Muskeln – Glatt

Kapitel

Lodish 4. Auflage: Kapitel 18
Lodish 5. Auflage: Kapitel 5
Moyes und Schulte: Kapitel 6 Seiten 239-243
Moyes und Schulte: Kapitel 9 Seiten 380-381

Glatte Muskelzellen


Abbildung 22-40, Molekularbiologie der Zelle, 4. Auflage. Die vier Klassen von Muskelzellen eines Säugetiers.
(A) Schematische Zeichnungen (maßstabsgetreu).
(B-E) Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen, die (B) Skelettmuskel aus dem Hals eines Hamsters, (C) Herzmuskel aus einer Ratte, (D) glatte Muskulatur aus der Harnblase eines Meerschweinchens und (E) Myoepithelzellen in einer sekretorischen Alveole aus einer laktierenden Rattenbrustdrüse zeigen. Die Pfeile in (C) zeigen auf interkalierte Scheiben — End-to-End-Verbindungen zwischen den Herzmuskelzellen; Skelettmuskelzellen in langen Muskeln sind in ähnlicher Weise Ende an Ende verbunden. Beachten Sie, dass der glatte Muskel in einer geringeren Vergrößerung als die anderen dargestellt wird.

Glatte Muskeln umgeben innere Organe wie den Dick- und Dünndarm, die Gebärmutter und große Blutgefäße. Die Kontraktion und Entspannung der glatten Muskulatur steuert den Durchmesser der Blutgefäße und treibt die Nahrung entlang des Magen-Darm-Trakts.

Glatte Muskelzellen sind sehr heterogen, d.h. mehrere verschiedene Typen. Sie zeichnen sich durch eine Anordnung kurzer, schmaler Zellen mit unterschiedlichen Eigenschaften aus. Im Vergleich zu Skelettmuskeln ziehen sich glatte Muskelzellen zusammen und entspannen sich langsam, und sie können Spannungen für lange Zeiträume erzeugen und aufrechterhalten.


Abbildung 22-22. Molekularbiologie der Zelle. Diagramm einer kleinen Arterie im Querschnitt.

Ein glatter Muskel besteht aus länglichen spindelförmigen Zellen mit jeweils einem Kern. Obwohl glatte Muskelzellen mit dicken und dünnen Filamenten gepackt sind, sind diese Filamente nicht in geordneten Sarkomeren organisiert und somit ist die glatte Muskulatur nicht gestreift. Stattdessen werden die Filamente in der glatten Muskulatur zu losen Bündeln zusammengefasst, die an dichten Körpern im Zytosol befestigt sind. Dichte Körper haben anscheinend die gleiche Funktion wie Z-Scheiben im Skelettmuskel. Das andere Ende der dünnen Filamente in vielen glatten Muskelzellen ist mit Befestigungsplatten verbunden, die dichten Körpern ähneln, sich jedoch an der Plasmamembran einer Muskelzelle befinden. Wie eine Z-Scheibe ist eine Befestigungsplatte reich an dem aktinbindenden Protein Alpha-Actinin; Es enthält auch ein zweites Protein, Vinculin, das an ein integrales Membranprotein in der Plaque und an Alpha-Actinin bindet und dadurch Aktinfilamente an Membranadhäsionsstellen bindet.


Abbildung 18-26, Lodish 4. Auflage. Allgemeine Struktur der Skelett- und glatten Muskulatur.
(b) Glatte Muskulatur besteht aus locker organisierten spindelförmigen Zellen, die einen einzelnen Kern enthalten. Lose Bündel von Aktin- und Myosin-Filamenten packen das Zytoplasma der glatten Muskelzellen. Diese Bündel sind mit dichten Körpern im Zytosol und mit der Membran an Befestigungsplaques verbunden.


Aus Cell Physiology, Sperelakis, 2. Auflage.

