Hans Hermann Weber

Muscle Contraction and Fibrous Muscle Proteins

Publisher Summary This chapter deals with the contraction of different kinds of muscle that show differences with respect to the amount of tension developed, the maximum shortening, the rate of shortening, and the fuel requirement. These differences not only reflect the varying levels of evolutionary development, but also a considerable adaptation to the performance of special functions. The crossstriated musculature of vertebrates and arthropods is specialized to give in particular a high tension and velocity of shortening, and less to achieve a large degree of shortening. The skeletal muscle fiber thus closely resembles the smooth retractor penis muscle of the dog. When the crystalloids, globular proteins, and enzymes are removed from the skeletal muscle fiber by extraction with glycerol water, the tension developed in ATP-contraction remains as high as before. However, the maximal shortening is comparable to that of a muscle fiber in the delta state, and the velocity of shortening is even less. And finally, the thread model of purified, oriented actomyosin develops only a low tension of a few hundred grams per square centimeter, which is of the same order as that for some smooth muscles. It causes contraction and imparts that degree of plasticity and extensibility that is a pre-requisite both for active and passive changes in length. The softening action of ATP, however, is solely due to the combination of the ATP with actomyosin, for it persists when breakdown and tension are reduced by two-thirds, as when the system is brought to a lower temperature.

Die intrazelluläre Regulation der Muskelaktivität

ZusammenfassungAlle 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.

Zur thermodynamik der kontraktion des fasermodells

1. 1. For the following reasons the model with ATP does not seem to be a new elastic substance with an elasticity highly dependent on temperature: 1. a. The stretching forces calculated according to Wiegand and Snyder do not increase with increasing shortening but decrease. 2. b. With decreasing ATP the interval of temperatures at which tension increases steeply drops to lower temperatures. The opposite would take place if ATP reduced stretching cohesive forces or if as cause of contraction it produced an endothermic chemical reaction. 1. 2. On the other hand it was not possible to obtain ATP-contraction without ATP-splitting: 1. a. There are no reagents inhibiting ATP-splitting without inhibiting the development of tension. 2. b. On washing out ATP it was found that tension originally produced by this ATP lost its dependence on temperature characteristic of a possible new equilibrium. 1. 3. That ATP-contraction is a “steady-state” can be supported by the following facts: 1. a. Shortened fibres have both the same ATP-optimum of tension and of energy produced by ATP-splitting. 2. b. Both optima show an identic shift with the change of temperature. 3. c. With a rise of temperature both tension and splitting increase in the same ratio. 1. 4. The ATP-concentration of the tension optimum depends on the degree of shortening of the model.