Die intrazelluläre Regulation der Muskelaktivität

Zusammenfassung

Alle isolierten Actomyosinsysteme, an denen der Einfluß freier Calcium-Ionen auf den Zyklus der Magnesium-ATP-Kontraktion untersucht ist, sind vollständig dissoziiert und damit erschlafft, wenn die Konzentration der freien Calcium-Ionen ≦10⁻⁷ M ist. Die Spaltungsgeschwindigkeit des ATP ist dann sehr gering und beruht auf der Aktivität der Myosin-ATP-ase. Die mechanische und·enzymatische Aktivität ist maximal, sobald die Konzentration der freien Calcium-Ionen einen Wert ∼10⁻⁵ M erreicht. Diese Zahlenangaben beziehen sich auf die physiologische Ionenstärke ∼0,15 μ und auf die Skeletmuskeln der Wirbeltiere sowie der KrabbeMaja squinado. Bei niedrigerer Ionenstärke ≈0,08 μ ist der Calciumbedarf etwa 3mal geringer.

• 1. Es genügen also absolut sehr kleine Veränderungen in der Menge der anwesenden Calcium-Ionen, um die Aktivität der isolierten Actomyosinsysteme zwischen Null und dem Maximalwert pendeln zu lassen. Im Gleichgewicht mit den angegebenen Konzentrationen der freien Calcium-Ionen wird im Zustand maximaler Aktivität des Actomyosinsystems auf jedes Myosinmolekül ein Calcium-Ion mehr gebunden als im Zustand der Dissoziation und Erschlaffung.

• 2. Auch dielebende Muskelfaser vonMaja squinado befindet sich im Ruhezustand, wenn die Konzentration der freien Calcium-Ionen „innen” ≦10⁻⁷ M ist, und kontrahiert sich, wenn die Konzentration durch die Injektion von Calcium-EGTA-Puffer erhöht wird. Diese Tatsache bedeutet, daß in der ruhenden, lebenden Muskelfaser das vorhandene Calcium (∼10⁻³ M) fast vollständig in einer inaktiven Form gebunden oder gespeichert ist. Nach der Injektion der freien Calcium-Ionen als Calcium-Puffer erschlafft die lebende Faser wieder in wenigen Sekunden. Also wird auch das injizierte Calcium schnell und vollständig durch Speicherung oder Bindung inaktiviert.

• 3. Diese Speicherung geschieht im sarkoplasmatischen Reticulum. Die Menge an Reticulum, die als „Erschlaffungsfaktor” aus 1 g Skeletmuskel isoliert wird (∼0,02 ml), kann aus physiologischen Lösungen freier Ca⁺⁺-Ionen mehr Calcium akkumulieren (<1 μ Mol), als in 1 g Muskel vorhanden ist. Die Ca⁺⁺-Akkumulation hört erst auf, wenn die Ca⁺⁺-Konzentration auf 2–3·10⁻⁹ M, d.h. weit unter die Schwellenkonzentration der Actomyosin-Aktivität und der Kontraktion des lebenden Muskels gesunken ist. Das Reticulum ist also fähig, größere Calciumverschiebungen hervorzurufen, als nötig sind, um die Skeletmuskelfaser von voller Aktivität zu voller Ruhe zu bringen.

• 4. Doch braucht die Akkumulation der hierfür notwendigen Calciummenge deutlich mehr Zeit als die Erschlaffung der lebenden Faser. Dies ist zu erwarten, weil aus einem Gramm Muskel immer nur ein Teil des vorhandenen Reticulum isoliert wird, und weil erfahrungsgemäß·die Akkumulierungsgeschwindigkeit durch die Isolierung immer etwas geschädigt wird.

• 5. Die Verschiebungen der Ca⁺⁺-Ionen durch die Membranen des Reticulum gleichen den Verschiebungen der Na⁺- und K⁺-Ionen durch die äußeren Membranen von Muskel und Nerv während und nach einer Erregungswelle: Die Ca⁺⁺-Ionen wandern zunächst vom Ort hoher Konzentration in den Vesikeln zum Ort niedriger Konzentration in den Fibrillen. Sie werden anschließend durch eine Ionenpumpe gegen den Konzentrationsgradienten in das Reticulum zurückgepumpt. Die Ionenpumpe wird durch ATP-Spaltung getrieben. Die Aktivierung der Pumpe erfolgt durch die Ca⁺⁺-Konzentration auf der Außenseite der reticulären Membran, d.h. auf der Seite der Membran, von der die Ca⁺⁺-Ionen entfernt werden. Alles dies findet sich ebenso und in gleicher Reihenfolge bei den Na⁺- und K⁺-Verschiebungen unter der Wirkung eines Aktionspotentials. Es ist also wahrscheinlich, daß auch die Ca⁺⁺-Verschiebungen unmittelbar durch den allgemein vermuteten elektrischen Erregungsvorgang an den reticulären Membranen ausgelöst werden.

• 6. Die Diffusionszeiten der Ca⁺⁺ zwischen Reticulum und Achse der Fibrillen sind so kurz, daß sie völlig vernachlässigt werden können.

• 7. Die Erklärung für die Steuerung der Aktivität der glatten Muskeln der Vertebraten und des Herzmuskels stößt auf größere Schwierigkeiten als die Erklärung der Steuerung des Skeletmuskels. Die Funktion des Reticulum ist nach dem gegenwärtigen Stand der Erfahrung ungenügend (Herz) oder fehlt (glatter Muskel), obwohl auch die Aktivität dieser Muskeln von der Konzentration der freien Ca⁺⁺ abhängt. Eine Regulation der Ca⁺⁺-Konzentration von der äußeren Membran der Muskelzelle aus führt bei diesen dünnen Fasern nicht zu unmöglichen Diffusionszeiten der Ca⁺⁺; aber die Ca⁺⁺-Mengen, die während einer Zuckung die Membran der Herz- und Uterus-Fasern passieren, sind viel zu klein, um Muskelruhe in volle Aktivität zu verwandeln.