Elektrische Synapsen im Skelettmuskel: Eine umfassende Betrachtung

Die Reizweiterleitung im Nervensystem ist ein komplexer Prozess, der elektrische und chemische Potenziale nutzt, um in Sekundenbruchteilen Reaktionen zu ermöglichen. Ein Reiz kann unterschiedlicher Natur sein, wie Temperaturveränderungen, visuelle Reize oder Schmerz. Die Reizaufnahme erfolgt über die Dendriten der Neuronen. Der Axonhügel sammelt die eingehenden elektrischen Potenziale, und nur bei Überschreiten einer bestimmten Potenzialschwelle wird das Signal an das Axon weitergeleitet. Dies dient als Schutzmechanismus, um Reizüberflutung zu verhindern.

Grundlagen der Reizweiterleitung im Nervensystem

Viele Axone im peripheren Nervensystem sind durch Schwann-Zellen elektrisch isoliert. Diese Isolierung ist nicht durchgängig; die freien Abschnitte werden Ranviersche Schnürringe genannt und ermöglichen eine schnelle, saltatorische Erregungsleitung. Im Ruhezustand herrscht eine spezifische Ionenverteilung: hohe Kaliumionen-Konzentration (K+) und organische Anionen im Zellinneren, während außerhalb überwiegend Natrium- (Na+) und Chloridionen (Cl-) vorhanden sind. Dieses Gleichgewicht wird durch verschiedene Transportmechanismen aufrechterhalten (Ruhepotential).

Bei einem elektrischen Impuls öffnen sich Natriumkanäle, und Natriumionen strömen ins Zellinnere, wodurch sich die Ladung umkehrt und der Impuls entlang des Axons transportiert wird. Am synaptischen Endknöpfchen wird der elektrische Impuls in ein chemisches Signal umgewandelt.

Synapsen: Die Schaltstellen der Reizübertragung

Eine Synapse sorgt für die Reizweiterleitung von einem Neuron zum nächsten, wobei eine Umwandlung von elektrischer in chemische Information erfolgt. Sie bildet das Verbindungsstück, über das eine Nervenzelle mit anderen Zellen in Kontakt steht. Ein typisches Beispiel ist die neuromuskuläre Synapse an der motorischen Endplatte des Axons, die das Axon eines Muskelneurons mit einer Muskelfaser verbindet. Interneuronale Synapsen können zwischen Axon, Dendriten und Somata bestehen.

Je nach Funktionalität unterscheidet man zwei Typen von Synapsen: chemische und elektrische Synapsen.

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Chemische Synapsen

Die Erregungsübertragung erfolgt durch Neurotransmitter, chemische Botenstoffe. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Diese Synapse herrscht bei Säugetieren vor.

Elektrische Synapsen

Die Erregungsübertragung erfolgt an zwei eng aneinanderliegenden Membranen über spezielle Ionenkanäle, den Konnexionen. Es findet ein direkter Austausch von Ladungsträgern statt, die zur Erzeugung eines Aktionspotentials führen. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Diese Synapsen finden sich überall dort, wo eine besonders rasche Reizübertragung notwendig ist.

Der Ablauf an der Synapse im Detail

1. Das Endknöpfchen enthält Vesikel mit Neurotransmitter (z.B. Acetylcholin).
2. Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran, was zu einer Spannungsänderung führt.
3. Spannungsabhängige Calciumkanäle (Ca2+) öffnen sich.
4. Ca2+-Ionen strömen in das Endknöpfchen, was zu einer Depolarisation der Membran führt.
5. Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel wandern zur Präsynapse und verschmelzen mit der Membran. Ihr Inhalt wird in den synaptischen Spalt freigesetzt.
6. Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
7. Der Neurotransmitter bindet an Rezeptoren der postsynaptischen Membran und ruft eine spezifische Wirkung hervor.
8. Ein spezielles Enzym baut den Transmitter ab. Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in Acetat und Cholin gespalten.
9. Die Produkte der Spaltung diffundieren zurück in die Präsynapse und werden dort aktiv aufgenommen.
10. Acetat und Cholin werden im Endknöpfchen wieder zu Acetylcholin regeneriert.

