Sarkolemm
n. Die dünne, transparente, dehnbare Membran, die jede quergestreifte Muskelfaser bedeckt
Quelle: modifiziert von Maria Victoria Gonzaga, BiologyOnline.com, aus der Arbeit von OpenStax, CC BY-SA 4.0..
Inhaltsverzeichnis
Sarkolemm Definition
Was ist das Sarkolemm? Es ist die dünne, transparente, dehnbare Plasmamembran der Muskelzelle. Es besteht aus einer Zellmembran (Plasmamembran) und einem äußeren Mantel aus einer dünnen Schicht aus Polysaccharidmaterial (Glykokalyx) mit zahlreichen dünnen Kollagenfibrillen. Was versteht man etymologisch unter Sarkolemm? ‚Sarco‘ kommt aus dem Griechischen (sarx) und bedeutet „Fleisch“, und ‚Lemma‘ kommt aus dem Griechischen und bedeutet „Hülle“.
Charakteristika des Sarkolemmas
Das Sarkolemm kann anatomisch als Plasmamembran einer Muskelzelle oder als Plasmamembran einer Muskelfaser definiert werden. Muskelzellen werden aufgrund ihrer langen, zylindrischen Form auch als Muskelfasern bezeichnet.
Das Sarkolemm ist von einer Glykokalyx bedeckt. Wie definiert man Glykokalyx? Die Glykokalyx ist ein Überzug, der die Zellmembran bedeckt. Sie besteht aus Glykosaminoglykanen (GAGs), Proteoglykanen und anderen Glykoproteinen, die aus sauren Oligosacchariden mit Sialinsäuren an der Endposition bestehen. Proteine, die mit der Glykokalyx assoziiert sind, fungieren als Transmembranproteine, die helfen, die Membran mit dem Zytoskelett der Zelle zu verbinden. Dies hält die Struktur der Membran sicher und ermöglicht die Signalübertragung zwischen den intrazellulären und extrazellulären Komponenten.
Das Sarkolemm kann elektrisch erregt werden, was zur Aktivierung von Muskelfasern durch Signale von motorischen Nerven führt. Das Sarkolemm enthält ionenleitende Bahnen und Kanäle, durch die Natrium, Kalium, Kalzium und Chlorid selektiv und nicht-selektiv fließen.
Diese Membranbahnen können sich als Reaktion auf bestimmte Moleküle (Liganden), Transmitter oder bei Spannungsänderungen öffnen. Das Sarkolemm nutzt natürlich vorkommende Regulationsprozesse, um diese Wege zu schließen.
Außerhalb des Sarkolemmes befindet sich in Kontakt mit der Glykokalyx die Basalmembran. Diese dient dazu, eine weitere Diffusion von Elektrolyten zu verhindern sowie den Muskelfasern Halt und Form zu geben.
Sarkolemmaufbau
Ist Sarkolemm ein Bindegewebe? Nein, es ist kein Bindegewebe. Das Sarkolemm ist die Plasmamembran.
Das Sarkolemm wird als zweischichtig beschrieben. Die erste ist die Plasmamembran, die eine Struktur mit ähnlicher biochemischer Zusammensetzung wie die allgemeine Plasmamembran in eukaryotischen Zellen ist. Die zweite Schicht ist die Glykokalyx, die in Kontakt mit der Basalmembran steht. Die Basalmembran ist reich an Kollagenfibrillen und Proteinen, die es den Muskelfasern ermöglichen, an ihr zu haften. Das Zytoskelett der Muskelzelle, das aus einer großen Menge des Proteins Aktin besteht, ist über Transmembranproteine in der Plasmamembran mit der Basalmembran verbunden. Die Enden der Muskelfasern verschmelzen mit Sehnenfasern, die sich wiederum zu Bündeln zusammenschließen und Muskelsehnen bilden. Dadurch werden die Muskelfasern am Knochen befestigt.