Das gleitende Filamentmodell wird immer noch bei der Kontraktion der glatten Muskulatur verwendet. In glatten Muskelzellen ist die Kontraktion jedoch viel langsamer als in Skelettmuskelzellen. Die glatten Muskelzellen verkürzen sich durch Kontraktion und erzeugen so Spannung.


Aus Cell Physiology, Sperelakis, 2. Auflage.

In glatten Muskelzellen ist das sarkoplasmatische Retikulim-Netzwerk spärlich, und der Großteil des Anstiegs des für die Muskelkontraktion benötigten cytosolischen Ca2 + gelangt über den Ca2 + -Kanal der Plasmamembran in die Zelle. Dies ist ähnlich wie bei Wirbellosen, kleinen Wirbeltieren und Herzzellen. Dies bedeutet, dass Änderungen des cytosolischen Ca2 + -Spiegels in der glatten Muskulatur viel langsamer auftreten (Sekunden bis Minuten). Dies hat den Vorteil, dass die langsame, stetige Reaktion auf die kontraktile Spannung, die von der glatten Muskulatur von Wirbeltieren benötigt wird, ermöglicht wird.

Aktivierung glatter Muskelzellen

Glatte Muskelzellen haben mehrere Rezeptoren und Aktivierungsmechanismen. Glatte Muskelzellen können durch Neurotransmitter, Hormone und Nachbarzellen aktiviert werden. Zum Beispiel synchronisiert die elektrische Kopplung durch Gap Junctions die Kontraktionen der glatten Muskelzellen, die für die peristaltischen Bewegungen des Darms verantwortlich sind.
Das übergeordnete Ziel ist jedoch immer dasselbe….ändern Sie den cytosolischen Ca + 2-Spiegel, um den Kontraktionsgrad zu ändern. Innerhalb eines einzelnen Organs und manchmal innerhalb eines kleinen Teils eines Organs können sich glatte Muskelzellen zusammenziehen, entspannen und Signale freisetzen, um Funktionen auszuführen. Beispielsweise befinden sich in einem Blutgefäß spontan aktive Schrittmacherzellen, die über wenige oder viele Zellen geführt werden können.

Einige glatte Muskelzellen haben schnelle Kontraktionen, während andere langsamer sind oder den Muskeltonus oder anhaltende Kontraktionen für lange Zeiträume aufrechterhalten. Da dies niedrige Energiekosten verursacht, müssen Mechanismen vorhanden sein, um die Aufrechterhaltung der Spannung in der Zelle zu ermöglichen, die auf Skelettmuskelzellen spezialisiert sind.


Aus Cell Physiology, Sperelakis, 2. Auflage.

Die Kontraktion in einigen glatten Muskelzellen wird durch Veränderungen des Membranpotentials gesteuert und einige sind rein durch chemische / hormonelle Prozesse. Die Nerveninnervation glatter Muskelzellen stammt aus dem autonomen Nervensystem und wirkt ähnlich wie Herzmuskelzellen über einen weiten Bereich der allgemeinen Neurotransmitterfreisetzung. Die Funktion von Neurotransmittern besteht normalerweise darin, die Kontraktion zu modulieren, anstatt die Kontraktion einzuleiten (viele glatte Muskelzellen, wie oben angegeben, können sich spontan aktivieren). Kontraktionen können eher über Minuten als über Millisekunden auftreten, wie dies bei skelettalen und Hunderten von Millisekunden bei Herzzellen der Fall war.

Kontraktion glatter Muskelzellen

Die Kontraktion glatter Muskelzellen wird nicht wie in Herz- und Skelettmuskeln durch die Bindung von Ca+2 an den Troponin-Komplex gesteuert. Vielmehr steuert Ca + 2 die Myosin-Anhaftung an das Aktin durch einen Zwischenschritt von Ca + 2 / Calmodulin, und dies steuert die Kontraktion in glatten Muskelzellen. Troponin wird nicht in glatten Muskelzellen gefunden (Tropomyosin ist).

