Guinguette Marais Poitevin

Sarcolemma
n. Het dunne, doorzichtige, rekbare membraan dat elke gestreepte spiervezel bedekt
Bron: bewerkt door Maria Victoria Gonzaga, BiologyOnline.com, uit het werk van OpenStax, CC BY-SA 4.0..

Sarcolemma Definitie

Wat is het sarcolemma? Het is het dunne, doorzichtige, rekbare plasmamembraan van de spiercel. Het bestaat uit een celmembraan (plasmamembraan) en een buitenmantel die bestaat uit een dunne laag polysaccharidemateriaal (glycocalyx) met talrijke dunne collageenfibrillen. Etymologisch, wat bedoelt u met sarcolemma? ‘Sarco’ komt van het Griekse (sarx) dat ‘vlees’ betekent, en ‘lemma’ komt van het Griekse dat ‘schede’ betekent.

Kenmerken van Sarcolemma

De sarcolemma-anatomie kan worden gedefinieerd als het plasmamembraan van een spiercel of het plasmamembraan van een spiervezel. Spiercellen worden ook wel spiervezels genoemd vanwege hun lange, cilindrische vorm.

Het sarcolemma is bedekt met een glycocalyx. Hoe definiëren we glycocalyx? De glycocalyx is een coating die het celmembraan bedekt. Hij bestaat uit glycosaminoglycanen (GAG’s), proteoglycanen en andere glycoproteïnen die bestaan uit zure oligosacchariden met siaalzuren aan het eindpunt. Eiwitten die geassocieerd zijn met de glycocalyx fungeren als transmembraaneiwitten die helpen het membraan te verbinden met het cytoskelet van de cel. Dit houdt de structuur van het membraan veilig en maakt signaaltransductie tussen de intracellulaire en extracellulaire componenten mogelijk.

Het sarcolemma kan elektrisch worden geëxciteerd, wat leidt tot de activering van spiervezels door signalen van motorische zenuwen. Het sarcolemma bevat ion-geleidende banen en kanalen waardoor natrium, kalium, calcium en chloride selectief en niet-selectief stromen.

Deze membraanbanen kunnen zich openen in reactie op specifieke moleculen (liganden), transmitters, of wanneer veranderingen in spanning optreden. Het sarcolemma maakt gebruik van natuurlijk voorkomende regulerende processen om deze banen te sluiten.

Net buiten het sarcolemma, in contact met de glycocalyx is het keldermembraan. Dit dient om verdere diffusie van elektrolyten te voorkomen en de spiervezels te ondersteunen en vorm te geven.

Sarcolemma Structuur

Is sarcolemma een bindweefsel? Nee, het is geen bindweefsel. Het sarcolemma is het plasmamembraan.

Het sarcolemma wordt beschreven als bestaande uit twee lagen. De eerste is het plasmamembraan, een structuur met een soortgelijke biochemische samenstelling als het algemene plasmamembraan dat in eukaryote cellen wordt aangetroffen. De tweede laag is de glycocalyx, die in contact staat met het basementmembraan. Het keldermembraan is rijk aan collageenfibrillen en eiwitten die de spiervezels in staat stellen zich eraan te hechten. Het cytoskelet van de spiercel, dat bestaat uit een grote hoeveelheid actine-eiwit, is met het keldermembraan verbonden via transmembraaneiwitten in het plasmamembraan. De uiteinden van de spiervezels versmelten met peesvezels, die zich op hun beurt verzamelen in bundels om spierpezen te vormen. Hierdoor worden de spiervezels aan het bot gehecht.

Er zijn 3 lagen bindweefsel in de spieren. Dit zijn het epimysium, het perimysium, en het endomysium. De buitenste laag bindweefsel rond een skeletspier is het epimysium. Het perimysium omhult bundels spiervezels (fascikels) en het endomysium omhult de afzonderlijke spiervezels. Dus, wat is het verschil tussen het sarcolemma en het endomysium? Het is belangrijk deze termen niet te verwarren. Het sarcolemma is het celmembraan van de spiervezel, en het endomysium is de bindweefsellaag over de spiervezel. Figuur 2 toont de locaties van de 3 lagen bindweefsel.