Es gibt 3 Bindegewebsschichten im Muskel. Diese sind das Epimysium, das Perimysium und das Endomysium. Die äußerste Schicht des Bindegewebes, die einen Skelettmuskel umgibt, ist das Epimysium. Das Perimysium umhüllt Bündel von Muskelfasern (Faszikel) und das Endomysium wickelt sich um die einzelnen Muskelfasern. Was ist also der Unterschied zwischen dem Sarkolemm und dem Endomysium? Es ist wichtig, diese Begriffe nicht zu verwechseln. Das Sarkolemma ist die Zellmembran der Muskelfaser, und das Endomysium ist die Bindegewebsschicht über der Muskelfaser. Abbildung 2 zeigt die Lage der 3 Bindegewebsschichten.
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Um die Struktur und Funktion des Sarkolemmas zu verstehen, müssen wir zunächst den Aufbau des quergestreiften Muskelgewebes verstehen. Innerhalb der Muskelfasern befinden sich Myofibrillen, die sich über die gesamte Länge der Zelle erstrecken. Myofibrillen können als Einheiten einer Muskelzelle beschrieben werden, die aus organisierten Proteinen bestehen, die sich aus Sarkomeren zusammensetzen. In jeder Muskelfaser finden sich Hunderte bis Tausende von Myofibrillen.
Es gibt 2 Arten von Myofibrillen, die entweder aus dicken Filamenten oder aus dünnen Filamenten aufgebaut sind. Das Protein Aktin bildet überwiegend die dünnen Filamente zusammen mit den Proteinen Tropomyosin und Troponin. Das Protein Myosin bildet die dicken Filamente. Diese Filamente überlagern sich und bilden Muster, die unter dem Mikroskop betrachtet werden können (Schlieren).
Actin und Myosin sind die Proteine, die an der Muskelkontraktion beteiligt sind. Diese dünnen und dicken Filamente ordnen sich zu Bändern an, die als A-Bänder und I-Bänder bezeichnet werden. „A“ steht für Anisotropie (weil die Filamente in einer Richtung stärker sind als in der anderen) und „I“ steht für Isotropie (weil sie in jeder Richtung die gleichen physikalischen Eigenschaften haben). Das A-Band enthält eine H-Zone, in der es keine Überlappung zwischen den dünnen und dicken Filamenten gibt. Es besteht nur aus dem dicken Filament und ermöglicht die Muskelkontraktion, indem es kürzer wird.
Ein Sarkomer ist eine strukturelle Einheit des quergestreiften Muskelgewebes. Sarkomere sind sich wiederholende Einheiten, die zwischen jeder Z-Linie (oder Z-Scheibe) vorkommen. Die Z-Linie ist die Grenze zwischen den einzelnen Sarkomeren. Das Sarkomer ist aus Myofibrillen aufgebaut. Die M-Linie befindet sich in der Mitte des Sarkomers und ist die Befestigungsstelle für die dicken Filamente. Die M-Linie ist aus den Proteinen Myomesin, Titin, Obscurin und Obsl1 zusammengesetzt. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen den Aufbau eines Sarkomers mit den verschiedenen Filamenten und Bändern.
Nun haben wir uns die Struktur des Muskelgewebes angesehen. Wir können mehr über die Plasmamembran der Muskelzellen verstehen. Wie bereits erwähnt, wird die Plasmamembran einer Skelettmuskelfaser als Sarkolemm bezeichnet. Das Sarkolemm dringt in das Zytoplasma der Muskelzelle (Sarkoplasma) ein. Es bildet membranöse Röhrchen, die quer durch die Muskelzellen verlaufen. Diese werden als Quertubuli (oder „T-Tubuli“) bezeichnet. Die T-Tubuli enthalten extrazelluläre Flüssigkeit, die sowohl Kalzium- als auch Natriumionen enthält.