Caldemon und Ca+2/calmodulin


Abbildung 18-33, Lodish 4. Auflage. Ca2 + -abhängige Mechanismen zur Regulierung der Kontraktion in der glatten Muskulatur.
(b) Regulation der Kontraktion der glatten Muskulatur durch Caldesmon. Bei niedrigen Ca2 + -Konzentrationen (10-6 M) bindet Caldesmon an TM und Aktin, reduziert die Bindung von Myosin an Aktin und hält den Muskel im entspannten Zustand. Bei höheren Ca2 + -Konzentrationen bindet ein Ca2 + -Calmodulin-Komplex an Caldesmon und setzt ihn aus Aktin frei; So kann Myosin mit Aktin interagieren und der Muskel kann sich zusammenziehen. Phosphorylierung durch mehrere Kinasen, einschließlich MAP-Kinase, und Dephosphorylierung durch Phosphatasen regulieren auch die Aktinbindungsaktivität von Caldesmon.

Die Aktivierung von glattem Muskelmyosin kann durch Caldesmon reguliert werden, das in niedrigen Ca + 2-Spiegeln an Tropomyosin und Aktin bindet und die Myosin-Bindung an Aktin blockiert. Wenn der Ca + 2-Spiegel ansteigt, aktiviert Ca + 2 Calmodulin, um an Caldesmon zu binden, das es aus dem Tropomyosin / Aktin-Komplex freisetzt. Jetzt kann Myosin frei binden und sich entlang der dünnen Filamente bewegen, um die Zelle zusammenzuziehen.

Myosin Light Chain kinase und Ca+2/Calmodulin

Ein weiterer Mechanismus der glatten Muskelkontraktion erfordert die Regulation der leichten Ketten, die mit der schweren Myosin-Kette assoziiert sind

Abbildung 18-20, Lodish 4. Auflage.


Abbildung 18-34, Lodish 4. Auflage.
(b) In der glatten Muskulatur von Wirbeltieren aktiviert die Phosphorylierung der Myosin-regulatorischen leichten Ketten an Stelle X durch Ca2 + -abhängige Myosin-LC-Kinase die Kontraktion. Bei Ca2+ -Konzentrationen „>“10-6 M ist die Myosin-LC-Kinase inaktiv, und eine Myosin-LC-Phosphatase, deren Aktivität nicht von Ca2 + abhängt, dephosphoryliert die Myosin-LC und verursacht Muskelentspannung.

Die Aktivierung von glattem Muskelmyosin erfordert die Phosphorylierung der leichten Myosin-Kette. Es gibt zwei Enzyme, die diesen Prozess steuern, Myosin Light Chain Kinase (MLCK) und Myosin Light Chain Phosphotase. Eines der beiden Myosin-Leichtkettenpaare, die mit dem Myosin in der glatten Muskulatur assoziiert sind, hemmt die Aktinstimulation der Myosin-ATPase-Aktivität bei niedrigen Ca2 + -Konzentrationen. Die Phosphorylierung der Myosin-Leichtkette durch MLCK beseitigt diese Hemmung und die glatte Muskulatur zieht sich zusammen. MLCK wird durch Ca2+ durch Calmodulin aktiviert. Calcium bindet an Calmodulin, und der Ca2 + -Calmodulin-Komplex bindet dann an die Myosin-LC-Kinase und aktiviert sie. Da diese Art der Regulation auf der Diffusion von Ca2 + und der Wirkung von Proteinkinasen beruht, ist die Muskelkontraktion in der glatten Muskulatur viel langsamer als in der Skelettmuskulatur. Je größer die Menge an intrazellulärem Ca+2 ist, desto mehr MLCK wird aktiviert und desto größer ist der Kontraktionsgrad