Om de structuur en functie van het sarcolemma te begrijpen, moeten we eerst de structuur van het gestreepte spierweefsel begrijpen. In spiervezels bevinden zich myofibrillen die over de lengte van de cel lopen. Myofibrillen kunnen worden omschreven als eenheden van een spiercel die zijn opgebouwd uit georganiseerde eiwitten die bestaan uit sarcomeren. In elke spiervezel kunnen honderden tot duizenden myofibrillen worden aangetroffen.

Er zijn 2 soorten myofibrillen die ofwel uit dikke filamenten ofwel uit dunne filamenten bestaan. Het eiwit actine vormt voornamelijk de dunne filamenten, samen met de eiwitten tropomyosine en troponine. Het eiwit myosine vormt de dikke filamenten. Deze filamenten overlappen elkaar en vormen patronen die onder een microscoop kunnen worden bekeken (strepen).

Actine en myosine zijn de eiwitten die betrokken zijn bij spiercontractie. Deze dunne en dikke filamenten vormen banden die bekend staan als A-banden en I-banden. “A” staat voor anisotroop (omdat de filamenten in de ene richting sterker zijn dan in de andere) en “I” staat voor isotroop (omdat ze in elke richting dezelfde fysische eigenschappen hebben). De A-band bevat een H-zone waar geen overlapping tussen de dunne en dikke filamenten optreedt. Hij bestaat alleen uit de dikke filamenten en maakt spiercontractie mogelijk door korter te worden.

Een sarcomeer is een structurele eenheid van gestreept spierweefsel. Sarcomeren zijn herhalende eenheden die voorkomen tussen elke Z-lijn (of Z-schijf). De Z-lijn is de grens tussen elk sarcomeer. De sarcomeer is opgebouwd uit myofibrillen. De M-lijn ligt in het midden van het sarcomeer en is de aanhechtingsplaats voor de dikke filamenten. De M-lijn is opgebouwd uit de eiwitten myomesine, titine, obscurine en obsl1. De figuren 3 en 4 tonen de structuur van een sarcomeer met aanduiding van de verschillende filamenten en banden.

Nu hebben we gekeken naar de structuur van het spierweefsel. We kunnen meer begrijpen over het plasmamembraan van de spiercellen. Zoals eerder gezegd, wordt het plasmamembraan van een skeletspiervezel het sarcolemma genoemd. Het sarcolemma gaat over in het cytoplasma van de spiercel (sarcoplasma). Dit vormt membraneuze tubuli die dwars door de spiercellen lopen. Deze worden transversale tubuli (of “T- tubuli”) genoemd. De T-tubuli bevatten extracellulaire vloeistof, die rijk is aan zowel calcium- als natriumionen.

Binnenin de spiervezels liggen de T-tubuli dicht bij vergrote gebieden van het sarcoplasmatisch reticulum die terminale cisternae worden genoemd. Twee terminale cisternae die zich aan weerszijden van een T-tubule bevinden, staan bekend als een triade. Er zijn duizenden triades in elke spiervezel. Het sarcoplasmatisch reticulum bevindt zich rond de myofibrillen en bestaat uit membraan-gebonden tubuli. Het sarcoplasmatisch reticulum fungeert als calciumopslagplaats. Meer informatie over de functie van het sarcolemma wordt hieronder in meer detail beschreven. Figuur 5 toont de anatomische relatie van de T-tubuli, de terminale cisternae, en het sarcoplasmatisch reticulum, alsmede een microscopische afbeelding van een triade.

De functie van het Sarcolemma

Wat is de functie van het sarcolemma? Als het membraan van de spiercel fungeert het sarcolemma als barrière tussen de extracellulaire en intercellulaire delen van de spiervezelcellen. Het kan dit doen omdat het membraan van nature lipide is, waardoor het de vloeistoffen van de intracellulaire en extracellulaire ruimten scheidt en alleen water binnenlaat via aquaporine-kanalen. Het membraan bevat ionenpompen zoals in andere celmembranen in het lichaam, waardoor ionengradiënten kunnen worden gecreëerd om ATP te verbruiken.