Innerhalb der Muskelfasern liegen die T-Tubuli in der Nähe von vergrößerten Bereichen des sarkoplasmatischen Retikulums, die als terminale Cisternae bezeichnet werden. Zwei terminale Zisternen, die sich auf jeder Seite eines T-Tubulus befinden, werden als Triade bezeichnet. Es gibt Tausende von Triaden in jeder Muskelfaser. Das sarkoplasmatische Retikulum befindet sich rund um die Myofibrillen und besteht aus membrangebundenen Röhren. Das sarkoplasmatische Retikulum fungiert als Kalziumspeicher. Weitere Informationen zur Funktion des Sarkolemmas werden im Folgenden näher beschrieben. Abbildung 5 zeigt die anatomische Beziehung der T-Tubuli, der terminalen Zisternen und des sarkoplasmatischen Retikulums sowie eine mikroskopische Aufnahme einer Triade.
Die Funktion des Sarkolemmas
Was ist die Funktion des Sarkolemmas? Als Muskelzellmembran fungiert das Sarkolemm als Barriere zwischen den extrazellulären und interzellulären Anteilen der Muskelfaserzellen. Sie kann dies tun, weil die Membran lipidhaltig ist, dadurch die Flüssigkeiten des intrazellulären und extrazellulären Raums trennt und Wasser nur durch Aquaporinkanäle eintreten lässt. Die Membran enthält wie in anderen Zellmembranen im Körper Ionenpumpen, die es ermöglichen, Ionengradienten zu erzeugen, um ATP zu verbrauchen.
Der T-Tubuli-Membrananteil des Sarkolemmas ist hochplastisch und sorgt daher für Stabilität während der Muskelkontraktion. Studien haben auch gezeigt, dass die T-Tubuli an der Regulierung des Wasserhaushalts und des Zellvolumens, der Erholung von Muskelermüdung sowie dem Transport von Molekülen beteiligt sind. Die T-Tubuli spielen auch eine wichtige Rolle bei der Übertragung von Aktionspotentialen, auf die später eingegangen wird.
Die Struktur und der Aufbau des Sarkolemmas sind wesentlich für die Aufnahme und Weiterleitung von Reizen. Im Ruhezustand hält das Sarkolemm das Innere der Muskelfaser auf einem negativen Potential gegenüber der Extrazellulärflüssigkeit. Es pumpt mehr Natrium-Ionen aus als es Kalium-Ionen aufnimmt. Daher hat das Sarkoplasma eine höhere Kaliumkonzentration, aber eine niedrigere Natriumkonzentration als der Extrazellulärraum. Bezogen auf die Ladung bedeutet dies, dass das Innere des Sarkolemmes negativ und der Extrazellulärraum positiv geladen ist.
Eingebettet in das Sarkolemm sind spannungsabhängige Natriumkanäle, Natrium- und Kalium-ATPase-Pumpen und spannungsabhängige Kaliumpumpen. Diese Kanäle und Pumpen sind für die Aufrechterhaltung eines negativen Potentials verantwortlich. Das Sarkolemm ist außerdem semipermeabel und erlaubt die Diffusion von Ionen entlang ihres elektrochemischen Gradienten.
Was löst ein Aktionspotential an einer Muskelzelle aus?
Ein Aktionspotential kann als plötzliche Änderung des Membran-Ruhepotentials beschrieben werden. Der Neurotransmitter Acetylcholin (ACh) setzt eine Kaskade von Ereignissen in Gang, wenn er an den neuromuskulären Knotenpunkten der präsynaptischen Nervenendigungen freigesetzt wird. ACh bindet an Rezeptoren auf dem Sarkolemm, die als nikotinische Acetylcholinrezeptoren (nAChRs) bekannt sind.