Es gibt zwei Haupttypen von Rezeptoren:

• Ionotrop: Der Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der gleichzeitig als Ionenkanal fungiert. Dieser Ionenkanal öffnet sich und lässt Ionen einfließen.
• Metabotrop: Der Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der das Signal weitergibt, welches zur Bildung eines Second Messengers führt. Dieser Second Messenger führt zu einem Effekt, z.B. Einbau von bestimmten Ionenkanälen.

Calciumionen-Einstrom führt zur Ionenveränderung und damit zur Signalweitergabe.

Informationsübertragung am Endköpfchen des Neurons

Die klassische Synapse ist die Acetylcholin-abhängige Synapse. Acetylcholin führt zur Öffnung von acetylenabhängigen Kanälen an der Postsynapse, die zu einem Natriumeinstrom und einer Depolarisation dort führen. Bei einer neuromuskulären Synapse führt der Transmitter zur Erregung der verbundenen motorischen Endplatte und damit zu einer Muskelkontraktion. Pro Neuron gibt es ca. 1.000 bis 10.000 Synapsen. Ionotrope Rezeptoren sind gleichzeitig Ionenkanäle, z.B. Acetylcholinrezeptoren.

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Das elektrische Signal wird in der präsynaptischen Membran in ein chemisches Signal umgewandelt. Wenn ein Aktionspotential die Membran des synaptischen Endknöpfchens depolarisiert, erfolgt der Einstrom von Calciumionen. Dies löst die Fusion der synaptischen Vesikel mit der Synapsenmembran (präsynaptische Membran) aus. Die Vesikel setzen enthaltene Neurotransmitter frei, die über den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran diffundieren. Dort binden sie an bestimmte Rezeptoren und öffnen dadurch spezielle Ionenkanäle (z.B. Natrium-Kanäle). Dies ermöglicht den Einstrom von Natriumionen und damit die Depolarisation der postsynaptischen Membran. Enzymatischer Abbau des Neurotransmitters führt zum Abbruch der Signalweitergabe.

Die Frequenz des Aktionspotentials und damit die Stärke des ursprünglichen Reizes wird durch die Konzentration der Neurotransmitter weitergegeben. Die Einzelsubstanzen des Neurotransmitters werden zur präsynaptischen Membran zurücktransportiert, in das Endknöpfchen aufgenommen, in den ursprünglichen Zustand zurückverwandelt und erneut verwendet. Neben Acetylcholin wird eine Reihe weiterer Neurotransmitter im ZNS (zentralen Nervensystem) benutzt. Ihre Wirkungsweise ist je nach Zelltyp, in dem sie vorkommen, unterschiedlich. Des Weiteren hängt sie maßgeblich von der Rezeptorfunktion ab.

Die in der postsynaptischen Membran eingelagerten Ionenkanäle sind zumeist ligandabhängig (ionotrop). Der Ligand (hier Neurotransmitter) bindet an den Kanal. Erst wenn Neurotransmitter gebunden wurde, öffnet der Kanal und es kommt zum Einstrom der für diesen Kanal spezifischen Ionenart. Mikroskopische Untersuchungen zeigen eine klare Unterscheidung der Muskelzellen in quer gestreifte Muskelfasern, glatte Muskelzellen und Herzmuskelzellen.

Muskelgewebe: Vielfalt und Funktion

Muskelzellen sind zur Kontraktion befähigte Zellen, welche den tierischen Lebewesen die aktive Körperbewegung (Fortbewegung) ermöglichen. Ontogenetisch entstammen sie meist dem Mesoderm. Bei den Hohltieren treten sie noch als punktuell vereinzelte Zellen auf, bei den höher entwickelten Tieren bildet die Muskulatur einen eigenen Gewebetyp. Es gibt drei Haupttypen von Muskelgewebe:

• Quer gestreifte Muskulatur (Skelettmuskulatur)
• Glatte Muskulatur
• Herzmuskulatur

Quer gestreifte Muskulatur (Skelettmuskulatur)

Die Querstreifung ergibt sich aus der horizontal gleichen Anordnung von kontraktilen Elementen (Myofibrillen), die entweder einfach lichtbrechende oder doppelt lichtbrechende Eigenschaften besitzen. Quer gestreifte Muskelfasern haben mehrere Zellkerne, da viele Zellen miteinander verschmolzen sind. Sie sind in der Lage, gesteuert durch das Bewusstsein für kurze Zeit sehr starke Kräfte zu entwickeln.