Het T-tubule membraangedeelte van het sarcolemma is zeer plastisch en zorgt daardoor voor stabiliteit tijdens de spiercontractie. Studies hebben ook aangetoond dat de T-tubuli betrokken zijn bij de waterhuishouding en de volumeregeling van de cellen, bij het herstel na spiervermoeidheid en bij het transport van moleculen. De T-tubuli spelen ook een belangrijke rol bij de overdracht van actiepotentialen, die later zal worden besproken.

De structuur en het ontwerp van het sarcolemma zijn essentieel voor het ontvangen en geleiden van prikkels. In rusttoestand houdt het sarcolemma het inwendige van de spiervezel op een negatieve potentiaal ten opzichte van de extracellulaire vloeistof. Het pompt meer natriumionen uit dan het kaliumionen opneemt. Daarom heeft het sarcoplasma een hogere kaliumconcentratie maar een lagere natriumconcentratie dan de extracellulaire ruimte. In termen van lading betekent dit dat de binnenkant van het sarcolemma een negatieve lading heeft, en de extracellulaire ruimte een positieve lading.

Ingebed in het sarcolemma zijn spanningsgevoelige natriumkanalen, natrium- en kalium ATPase-pompen, en spanningsgevoelige kaliumpompen. Deze kanalen en pompen zijn verantwoordelijk voor het handhaven van een negatieve potentiaal. Het sarcolemma is ook semi-permeabel en laat diffusie van ionen toe langs hun elektrochemische gradiënten.

Wat initieert een actiepotentiaal in een spiercel?

Een actiepotentiaal kan worden omschreven als een plotselinge verandering van de rustpotentiaal van het membraan. De neurotransmitter acetylcholine (ACh) zet een cascade van gebeurtenissen in gang wanneer het vrijkomt uit neuromusculaire juncties aan de presynaptische zenuwuiteinden. ACh bindt zich aan receptoren op het sarcolemma die bekend staan als nicotinische acetylcholinereceptoren (nAChR’s).

Door deze binding kan natrium langs de concentratiegradiënt stromen, waardoor een actiepotentiaal ontstaat die leidt tot depolarisatie van de spiervezel. Simpel gezegd: het spanningsverschil tussen de binnenkant van het sarcolemma en de buitenkant van de extracellulaire matrix wordt verkleind doordat natriumionen de spier in stromen en kaliumionen uit de spier stromen.

Repolarisatie van het membraan treedt op wanneer het membraan terugkeert naar zijn rusttoestand. Door de positieve lading aan de binnenzijde van het membraan sluiten de spanningsafhankelijke natriumkanalen en gaan de spanningsafhankelijke kaliumkanalen open, maar alleen wanneer het sarcoplasma zijn maximale positieve lading heeft bereikt. Positief geladen kaliumionen kunnen dan terug naar buiten stromen, naar de extracellulaire ruimte buiten de spiercel, waardoor de positieve lading afneemt en het sarcolemma wordt gerepolariseerd. Tijdens de repolarisatie, en een korte tijd daarna, moeten de natriumkanalen terug naar hun rusttoestand en kan het membraan niet opnieuw worden gerepolariseerd. Dit wordt de refractaire periode genoemd. Figuur 6 toont de cascade van gebeurtenissen die betrokken zijn bij depolarisatie van het sarcolemma.

Figuur 6. Depolarisatie gebeurtenissen in het sarcolemma. Credit: RPayne0216, hoorcollege Examen 3: stappen in samenvatting van gebeurtenissen in generatie en voortplanting van een actiepotentiaal in een skeletspiervezel, van Quizlet.

Het belang van T-tubuli en triades

De actiepotentiaal reist van het sarcolemma via een T-tubule naar het sarcoplasmatisch reticulum. Daarbij wordt het vrijkomen van calcium-ionen uit de terminale cisternae van het sarcoplasmatisch reticulum gestimuleerd. De calciumionen binden zich vervolgens met troponine (een bolvormig eiwitcomplex dat samen met actine en tropomyosine in dunne filamenten wordt aangetroffen). Actineplaatsen worden dan blootgelegd, en de spier kan samentrekken. De actiepotentiaal kan worden beschreven als een golf die vanaf de neuromusculaire junctie langs het sarcolemma wegvloeit.

