ein sogenanntes Endplattenpotential, kurz EPP, ausgelöst. Dabei wird die Postsynapse depolarisiert, ihr Membranpotential wird positiver. Dies löst ab einem Wert von ungefähr 50mV ein Aktionspotential im Muskel aus. Das Potential breitet sich dann über den Muskel aus. Dabei öffnen sich zur Erregungsweiterleitung weitere Natriumkanäle. Diese Ausbreitung wird auch als elektromechanische Kopplung bezeichnet, da hierbei ein elektrisches Signal in eine mechanische Aktion umgewandelt wird.
An der Muskelzelle wird durch die Erregung der motorischen Endplatte und des EPP das Sarkolemm, also die Membran der Muskelzelle, durchlässiger für Natrium. Das Muskel Aktionspotential, welches somit ausgelöst wird, hält bis zu 10 Millisekunden an. Damit ist es positiver als ein normales Aktionspotential zwischen zwei Nervenzellen. Es bewirkt eine Kontraktion der Muskelfaser, womit die neuromuskuläre Kopplung des Muskels und der motorischen Endplatte abgeschlossen ist.
Die Rolle von Acetylcholin
Für diesen Prozess ist ein spezieller Neurotransmitter notwendig. Im Falle der motorischen Endplatte handelt es sich dabei um Acetylcholin. Acetylcholin wird zunächst in Vesikeln an der präsynaptischen Membran gespeichert. Diese Rezeptoren sind jedoch gleichzeitig auch Ionenkanäle, weshalb eine Bindung von Acetylcholin zum Einstrom von Kationen (=positive Ionen) in die Muskelzelle führt. Nach diesem Vorgang löst sich Acetylcholin wieder von seinem postsynaptischen Rezeptor und verbleibt frei im synaptischen Spalt. Das Enzym Aceteylcholinesterase baut den Neurotransmitter schließlich in die beiden Bestandteile Cholin und Essigsäure (Acetat) ab, was die Wirkung beendet.
Solange Acetylcholin im synaptischen Spalt vorhanden ist, findet die Reizweitergabe statt. Das Enzym Cholinesterase baut den Neurotransmitter ab, indem es ihn in seine Bestandteile Acetat und Cholin spaltet, und stoppt so die Weitergabe der Erregung. Acetat und Cholin werden zur präsynaptischen Membran zurückgeführt, wieder im Endknöpfchen aufgenommen und durch das Enzym Cholinacetyltransferase zu Acetylcholin verbunden. Es steht für die nächste Erregungsweiterleitung zur Verfügung.
Motorische Einheit
Der Begriff der motorischen Einheit wird oftmals im Zusammenhang mit der motorischen Endplatte erwähnt. Wichtig ist hier zu wissen, dass ein alpha-Motoneuron eine bestimmte Anzahl an Muskelzellen und Muskelfasern innerviert. Diese Gesamtheit der Muskelzellen, die von einem Nerv innerviert werden, wird als die motorische Einheit dieses Neurons bezeichnet.
Ein einzelnes Motoneuron innerviert mehrere verschiedene Muskelfasern (d. h. einzelne Muskelzellen). Die Gruppe von Muskelfasern, die von demselben Motoneuron innerviert werden, wird als motorische Einheit bezeichnet.
Beeinflussung der motorischen Endplatte
Normalerweise sorgt Acetylcholin an der motorischen Endplatte für die Signalübertragung. Bestimmte Substanzen können diese Wirkung jedoch manipulieren oder sogar komplett imitieren. Im klinischen Alltag äußern sich Manipulationen am System der motorischen Endplatte vor allem durch muskuläre Symptome.
Nikotin
So kann beispielsweise das in Tabakrauch enthaltene Nikotin ebenfalls an die postsynaptischen Kanäle der motorischen Endplatte andocken. Dadurch kommt es zur Blockade und das Acetylcholin kann nicht mehr wirken. Während Nikotin jedoch seine Blockadestellung mit der Zeit wieder verlässt, binden andere Stoffe permanent (irreversibel) an den nikotinischen Acetylcholin-Rezeptor.
Nikotin ist beispielsweise in Tabakrauch enthalten und kann so vom Körper aufgenommen werden. Damit kann das ACh aus den präsynaptischen Vesikeln nicht mehr anbinden, Nikotin hemmt die Rezeptoren der Membran. Damit verlangsamt es die Erregungsübertragung an der Membran auf die Muskelfaser, beziehungsweise Muskelzelle. Nikotin bleibt, im Gegensatz zu ACh, länger im synaptischen Spalt. Dies ist der Fall, da ACh schnell von synaptischen Spaltenzymen gespalten wird. In der präsynaptischen Zelle wird es nach dem Recycling in Vesikel verpackt. Dadurch, dass Nikotin länger im synaptischen Spalt verweilt und die Muskelzelle länger erregt wird, dauert die Repolarisation der Postsynapse länger. Dadurch hemmt Nikotin sozusagen die Zelle für eine bestimmte Zeit.