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Die quer gestreifte Muskulatur ist die generelle Muskulatur von Wirbeltieren und dort als Skelett- und Herzmuskulatur ausgebildet. Sie stellt das höchstgeordnete kontraktile System unter allen Muskeltypen dar und vermag sich am raschesten zu kontrahieren, allerdings bei geringerem Verkürzungsgrad und in der Regel geringerer Dauerbelastbarkeit als glatte Muskulatur. Bei Gliederfüßern und Wirbeltieren setzt sie sich nicht aus Einzelzellen, sondern aus Muskelfasern zusammen.

Muskelfasern entstehen durch die Verschmelzung mehrerer Zellen zu einer Einheit und haben daher auch mehrere Zellkerne (keine echte Zellteilung). Sie können Längen bis zu mehreren Zentimetern haben. Ihr Durchmesser beträgt 0,01 bis 0,1 mm (10-100 µm). Im Sarkoplasma sind als kontraktile Eiweißstrukturen die Myofibrillen angeordnet. Die Myofibrillen bestehen aus Actin- und Myosinfilamenten, die sich in Längsrichtung abwechseln.

Die Querstreifung ergibt sich aus der horizontal gleichen Anordnung, von Myosin (stark doppelbrechend, anisotrope A-Bänder, dunkel erscheinend) und Actin (weniger doppelbrechend, isotrope I-Bänder, hell erscheinend). Die kleinste Einheit einer Myofibrille ist das Sarkomer. Es ist ca. 2 µm lang und wird beidseitig von der Z-Membran begrenzt. Die gesamte Muskelfaser ist von einem weitverzweigten Röhrensystem, dem Sarkoplasmatischen Retikulum (lat. kleines Netz) und dem T-System (transversales System: lat. querlaufend) durchzogen. Dieses Röhrensystem hat viele Ausbuchtungen (Zisternen). Es ist für die Erregungsübertragung und die Ca 2+ -Speicherung und -Freisetzung wichtig. Muskelfasern haben nur wenige Synapsen, die die Erregungsübertragung von den Motoneuronen sichern.

T-Tubuli und Sarkoplasmatisches Retikulum

Die von Bindegewebe umhüllten Muskelfasern mit Bündeln von Muskelfaszikeln innerhalb des größeren Muskels und einzelnen Muskelfasern, die innerhalb der Faszikel sichtbar sind. T-Tubuli Kanäle des Sarkolemms sind in direkten Kontakt mit den terminalen Zisternen des sarkoplasmatischen Retikulums.

Kontraktion der Skelettmuskelzellen

Die Kontraktion der Skelettmuskelzellen erfordert eine Stimulation durch ein Aktionspotential von Motoneuronen. An der neuromuskulären Endplatte setzt das Axonterminal Acetylcholin (ACh) frei.

Glatte Muskulatur

Glatte Muskelzellen bieten im Mikroskop ein einheitliches Bild. Es sind spindelförmige Zellen mit je einem Zellkern. Glatte Muskulatur kommt vor allem in Eingeweiden vor. Sie muss ständig in Bewegung sein, um beispielsweise den Nahrungsbrei in den Därmen weiterzutransportieren, braucht aber dafür nicht allzu kräftig zu sein. Sie wird auch unbewusste oder unwillkürliche Muskulatur genannt, da sie keiner direkten Steuerung durch das Bewusstsein unterliegt.