De signaalcommunicatie van het sarcolemma naar de spiereiwitten wordt geholpen door calciumionen. Spiervezels kunnen snel calciumionen afgeven en weer opnemen. Omdat myofibrillen millimeters of zelfs centimeters lang kunnen zijn, werkt de triadenstructuur om het sarcolemma met de calciumvoorraden te verbinden. Dit helpt om de ruimtelijke beperkingen van het gebruik van calcium als boodschapper te overwinnen.

De signaalcommunicatie van het sarcolemma naar de myofibrillen om de spiercontractie te beginnen staat bekend als excitatie-contractie (E-C) koppeling. Deze term werd voor het eerst beschreven door Alexander Sandow in 1952. De T-knobbels en het sarcoplasmatisch reticulum zijn van vitaal belang voor de E-C koppeling. De T-tubuli transporteren de actiepotentiaal langs hun oppervlak en veroorzaken de depolarisatie van het celinterieur. De terminale cisternae van het sarcoplasmatisch reticulum bevatten hoge concentraties calciumionen.

Als de T-tubuli de actiepotentiaal geleiden, openen de terminale cisternae die zich sluiten spanningsafhankelijke afgavekanalen. Hierdoor kan calcium in het sarcoplasma diffunderen. Dit verhoogt de hoeveelheid calcium die beschikbaar is om zich aan troponine te binden, hetgeen resulteert in zijn conformatieverandering en tropomyosine beweegt op het actinefilament. Hierdoor komt de myosine-bindende plaats op de actinemoleculen vrij.

Wanneer de calciumconcentratie is uitgeput, stopt de spiercontractie. Het calciumgehalte kan worden hersteld tot de rusttoestand door actief terugtransport naar het sarcoplasmatisch reticulum. De rusttoestand voorkomt spiercontractie door de calciumionen vast te houden in het sarcoplasmatisch reticulum en weg te houden van het sarcoplasma. Figuur 7 toont deze opeenvolging van gebeurtenissen.

Disfunctioneel Sarcolemma

Ziekten van de skeletspieren die leiden tot spierzwakte en -degeneratie kunnen worden veroorzaakt door erfelijke spierdystrofieziekten. Dit zijn progressieve aandoeningen waarbij gezonde spiervezels worden vervangen door vet en fibrose. Ademhalingsproblemen kunnen zich ook voordoen als de ziekte de ademhalingsspieren betreft.

Duchenne spierdystrofie (DMD) is zo’n voorbeeld en een van de meer voorkomende vormen van spierdystrofie. Het treft mannen en wordt veroorzaakt door een mutatie in het dystrofine-gen op het X-chromosoom. Becker spierdystrofie wordt ook veroorzaakt door mutaties op het gen dat dystrofine codeert. Deze ziekte begint later dan DMD.

Dystrofine is een eiwit dat wordt aangetroffen in het sarcolemma tegenover het sarcoplasma. Het functioneert als een cytoskeletale integrator die het membraan stabiliteit geeft. Het beschermt de spiercellen tegen door contractie veroorzaakte schade. Genetische mutaties van het dystrofinecomplex veroorzaken spierzwakte en spierdystrofie.

Myasthenia gravis is een andere ziekte die het sarcolemma aantast. Dit is een auto-immuunziekte waarbij auto-antilichamen gericht zijn tegen de nAChR’s op het sarcolemma. Deze antilichamen kunnen deze receptoren blokkeren of vernietigen. Dit leidt tot spierzwakte, kortademigheid, gezichtsproblemen, slikproblemen en hangende oogleden.

Biologisch belang van sarcolemma

Biologisch gezien heeft het sarcolemma vele functies en is het meer dan alleen een celmembraan. Behalve dat het endo- en exocytose mogelijk maakt, fungeert het sarcolemma als een barrière en een verbinding met het cytoskelet van de extracellulaire matrix. Het is ook een elektrische isolator.