Botulinumtoxin (Botox)
Hierzu zählt beispielsweise das Botulinumtoxin, besser bekannt unter dem Namen “Botox”. Auch Botulinumtoxin ("Botox") und andere Stoffe können in die Erregungsübertragung an der Muskelzelle an der Synapse eingreifen. Derartige Substanzen beeinflussen die Ausschüttung der ACh-gefüllten Vesikel oder die Vorgänge an der Postsynapse. Die Muskelfaser reagiert darauf entweder mit einer Entspannung (Relaxation) oder einer Anspannung (Kontraktion).
Im Falle von Botulinumtoxin wird die Ausschüttung von ACh unterbunden. Dadurch kommt es zu einer Hemmung der Erregungsweiterleitung und damit zur Relaxation kommt.
Acetylcholinesterase-Hemmer
Vermittelt wird sie durch Acetylcholinesterase-Hemmer, die unter anderem in einigen Pestiziden als Toxine vorkommen. Solche Toxine blockieren die Funktion von AChE, dem Enzym, das normalerweise für den Abbau von ACh im synaptischen Spalt verantwortlich ist. Die Blockierung des Abbaus von ACh führt zu anhaltenden Kontraktionen.
Krankheiten der motorischen Endplatte (Endplattenerkrankungen)
Krankheiten aufgrund von pathologischen Veränderungen an der motorischen Endplatte bezeichnet man auch als “Endplattenerkrankungen”. In der Neurobiologie ist das Verständnis der Grundlagen die Basis für mögliche Therapieansätze bei einer Erkrankung.
Myasthenia gravis
Ein Beispiel hierfür ist etwa die Myasthenia gravis. Bei dieser Autoimmunerkrankungen blockieren und zerstören Antikörper den nikotinischen Acetylcholin-Rezeptor auf der Postsynapse. Auch beim Lambert-Eaton-Syndrom stören Antikörper die Funktion an der Synapse zwischen Nerv und Muskelzelle.
In der Neurobiologie wird als Myasthenia gravis eine Störung an der neuromuskulären Endplatte bezeichnet. Hierbei wird der ACh-Rezeptor an der Membran der Postsynapse durch Autoantikörper besetzt. Autoantikörper sind Antikörper, die sich gegen den eigenen Körper und dessen Strukturen richtet. Die Erkrankungen, die daraus resultieren, heißen Autoimmunerkrankungen. Durch die Besetzung der Membran mit Autoantikörpern kann das Aktionspotential an der Muskelfaser schlechter ausgelöst werden. Merkmale für die Erkrankung sind in der Folge eine Belastungsschwäche der Muskeln. Dabei ist oftmals die Muskulatur der Mimik früh betroffen.
Myasthenia gravis: eine neuromuskuläre Autoimmunerkrankung, die durch Schwäche und schnelle Erschöpfung der Skelettmuskulatur gekennzeichnet ist. Bedingt ist sie durch Dysfunktion und/oder Zerstörung von ACh-Rezeptoren an der motorischen Endplatte verursacht wird. Dysphagie, Atembeschwerden und fortschreitende Schwäche der Gliedmaßen, die zu Bewegungseinschränkungen führen.
Lambert-Eaton-Syndrom
Beim Lambert-Eaton-Syndrom richten sich die Antikörper jedoch gegen Calcium-Kanäle in der Präsynapse, welche für die Vesikelfreisetzung kritisch sind. Da dadurch die Exozytose der Vesikel mit Acetylcholin behindert wird, tritt bei Betroffenen eine Skelettmuskelschwäche auf.
Die Rolle der motorischen Endplatte im Kontext der Muskelphysiologie
Die neuromuskuläre Kopplung, welche zum Ziel die Kontraktion des Muskels hat, setzt sich mit dem Endplattenpotential fort. Dieser Wert von rund 50mV sorgt dafür, dass sich spannungsgesteuerte Kanäle an der Muskelzelle öffnen. Damit wird die Zelle depolarisiert.
Überblick über die Muskelstruktur
Das Muskelgewebe ermöglicht jedem Organismus, gezielte Bewegungen auszuführen. Eine Kontraktion startet auf Sarkomerebene. … wieder zum Muskel zurück.