Glatte Muskulatur ist bis auf wenige Ausnahmen (z. B. Rädertiere) am einfachsten aufgebaut. Glatte Muskelzellen sind spindelförmige oder zylindrische Zellen mit einem zentral gelegenen länglichen Zellkern. Sie weisen keine Querstreifung auf, d. h. die kontraktilen Elemente (Actin und Myosin) sind nicht spezifisch angeordnet, sondern liegen ungeordnet vor. Glatte Muskelzellen haben eine Länge von 2 µm bis 20 µm, im Extremfall bis zu 80 µm. Aktin- und Myosin-Proteine sind in einem unregelmäßigen Muster angeordnet.

Es gibt zwei Haupttypen glatter Muskulatur:

• Single-unit-Typen: Enthalten mehr Gap Junctions, was ein kontinuierlicheres Kontraktionsmuster ermöglicht, z.B. in den Muskeln des GI-Trakts.
• Multiple-Unit-Typen: Sind einzelne Fasern mit minimalen Gap Junctions, was zu Zellen führt, die sich einzeln kontrahieren.

Herzmuskulatur

Herzmuskelzellen sind eine Sonderform der quer gestreiften Muskulatur. Im Gegensatz zur Skelettmuskulatur mit ihren vielkernigen, plasmaarmen Fasern (Plasmodien) besteht die Herzmuskulatur aus einem Netzwerk verzweigter, plasma- und mitochondrienreicher Einzelzellen mit je einem mittelständigen, von einem Plasmahof umgebenen Kern. Diese Struktur gewährleistet die durchgehende Dauerbelastung des Herzmuskels.

In der Herzmuskulatur lassen sich 2 „Fasertypen“ unterscheiden: die relativ fibrillenreiche, kurzfaserige Arbeitsmuskulatur (Myokard), welche gleichzeitig die Hauptmasse des Herzmuskels darstellt, und - zwischen diese eingebettet - Züge dickerer und längerer, extrem fibrillenarmer, aber plasmareicher Erregungsleitungsfasern (hissches Bündel, Purkinje-Fasern), die den Erregungs-Grundrhythmus auf die übrige Herzmuskulatur übertragen. Die Membranpotenziale dieser Erregungsleitungsfasern sind geringer, ihre Leitungsgeschwindigkeit ist höher als die der Arbeitsmuskulatur. Herzmuskelzellen bilden durch Verzweigung ein Zellennetz, das durch „Glanzstreifen“ in Abschnitte (0,05 bis 0,12 mm lang) unterteilt wird. Die Dicke der Herzmuskelfasern in den Ventrikeln ist größer als die der Fasern des Vorhofs. Dies hängt mit der Rolle der Ventrikel beim Pumpen von Blut durch das gesamte Herz-Kreislauf-System zusammen.

Organisationsformen der Muskelnfasern

Die Skelettmuskeln des Körpers kommen typischerweise in sieben verschiedenen allgemeinen Formen vor:

• Mehrbäuchig: Eingebaute Zwischensehnen im Muskel.
• Mehrköpfig: Mehrere Ursprünge enden in einem gemeinsamen Muskelansatz.
• Fusiform (spindelförmig): In der Mitte dick und an jedem Ende spitz zulaufend.
• Parallel: Gleichmäßige Breite paralleler Faszikel, die entlang der Längsachse eines Muskels verlaufen.
• Konvergent: Fächerförmig, mit breitem Ursprung und einem einzelnen Sehnenansatz.
• Einfach-gefiedert: Faszikel nähern sich alle der Sehne von derselben Seite.
• Zweifach-gefiedert: Faszikel nähern sich der Sehne von beiden Seiten.
• Mehrfach-gefiedert: Geformt wie ein Bündel Federn, das sich einer einzelnen Sehne nähert.
• Zirkulär: Schließmuskel oder Augenmuskeln.