Die Rolle von aktiviertem MLCK wurde durch Injektion eines Kinaseinhibitors in glatte Muskelzellen nachgewiesen. Der Inhibitor blockierte nicht den Anstieg des cytosolischen Ca2 + -Spiegels im Zusammenhang mit der Membrandepolarisation (gemessen mit Fura-2), aber die injizierten Zellen können sich nicht zusammenziehen. Die Wirkung des Kinase-Inhibitors wurde dann durch Injektion eines Fragments von MLCK überwunden, das auch in Abwesenheit von Ca2 + -Calmodulin immer aktiv (konstitutiv aktiv) ist (diese Behandlung beeinflusst auch nicht die Ca2 + -Spiegel).

Regulation der Kontraktion der glatten Muskulatur

Angesichts der großen Vielfalt glatter Muskelzellen gibt es viele Möglichkeiten, die Kontraktion der glatten Muskulatur zu modulieren. Für diesen Kurs werden Beispiele zur Kontrolle von Blutgefäßen und Arteriolen verwendet.

Das Hauptmittel, mit dem die Kontraktion der glatten Muskulatur kontrolliert wird, sind Änderungen des Resingmembranpotentials.
Die Depolarisation bewirkt einen stärkeren Anstieg des cytosolischen Ca+ 2 und damit eine stärkere Kontraktion.
Hyperpolarisation bewirkt eine reduzierte Menge an cytosolischem Ca+2 und entspannt so die Muskelzelle.Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Freisetzung von Ca + 2 aus internen Speichern auch zu einer stärkeren Kontraktion durch G-Protein-vermittelte Kaskaden führen kann, die nichts mit Veränderungen der Membrandepolarisation zu tun haben.

Noradrenalin und Adrenalin


Aus Cell Physiology, 2nd edition.

Je nach Art des Rezeptors können Noradrenalin und Adrenalin unterschiedliche Ergebnisse auf die glatte Muskelzelle haben.
Epinephrin gebunden an beta-adrenerge Rezeptoren auf glatten Muskelzellen des Darms bewirkt, dass sie sich entspannen. Denken Sie an eine übliche biologische Reaktion auf Zeiten intensiven Stresses, d.h. kurz vor einer öffentlichen mündlichen Präsentation
Adrenalin bindet auch an den alpha2-adrenergen Rezeptor, der auf glatten Muskelzellen gefunden wird, die die Blutgefäße im Darmtrakt, in der Haut und in den Nieren auskleiden. Adrenalin, das an Alpha2-Rezeptoren gebunden ist, bewirkt, dass sich die Arterien zusammenziehen (verengen), wodurch die Durchblutung dieser Organe verringert wird. Diese Reaktion liefert die maximale Menge an Energie an die großen Bewegungsmuskeln als Reaktion auf körperliche Belastung.

Acetylcholin und Stickoxid

Acetylcholin wird von autonomen Nerven in den Wänden eines Blutgefäßes freigesetzt und bewirkt eine Entspannung der glatten Muskelzellen in der Gefäßwand. Das Acetylcholin wirkt indirekt, indem es die nahe gelegenen Endothelzellen dazu veranlasst, NO zu bilden und freizusetzen, was dann den darunter liegenden glatten Muskelzellen signalisiert, sich zu entspannen.


Abbildung 20-42, Lodish 4. Auflage. cGMP vermittelt lokale Signale durch Stickoxid.
(a) Schematische Darstellung der Struktur der löslichen Guanylatcyclase. Die Bindung von Stickoxid an die Häm-Gruppe stimuliert die katalytische Aktivität des Enzyms, was zur Bildung von cGMP aus GTP führt.
(b) Regulation der Kontraktilität der arteriellen glatten Muskulatur durch NO und cGMP. In Endothelzellen synthetisiertes Stickoxid diffundiert lokal durch das Gewebe und aktiviert die Guanylatcyclase in nahegelegenen glatten Muskelzellen. Der daraus resultierende Anstieg des cGMP führt zur Entspannung des Muskels und zur Vasodilatation.