Struktur der Skelettmuskulatur: Bündel von Myofilamenten (Aktin und Myosin) bilden Myofibrillen. Es gibt mehrere Myofibrillen innerhalb einer einzelnen Muskelfaser (die eine einzelne Muskelzelle ist). Eine Muskelfaser ist von einer spezialisierten Zellmembran, dem Sarkolemm, umgeben. Mehrere Muskelfasern bilden ein Muskelfaserbündel und mehrere Muskelfaserbündel bilden den vollständigen Skelettmuskel. Proteine und Peptide, die zusammen eine Muskelkontraktion bewirken.
Struktur von Aktin (dünnes Filament) und Myosin (dickes Filament): Sichtbar ist der kugelförmige Kopf am Myosin. Die gelben Punkte auf dem Aktin stellen die Myosinbindungsstellen dar, die im Ruhezustand von Tropomyosin bedeckt sind. Troponine besitzen Ca2+-Bindungsstellen und induzieren, wenn Ca2+ vorhanden ist, eine Konformationsänderung im Troponin-Tropomyosin-Komplex, wodurch die Myosin-Bindungsstellen auf Aktin freigelegt werden. Wenn Myosin Aktin binden kann und ATP-Energie vorhanden ist, kommt es zu Muskelkontraktionen.
Die Myofibrillen sind in einem Muster organisiert, das bei Betrachtung unter dem Mikroskop verschiedene Banden und Zonen erzeugt. Diese Banden werden durch überlappende Aktin- und Myosinstränge erzeugt.
Transversale Tubuli (T-Tubuli) und ihre Assoziation mit dem sarkoplasmatischen Retikulum (SR): Man sollte sich merken, dass die T-Tubuli durch das Sarkolemm treten und direkt Kontakt zu den terminalen Zisternen des SR führen. Ein T-Tubulus bildet mit den flankierenden Zisternen kreisförmig eine sogenannte Triade.
Muskelkontraktion und Querbrückenzyklus
Muskelphysiologie der glatten Muskulatur ist der Prozess, bei dem sich Myosin und Aktin aneinander bewegen, das Sarkomer verkürzen und Muskelkontraktionen verursachen.
Querbrückenzyklus: Die Myosin-Bindungsstelle auf Aktin wird freigelegt, wenn Ca2+ an Troponin bindet. ATP bindet an das Myosinköpfchen. Die Myosin-ATPase hydrolysiert das ATP zu ADP und Phosphat, wodurch das Myosinköpfchen in eine gespannte Position gebracht wird. Wenn ADP und Phosphat noch gebunden sind und der Kopf geneigt ist, kann Myosin an die aktiven Zentren des Aktins binden und eine Querbrücke bilden. Das ADP und Phosphat werden freigesetzt und die gespeicherte potentielle Energie wird freigesetzt, wodurch der Kraftschlag erzeugt wird: Das Myosinköpfchen kehrt in seine gebeugte Position zurück und zieht das Aktinfilament mit sich. Neues ATP bindet, wodurch das Myosinköpfchen vom Aktin gelöst wird und der Zyklus von vorne beginnt. Dieser Prozess ermöglicht es dem Myosin, entlang des Aktinfilaments zu „laufen“, was die Verkürzung des Sarkomer bewirkt.
Die Ruhelänge des Sarkomers hat einen direkten Einfluss auf die Kraft, die bei der Verkürzung des Sarkomers entsteht. Dies wird als Kraft-Längen-Beziehung bezeichnet.
Ca2+-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum
Physiologie der Ca2+-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum als Reaktion auf ein Aktionspotential: Ein Aktionspotential wandert die T-Tubuli entlang und errregt die spannungsabhängigen Dihydropyridin-Rezeptoren (DHPR) aus. Diese DHPRs sind mechanisch an Ryanodin-Rezeptoren gebunden, die normalerweise die Ca2+-Kanäle geschlossen halten. Wenn DHPRs durch ein Aktionspotential stimuliert werden, verdrängen sie die Ryanodin-Rezeptoren von den Kanälen, wodurch Ca2+ aus dem sarkoplasmatischen Retikulum in das Sarkoplasma strömen kann. Dort kann es an Troponin binden und die Muskelkontraktion stimulieren. Dantrolen bindet an Ryanodin-Rezeptoren und verhindert so die Freisetzung von Ca2+ und die Muskelkontraktion.
Energieversorgung der Muskelkontraktion
ATP ist die notwendige Energiequelle, um die Kraftschläge und somit eine Muskelkontraktion zu erzeugen. Die Konzentration von ATP in der Muskelfaser reicht lediglich aus, um die volle Kontraktion für 1 bis 2 Sekunden aufrechtzuerhalten.
Elektromyographie (EMG)
Elektromyographie (EMG): ein diagnostisches Verfahren, das die Muskelaktivierung als Reaktion auf neuronale Aktivität beurteilt.
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