Synzytien: Verschmelzung von Zellen zu Funktionseinheiten

Zellen bilden die grundlegenden Einheiten des Lebens, doch in bestimmten Geweben kommt es zur Verschmelzung einzelner Zellen zu größeren funktionellen Einheiten. Solche Strukturen werden als Synzytien bezeichnet. Sie ermöglichen spezialisierte Aufgaben, die durch einfache, einzeln agierende Zellen nicht in gleichem Maße erfüllt werden könnten. Ein Synzytium ist eine mehrkernige Zelleinheit, die durch die Fusion mehrerer ursprünglich eigenständiger Zellen entsteht. Diese Zellverschmelzung führt zu einem gemeinsamen Zytoplasma, in dem sich zahlreiche Zellkerne befinden. Morphologisch handelt es sich dabei um eine einzige, große Zelle ohne erkennbare Zellgrenzen im Inneren. Synzytien lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: anatomische und funktionelle Synzytien.

Anatomische Synzytien

Die Skelettmuskelfaser ist das klassische Beispiel eines anatomischen Synzytiums und besitzt eine enorme funktionelle Spezialisierung. Eine Skelettmuskelfaser ist eine zylindrische, langgestreckte Zelle mit einem Durchmesser von etwa 10 bis 200 Mikrometern und einer Länge von mehreren Millimetern bis zu mehreren Zentimetern. Die Zellkerne liegen peripher unterhalb der Plasmamembran, dem sogenannten Sarkolemm. Im Inneren dominieren die Myofibrillen, die längs durch die gesamte Faser verlaufen und in Sarkomere gegliedert sind. Jedes Sarkomer besteht aus einer hochgeordneten Anordnung dünner Aktin- und dicker Myosinfilamente. Diese Filamente gleiten während der Muskelkontraktion ineinander, wodurch sich das Sarkomer verkürzt. Die schnelle und koordinierte Kontraktion wird durch das sogenannte T-System ermöglicht, bestehend aus Transversaltubuli (T-Tubuli), die als Einstülpungen des Sarkolemms tief in die Muskelfaser hineinreichen. In engem Kontakt damit stehen die Terminalzisternen des sarkoplasmatischen Retikulums, die als Kalziumspeicher fungieren. Jede Muskelfaser ist von Bindegewebe umgeben, dem Endomysium. Mehrere Fasern bilden ein Bündel (Faszikel), umgeben vom Perimysium, während der gesamte Muskel vom Epimysium umschlossen ist.

• Erregungsübertragung in der Skelettmuskelfaser:
  1. Der elektrische Reiz des motorischen Neurons kommt an, wird an die Muskelfaser weitergeleitet und erreicht so die T-Tubuli.
  2. Depolarisierung der Membran beeinflusst die Konformation von Calciumkanalproteinen. Durch Konformationsänderung wird über direkten mechanischen Kontakt ein anderes Calcium-Kanalprotein (der Ryanodin-Rezeptor) in der Membran des sarkoplasmatischen Retikulums geöffnet.
  3. Dadurch strömen dann Calciumionen in das Zellinnere (Sarkoplasma = Zytoplasma).
  4. Nach Abklingen des nervösen Impulses befördern Calcium-Pumpen (unter ATP verbrauch) in den Membranen der Bläschen des sarkoplasmatischen Retikulum das Calcium zurück bis zur Auslösung des nächsten Zyklus. Im Ruhezustand bleibt das Calcium in den Bläschen des sarkoplasmatischen Retikulums (L-System) gespeichert.

Funktionelle Synzytien

Die Herzmuskulatur stellt ein typisches funktionelles Synzytium dar. Kardiomyozyten sind quer-gestreifte, verzweigte Zellen mit ein oder zwei zentral liegenden Zellkernen. Sie sind über sogenannte Glanzstreifen (Disci intercalares) miteinander verbunden, in denen sich Desmosomen, Fasciae adhaerentes und Gap Junctions befinden. Diese synzytiale Organisation erlaubt eine nahezu gleichzeitige Depolarisation großer Zellverbände. So kann das Herz koordiniert kontrahieren und Blut effizient durch den Kreislauf pumpen. Es lassen sich zwei funktionelle Synzytien unterscheiden: das atriale und das ventrikuläre Synzytium. Störungen im funktionellen Synzytium der Herzmuskulatur, etwa durch Verlust von Gap Junctions, können zu Arrhythmien oder Herzinsuffizienz führen.