NO-Gas wird durch das Enzym NO-Synthase aus Arginin katalysiert. Es passiert leicht Membranen und diffundiert schnell aus der Zelle in benachbarte Zellen. NO hat eine sehr kurze Halbwertszeit (5-10 Sekunden), so dass es nur lokal wirkt. In vielen Zielzellen bindet NO an Eisen im aktiven Zentrum des Enzyms Guanylylcyclase und stimuliert dieses Enzym, um zyklisches GMP zu produzieren. Die Auswirkungen von NO können innerhalb von Sekunden auftreten, da die normale Umsatzrate von zyklischem GMP hoch ist. cGMP wird durch eine Phosphodiesterase schnell zu GMP abgebaut.

Erhöhtes cGMP aktiviert eine Kinase, die anschließend zur Hemmung des Calciumzuflusses in die glatte Muskelzelle führt, und verringert die Calcium-Calmodulin-Stimulation der Myosin-Leichtkettenkinase (MLCK). Dies wiederum verringert die Phosphorylierung von leichten Myosin-Ketten, wodurch die Entwicklung der glatten Muskelspannung verringert und eine Vasodilatation verursacht wird.
Weitere Hinweise deuten darauf hin, dass cGMP über eine Kinase (cGMP-abhängige Proteinkinase PKG) wirkt, die wiederum einen K + -Kanal phosphoryliert, um die Muskelzelle zu aktivieren und somit zu hyperpolarisieren

Nitroglycerin

Nitroglycerin, das seit etwa 100 Jahren zur Behandlung von Patienten mit Angina pectoris (Schmerzen infolge unzureichender Durchblutung des Herzmuskels) eingesetzt wird. Das Nitroglycerin wird in NO umgewandelt, was die Blutgefäße entspannt. Dies reduziert die Arbeitsbelastung des Herzens und reduziert den Sauerstoffgehalt, den der Herzmuskel benötigt.

Viagra

Das Medikament Sildenafil hemmt diese zyklische GMP-Phosphodiesterase und erhöht die Zeitspanne, in der die zyklischen GMP-Spiegel erhöht bleiben. Das zyklische GMP hält die Blutgefäße entspannt und in bestimmten Teilen der männlichen Anatomie sammelt sich Blut, und der daraus resultierende Effekt lässt den Umsatz von Viagra in die Höhe schnellen. Es ist jedoch interessant festzustellen, dass Viagra nicht spezifisch für den Penis ist, sondern den cGMP-Spiegel im ganzen Körper beeinflusst und einige interessante Nebenwirkungen haben kann.

Tabelle 11-2. Effects of Acetylcholine Stimulation on Peripheral Tissues

Tissue Effects of ACh
Vasculature (endothelial cells) Release of endothelium-derived relaxing factor (nitric oxide) and vasodilation
Eye iris (pupillae sphincter muscle) Contraction and miosis
Ciliary muscle Contraction and accommodation of lens to near vision
Salivary glands and lacrimal glands Secretion—thin and watery
Bronchi Constriction, increased secretions
Heart Bradycardia, decreased conduction (atrioventricular block at high doses), small negative inotropic action
Gastrointestinal tract Increased tone, increased gastrointestinal secretions, relaxation at sphincters
Urinary bladder Contraction of detrusor muscle, relaxation of the sphincter
Sweat glands Diaphoresis
Reproductive tract, male Erection
Uterus Variable, dependent on hormone influence

Putting it all together: From receptor to control of muscle cell contraction


Figure 21.7, From Molecular Biology of the Cell. Autonomic control of cardiovascular function.