Diese Bindung ermöglicht den Fluss von Natrium den Konzentrationsgradienten hinunter, wodurch ein Aktionspotential entsteht, das zur Depolarisation der Muskelfaser führt. Vereinfacht ausgedrückt, wird die Spannungsdifferenz zwischen der Innenseite des Sarkolemmas und der Außenseite in der extrazellulären Matrix reduziert, indem Natriumionen in den Muskel eindringen und Kaliumionen austreten.
Die Repolarisation der Membran tritt auf, wenn die Membran in ihren Ruhezustand zurückkehrt. Aufgrund der positiven Ladung auf der Innenseite der Membran schließen sich die spannungsgesteuerten Natriumkanäle und die spannungsgesteuerten Kaliumkanäle öffnen sich, allerdings erst, wenn das Sarkoplasma seine maximale positive Ladung erreicht hat. Positiv geladene Kaliumionen können dann in den extrazellulären Raum außerhalb der Muskelzelle zurückfließen, was eine Abnahme der positiven Ladung ermöglicht und das Sarkolemm wird als repolarisiert bezeichnet. Während der Repolarisation und kurze Zeit danach müssen die Natriumkanäle in ihren Ruhezustand zurückkehren und die Membran kann nicht erneut repolarisiert werden. Dies wird als Refraktärzeit bezeichnet. Abbildung 6 zeigt die Kaskade der Ereignisse, die an der Depolarisation des Sarkolemmas beteiligt sind.
Abbildung 6. Depolarisationsereignisse im Sarkolemma. Credit: RPayne0216, Lecture Exam 3: steps in summary of events in generation and propagation of an action potential in a skeletal muscle fiber, from Quizlet.
Die Bedeutung von T-Tubuli und Triaden
Das Aktionspotential wandert vom Sarkolemm über einen T-Tubulus in das sarkoplasmatische Retikulum. Dabei wird die Freisetzung von Kalzium-Ionen aus den terminalen Zisternen des sarkoplasmatischen Retikulums stimuliert. Die Kalziumionen binden dann an Troponin (ein globulärer Proteinkomplex, der in dünnen Filamenten zusammen mit Aktin und Tropomyosin zu finden ist). Dadurch werden Aktinstellen freigelegt, und die Muskelkontraktion kann stattfinden. Das Aktionspotential kann als eine Welle beschrieben werden, die von der neuromuskulären Verbindung entlang des Sarkolemmas wegfließt.
Die Signalkommunikation vom Sarkolemm zu den Muskelproteinen wird durch Kalzium-Ionen unterstützt. Muskelfasern können Calcium-Ionen schnell abgeben und aufnehmen. Da Myofibrillen Millimeter oder sogar bis zu Zentimeter lang sein können, dient die Triadenstruktur der Verbindung des Sarkolemmas mit den Kalziumspeichern. Dies hilft, die räumlichen Grenzen der Verwendung von Kalzium als Botenstoff zu überwinden.
Die Signalkommunikation vom Sarkolemm zu den Myofibrillen, um die Muskelkontraktion einzuleiten, wird als Erregungs-Kontraktions (E)-Kopplung bezeichnet. Dieser Begriff wurde erstmals 1952 von Alexander Sandow beschrieben. Die T-Tubuli und das sarkoplasmatische Retikulum sind für die E-Kopplung entscheidend. Die T-Tubuli leiten das Aktionspotential entlang ihrer Oberfläche und bewirken die Depolarisation des Zellinneren. In den terminalen Zisternen des sarkoplasmatischen Retikulums befinden sich hohe Konzentrationen von Kalziumionen.
Während die T-Tubuli das Aktionspotential leiten, öffnen die terminalen Zisternen, die durch spannungsabhängige Freisetzungskanäle geschlossen sind. Diese Ereignisse ermöglichen die Diffusion von Calcium in das Sarkoplasma. Dadurch erhöht sich die Menge an Kalzium, die zur Bindung an Troponin zur Verfügung steht, was zu dessen Konformationsänderung führt und Tropomyosin bewegt sich auf dem Aktinfilament. Dadurch wird die Myosin-Bindungsstelle auf den Aktinmolekülen freigelegt.