Weitere Beispiele für funktionelle Synzytien sind:

• Osteoklasten: Große, mehrkernige Zellen des Knochens, die für die Resorption der Knochenmatrix verantwortlich sind.
• Synzytiotrophoblast: Ein echtes Synzytium, das im Rahmen der Embryonalentwicklung aus dem Zytotrophoblasten hervorgeht und den Stoffaustausch zwischen Mutter und Fetus kontrolliert.
• Mesangiumzellen: Befinden sich im Zentrum des Nierenkörperchens (Glomerulum) und spielen eine wichtige Rolle bei der strukturellen Stabilisierung und Regulation der glomerulären Filtration.
• SIP-Synzytium (Schrittmacherzellen, Interstitielle Zellen von Cajal und Glatte Muskelzellen): Diese drei Zelltypen interagieren eng miteinander über Gap Junctions und bilden ein funktionelles Synzytium, das die Motilität des Darms koordiniert.

Pathologische Synzytien

Neben physiologischen Synzytien gibt es auch pathologische Formen, die vor allem im Zusammenhang mit Virusinfektionen auftreten. Hierbei führen virale Fusionsproteine zur Zellverschmelzung. Das Respiratorische Synzytial-Virus (RSV), das vor allem bei Kleinkindern gefährliche Atemwegserkrankungen verursachen kann, trägt seinen Namen aufgrund seiner Fähigkeit, Synzytien im respiratorischen Epithel zu bilden. Diese pathologischen Synzytien führen häufig zur Zerstörung des umgebenden Gewebes, zur Schwächung der Immunantwort und zu chronischen Entzündungen.

Künstliche Synzytien

Auch im Bereich der experimentellen Zell- und Entwicklungsbiologie spielt das Konzept der Zellfusion eine zunehmende Rolle. Ein bedeutender Forschungsansatz besteht in der Fusion von pluripotenten Stammzellen mit somatischen Zellen. Dabei entsteht ein künstliches Synzytium, das es erlaubt, zu untersuchen, wie epigenetische Reprogrammierung durch zelluläre Umgebungssignale funktioniert. Der dabei entstehende Zelltyp ist meist tetraploid und zeigt eine teilweise Rückprogrammierung des somatischen Zellkerns. In der regenerativen Medizin könnten solche künstlichen Synzytien theoretisch dazu dienen, beschädigte Gewebe zu reparieren oder genetische Defekte durch Fusion mit gesunden Zellen zu kompensieren.

Erkrankungen des Muskelgewebes

Es gibt eine Vielzahl von Erkrankungen, die das Muskelgewebe betreffen können:

• Polymyositis: Entzündliche Autoimmunmyopathie, die durch T-Zell-vermittelte Muskelverletzungen verursacht wird.
• Rhabdomyolyse: Gekennzeichnet durch Muskelnekrose und die Freisetzung von toxischen intrazellulären Inhalten, insbesondere Myoglobin, in den Kreislauf.
• Kompartmentsyndrom: Zustand, der auftritt, wenn ein erhöhter Druck in einem geschlossenen Muskelkompartiment den Druck übersteigt, der zur Perfusion des Kompartiments erforderlich ist, was zu einer Muskel- und Nervenischämie führt.
• Myasthenia gravis: Autoimmunerkrankung, die durch Antikörper gegen postsynaptische Acetylcholinrezeptoren an der neuromuskulären Verbindung verursacht wird.
• Duchenne-Muskeldystrophie (DMD): X-chromosomal-rezessive genetische Störung, die durch eine Variante im DMD -Gen verursacht wird.
• Kardiomyopathien: Gruppe von Herzmuskelerkrankungen, die mit strukturellen Veränderungen der Herzmuskulatur (Myokard) und einer beeinträchtigten systolischen und/oder diastolischen Funktion einhergehen.
• Uterusleiomyom und Leiomyosarkome: Uterusleiomyome (oder Uterusmyome) sind gutartige Tumoren, die aus glatten Muskelzellen im Uterusmyometrium entstehen. Leiomyosarkome sind bösartige Tumoren, die de novo (nicht aus Myomen) entstehen.

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