Das Herz-Kreislauf-System ist stark reguliert, so dass das Körpergewebe unter den verschiedensten Umständen immer ausreichend mit Sauerstoff angereichertem Blut versorgt wird.
Es gibt Rezeptoren, die auf den Grad des Blutdrucks reagieren und mechanische (barosensorische) Informationen über den Druck im Arteriensystem liefern
Es gibt Rezeptoren, die Informationen über den Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt im Blut liefern. Diese sensorischen Systeme liefern Input für die Atmungskontrollzentren des Gehirns, die wiederum die parasympathischen und sympathischen Nerven steuern, die das Herz, die Blutgefäße und die Zwerchfellmuskulatur für die Atmung steuern.

Wir werden uns nur auf die Chemorezeptoren konzentrieren, die sich hauptsächlich in den Karotiskörpern befinden. Dies sind kleine, spezialisierte Organe, die sich an der Gabelung der Halsschlagadern befinden (ein Teil des chemosensorischen Gewebes befindet sich auch in der Aorta). Die Chemorezeptoren in Halsschlagader und Aorta geben Auskunft über den Partialdruck von Sauerstoff (pO2) und Kohlendioxid (pCO2) im Blut. Diese Information wird von Neuronen zweiter Ordnung an den Hypothalamus und andere Regionen im Hirnstamm weitergeleitet. Diese Informationen über den Blutgasspiegel wirken reflexartig, um das autonome Nervensystem zu modulieren und die glatten und Herzmuskeln zu kontrollieren. Es ist ein Gleichgewicht zwischen der Regulierung des sympathischen und parasympathischen Systems, um die Kontraktion des Herzens oder der glatten Muskulatur nach oben oder unten zu regulieren.


Aus Cell Physiology, 2nd edition.

Die chemosensorischen Zellen der Halsschlagader erkennen den pO2-Spiegel im Blut, indem sie einfach als Reaktion auf einen verringerten Sauerstoffgehalt depolarisieren. Der Mechanismus scheint ein O2-empfindlicher K + -Kanal zu sein, der bei normalen pO2-Werten offen ist. Daher ist die Vm in der Nähe von EK +. Wenn jedoch der Sauerstoffgehalt sinkt, schließt sich der K + -Kanal und Vm depolarisiert, wodurch sich der spannungsgesteuerte Ca + 2-Kanal öffnet und die Vesikelfusion und die Freisetzung von Neurotransmittern auslöst. Es wird angenommen, dass dies unter anderem dadurch geschehen kann, dass das O2 den K+ -Kanal aktiviert, indem es an ein Häm-Protein bindet, das an den K+ -Kanal gebunden ist.


Aus Cell Physiology, 2nd edition.

Umgekehrt ermöglicht die Änderung des Grades der K + -Kanalöffnung jenen Zellen, die spontane Aktionspotentiale abfeuern, ihre Rate zu erhöhen und somit eine Änderung der pO2-Spiegel zu signalisieren

Aus Cell Physiology, 2nd edition.

Der pO2-Spiegel kann sich direkt auf die glatte Muskulatur um die Blutgefäße herum auswirken. Viele dieser Zellen haben einen K + -Kanal, der durch ATP gehemmt wird. Wenn pO2 sinkt, sinkt auch die Atmung und die ATP-Produktion. Diese Reduktion von ATP führt zur Öffnung von K + -Kanälen und zur Hemmung der Kontraktion der glatten Muskulatur. Dies führt zur Entspannung der glatten Muskulatur, zur Entspannung der Blutgefäße und zur Erhöhung des Blutflusses in das Gewebe, das ein reduziertes PO2 aufweist. Umgekehrt führt ein Anstieg von pO2 zu einer stärkeren Hemmung der ATP-sensitiven K+ -Kanäle und damit zu einem höheren Grad an Depolarisation. Mehr Ca + 2-Kanäle sind offen und somit gibt es größere cytosolische Ca + 2-Spiegel, ein höheres Maß an Kontraktion der glatten Muskulatur. Dies führt zu einer Verengung des Blutgefäßes (Vasokonstriktion) und zu einem geringeren pO2-Transfer in das umgebende Gewebe.

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