Wenn die Kalziumkonzentration erschöpft ist, hört die Muskelkontraktion auf. Der Kalziumspiegel kann wieder in den Ruhezustand gebracht werden, indem er aktiv in das sarkoplasmatische Retikulum zurücktransportiert wird. Der Ruhezustand verhindert die Muskelkontraktion, indem die Kalziumionen im sarkoplasmatischen Retikulum zurückgehalten und vom Sarkoplasma ferngehalten werden. Abbildung 7 zeigt diese Abfolge von Ereignissen.
Dysfunktionelles Sarkolemm
Erkrankungen der Skelettmuskulatur, die zu Muskelschwäche und -degeneration führen, können durch erbliche Muskeldystrophie-Erkrankungen verursacht werden. Dies sind fortschreitende Erkrankungen, bei denen gesunde Muskelfasern durch Fett und Fibrose ersetzt werden. Auch Atemversagen kann auftreten, wenn die Krankheit die Atemmuskulatur betrifft.
Duchenne-Muskeldystrophie (DMD) ist ein solches Beispiel und eine der häufigeren Formen von Muskeldystrophie. Sie betrifft Männer und wird durch eine Mutation des Dystrophin-Gens auf dem X-Chromosom verursacht. Die Becker-Muskeldystrophie wird ebenfalls durch Mutationen auf dem Gen verursacht, das Dystrophin kodiert. Diese Krankheit hat einen späteren Beginn als DMD.
Dystrophin ist ein Protein, das im Sarkolemm gegenüber dem Sarkoplasma zu finden ist. Es fungiert als Integrator des Zytoskeletts und verleiht der Membran Stabilität. Es schützt die Muskelzellen vor kontraktionsinduzierten Schäden. Genetische Mutationen des Dystrophin-Komplexes verursachen Muskelschwäche und Muskeldystrophie.
Myasthenia gravis ist eine weitere Krankheit, die das Sarkolemm betrifft. Dabei handelt es sich um eine Autoimmunerkrankung, bei der Autoantikörper gegen die nAChRs auf dem Sarkolemm gerichtet sind. Diese Antikörper können diese Rezeptoren blockieren oder zerstören. Dies führt zu Muskelschwäche, Kurzatmigkeit, Sehstörungen, Schluckbeschwerden und hängenden Augenlidern.
Biologische Bedeutung des Sarkolemmas
Biologisch hat das Sarkolemm viele Funktionen und ist mehr als nur eine Zellmembran. Neben der Ermöglichung von Endo- und Exozytose fungiert das Sarkolemm als Barriere und Bindeglied zum Zytoskelett der extrazellulären Matrix. Außerdem ist es ein elektrischer Isolator.
Als neuromuskuläre Verbindungsstelle dient es der Ausbreitung von Aktionspotentialen und ist an der Erregungs-Kontraktions-Kopplung beteiligt. Darüber hinaus ermöglicht der Kalziumeinstrom durch das Sarkolemm, dass es sich reparieren und die Barrierefunktion aufrechterhalten kann. Wird die Membran beschädigt, kommt es zu einem Kalziumeinstrom, der eine Vesikelexozytose und Vesikelfusion auslöst, was zur Bildung eines Patches an der Verletzungsstelle führt (Membranpatch). Abbildung 8 zeigt diesen Vorgang. Abnormaler Kalziumfluss kann zu Problemen mit der Muskelfaserfunktion führen. Er verursacht Veränderungen der Ionenregulation in den Muskelproteinen. Es wird vermutet, dass ein fehlerhafter Kalziumfluss am Abbau von Muskelfasern bei Muskeldystrophie beteiligt sein kann.
Die Bedeutung des Sarkolemmas als biologische Einheit wird durch Krankheiten hervorgehoben, die seine Dysfunktion verursachen.
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