Als neuromusculaire junctie fungeert het voor de voortplanting van actiepotentialen en is het betrokken bij de excitatie-contractie koppeling. Bovendien zorgt de instroom van calcium via het sarcolemma ervoor dat het zich kan herstellen en een barrièrefunctie kan blijven vervullen. Als het membraan beschadigd is, komt er calcium binnen dat exocytose van blaasjes en fusie van blaasjes in gang zet, waardoor er op de plaats van het letsel een patch wordt gevormd (membraan patch). Figuur 8 toont dit proces. Een abnormale calciumstroom kan leiden tot problemen met de spiervezelfunctie. Het veroorzaakt veranderingen in de ionenregulatie in spiereiwitten. Men denkt dat een onjuiste calciumstroom betrokken kan zijn bij de afbraak van spiervezels bij spierdystrofie.

Het belang van het sarcolemma als biologische entiteit wordt benadrukt door ziekten die het disfunctioneren ervan veroorzaken.

• Al-Qusairi, L., Laporte, J.(2011). T-tubule biogenese en triade vorming in skeletspieren en implicatie in menselijke ziekten. Skeletspier 1, 26 . https://doi.org/10.1186/2044-5040-1-26
• Biga, L.M et al. Anatomy and Physiology – Skeletal Muscle. Oregon State University. https://open.oregonstate.education/aandp/chapter/10-2-skeletal-muscle/
• Calderón, J. C., Bolaños, P., & Caputo, C. (2014). The Excitation-Contraction Coupling Mechanism in Skeletal Muscle. Biophysical reviews, 6(1), 133-160. https://doi.org/10.1007/s12551-013-0135-x
• Definitie van Sarcolemma. Histologie@yale. http://medcell.med.yale.edu/cgi-bin/keyword.cgi?keyword=sarcolemma
• Verschil tussen A-band en I-band van Sacromeer, Vergelijkingstabel. Eenvoudige biologieles. https://www.easybiologyclass.com/difference-between-a-band-and-i-band-of-sarcomere-comparison-tab/
• Gao, Q. Q., & McNally, E. M. (2015). The Dystrophin Complex: Structure, Function, and Implications for Therapy. Comprehensive Physiology, 5(3), 1223-1239. https://doi.org/10.1002/cphy.c140048
• Katzemich, A., Kreisköther, N., Alexandrovich, A., Elliott, C., Schöck, F., Leonard, K., Sparrow, J., & Bullard, B. (2012). De functie van het M-lijn eiwit obscurine in het controleren van de symmetrie van de sarcomeer in de vliegspier van Drosophila. Journal of cell science, 125(Pt 14), 3367-3379. https://doi.org/10.1242/jcs.097345
• Monne, H., et al. (2013). Structuur van de glycocalyx. BioPhysical Journal. (104)2. Supplement 1, 251a. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2012.11.1412
• Ohlendieck K. (2000-2013) The Pathophysiological Role of Impaired Calcium Handling in Muscular Dystrophy. In: Madame Curie Bioscience Database . Austin (TX): Landes Bioscience; https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK6173/
• Office of Communications and Public Liaison. (2020). Myasthenia Gravis Factsheet. Nationaal instituut voor neurologische aandoeningen en beroerte. https://www.ninds.nih.gov/Disorders/Patient-Caregiver-Education/Fact-Sheets/Myasthenia-Gravis-Fact-Sheet
• Rivero, J. L., Piercy, R. J. (2008). Hoofdstuk 2.1. Spierfysiologie, reacties op inspanning en training. Hippische inspanningsfysiologie. (2.1) 30 – 80.
• Valberg, S.J. (2008). Skeletspier functie. Klinische biochemie van landbouwhuisdieren zesde editie. (15) 459-484.
• Weisleder, N. Sarcolemma in gezondheid een ziekte. Afdeling Fysiologie en Celbiologie Davis Heart and Lung Research Institute. The Ohio State University. www.nationwidechildrens.org.