BAP (Subject) / Zelle & Gewebe (Lesson)

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• 1. Elektromechanische Kopplung Als elektromechanische Kopplung bezeichnet man den Zusammenhang zwischen dem Aktionspotenzial einer Muskelzelle und ihrer darauf folgenden Kontraktion. Das Aktionspotential ist ein elektrischer Impuls, die Kontraktion die mechanische Antwort darauf. Daher der Begriff "elektromechanische Kopplung". Die Kopplung zwischen dem elektrischen Stimulus und der mechanischen Antwort erfolgt durch Kalzium-Ionen, die aus dem sarkoplasmatischen Retikulum eines Sarkomers in das Cytosol freigesetzt werden. Sie binden an Troponin C, welches daraufhin seine Konformation so ändert, dass die Bindungsstelle zwischen Aktin und Myosin freigelegt wird.  Die elektromechanische Kopplung spielt besonders bei dem Krankheitsbild der elektromechanischen Entkopplung (EMD von engl. elektromechanical Dissociation) eine entscheidende Rolle. Dabei kann über ein EKG die elektrische Aktivität des Herzmuskels beobachtet werden, es findet jedoch aufgrund der gestörten Übertragung keine Kontraktion und damit keine Pumpleistung statt. Dieser Zustand tritt selten während einer Reanimation ein und kann auch mittels Defibrillation nicht behoben werden. Aufgrund der beobachteten Symptome wird es auch als Pulslose elektrische Aktivität (PEA) bezeichnet. Oder so... 1.2.5 Elektromechanische Kopplung Die elektromechanische Kopplung beschreibt den Ubergang der elektrischen Prozesse (Depolarisation und Repolarisation) am Herzmuskel in mechanische Prozesse (Kontraktion und Entspannung). Diese Kopplung wird uber die Regulation des Calcium-Haushalts erreicht, da Calcium-Ionen die Kontraktion des Herzmuskels aktivieren. Je mehr Calcium wahrend der Systole in die Myokardzellen gelangt, desto kraftiger wird die Kontraktion des Herzens. Der Calcium-Einstrom wahrend der Plateauphase der Herzmuskelzellen dient dabei als Trigger, also als Ausloser fur einen gewaltigen Anstieg des intrazellularen Calciums: Die zytosolische Calcium-Konzentration steigt in der Systole gegenuber der Diastole um den Faktor 100 an! Dazu tragt – neben dem aus dem Extrazellularraum stammenden Calcium – die Freisetzung von intrazellular, im sarkoplasmatischen Reticulum, gespeicherten Calcium- Ionen bei. In den Membranen des sarkoplasmatischen Retikulums befinden sich spezielle Calcium- Kanale – die Ryanodin-Rezeptoren – die den Calcium-Ausstrom ermoglichen. Die Aktivierung dieser Kanale wird durch eine erhohte zytoplasmatische Calcium-Konzentration verstarkt, sodass in diesem Fall das von extrazellular einstromende Calcium die Entleerung der Calcium-Speicher des sarkoplasmatischen Retikulums triggert. Um die Kontraktion des Herzmuskels zu beenden, wird das Calcium aktiv aus den Zellen entfernt. Dazu gibt es in der Membran des sarkoplasmatischen Retikulums eine primär- aktive Calcium-ATPase (SERCA), die die Calcium-Ionen in das sarkoplasmatische Retikulum pumpt und dort stark anreichert. Au.erdem werden auch Calcium-Ionen nach extrazellular transportiert: In der Zellmembran befindet sich ebenfalls eine Calcium-ATPase, die das Calcium primar-aktiv in den Extrazellularraum pumpt. Zusatzlich befindet sich dort noch ein Natrium-Calcium-Antiporter, der sekundär- aktiv Calcium aus den Zellen entfernt. Dieser Natrium-Calcium-Antiporter wird indirekt durch die Natrium-Kalium-ATPase der Herzmuskelzellen angetrieben und entfernt ein Ca2+ aus der Zelle, wahrend drei Na+-Ionen einstromen. Die Entfernung von Calcium aus dem Zytosol der Herzmuskelzellen ist vollstandig, wenn das Calcium intrazellular in der Diastole um den Faktor 10 000 geringer konzentriert ist als extrazellular. Hier noch mal die exakten Zahlen: Calcium extrazellular: 10−3 mol/l; intrazellular diastolisch: 10−7 mol/l, systolisch: 10−5 mol/l.  
• 2. Molekulare Grundlagen der Muskelkontraktion -Muskelkontraktion bedeutet die Umwandlung von chemischer in mechanische Energie!  -Zum Kontrahieren eines Muskels werde zwei wichtige Bestandteile der Fasern benötigt. Der eine ist das „Aktin“, der andere das „Myosin“. (Und noch „Troponin“, als wichtiges Molekül von Aktin) -Aktin ist als Filamentstruktur aus zwei Ketten globulärer Moleküle zusammengesetzt, die einander als Doppelhelix umwinden. Die Aktinfilamente sind beiderseits des Z-Streifens in entgegengesetzter Richtung polarisiert. -Myosin ist stabförmig (fibulär). Am Ende des Moleküls befindet sich an einem beweglichen Hals ein kleiner globulärer Kopf mit einer ATP-Bindungsstelle. An diesem Köpfchen laufen die Energiegewinnungsreaktionen ab und es ist gleichzeitig die Bindungsstelle für das Aktin. -> Myosin spaltet hier ATP, ist also eine ATP-ase (30% der freigesetzten Energie wird für die Kontraktion verwendet, der Rest ist Wärmeenergie!). -Bei der Kontraktion überlappt sich das Aktin mit Hilfe des durch Energie angeregten Myosinköpfchens. Bei dieser Überlappung treffen die beiden Aktinfilamente in der Mitte zusammen und der Spalt verschwindet (I- und A-Streifen), die beiden Z-Streifen rücken aufeinander zu.  -> die Länge der Moleküle bleibt immer konstant. Das so genannte „Gleitmodell von Huxley“ veranschaulicht den Kontraktionsvorgang: -> Wenn Ca²+ -Ionen einströmen, dann besetzen sie die entsprechende Bindungsstelle am Troponin-Molekül, das seine räumliche Ordnung dadurch ändert und die Bindungsstelle des Aktins für das Myosinköpfchen aktiviert. Jetzt wird am Myosinköpfcen ATP gespalten, dadurch Energie freigesetzt und das Köpfchen bewegt. Da das Aktin mit dem Myosin verbunden ist stößt die Bewegung des Myosinköpfchens das Aktin über das Myosinfilament hinweg. Während dieser Bewegung wird an der nächsten Stelle des Aktinfilaments bereits die neue Aktin-Myosin-Brücke vorbereitet. -> Eine einzige Muskelkontraktion ist das Ergebnis von hunderten von Brückenbildungs- und Brückenlösungszyklen. Die Kontraktions-Aktivität erlischt mit dem Rücktransport der Ca²+ -Ionen in den Calciumspeicher (im Skelettmuskel das sarkoplasmatische Retikulum); die Myosinbindungsstellen sind dann nicht mehr verfügbar. -bei höherer Belastung der Muskulatur reicht der Sauerstoff nicht mehr aus und es wird auf Glykogen-Reserven zurückgegriffen. Das Endprodukt dieser Energiegewinnung ist Milchsäure, die zu Muskelkrämpfen führt (-> Selbstschutz der Muskeln vor Überlastung).

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