Unerwartete Organisation: Neu entdeckte Muskelfaserstruktur

Von der Universität Lüttich, 5. Juni 2023

Längsschnitt zur Veranschaulichung der gitterartigen Konfiguration innerhalb des Schallmuskels bei Parophidion vassali. Bildnachweis: Marc Thiry/Universität Lüttich

Forscher haben gerade die unerwartete Entdeckung einer neuartigen Organisation von Muskelfasern bei Parophidion vassali gemacht, einem Fisch, der im Mittelmeer lebt und wie viele Fische spezielle Muskeln nutzt, um Geräusche zu erzeugen. Dies ist eine wichtige Entdeckung, die unser Verständnis der Muskelkontraktion durchaus verändern könnte.

Wissenschaftler der Universität Lüttich, Eric Parmentier und Marc Thiry, haben eine einzigartige Anordnung von Muskelfasern im Mittelmeerfisch Parophidion vassali entdeckt, die möglicherweise unser Verständnis der Muskelkontraktion revolutionieren könnte. Diese einzigartige netzwerkartige Konfiguration von Myofibrillen innerhalb der Muskelfaser könnte schnelle Kontraktionen bei gleichzeitiger Beibehaltung der Kraft ermöglichen. Weitere Forschung ist erforderlich, um diese neuartige Muskelfaserstruktur und ihre funktionellen Auswirkungen vollständig zu verstehen.

Die Geschichte der Beschreibung der Skelettmuskulatur hat ihren Ursprung in den Beobachtungen des niederländischen Biologen Antoni van Leeuwenhoek, einem Vorreiter der Zellbiologie und Mikrobiologie, der in einem 1712 in den Philosophical Transactions der Royal Society veröffentlichten Artikel über „Danke“ berichtete bis hin zur Verwendung eines tragbaren Einlinsenmikroskops die Erstbeschreibung von Muskelfasern des Wals. Im Jahr 1840 lieferte der Anatom William Bowman eine genauere Beschreibung des Muskels und stellte fest: „Die Existenz und Anordnung abwechselnd heller und dunkler Linien […], die von exquisiter Feinheit und Verarbeitung sind.“ (Siehe „Über Muskelfasern“ am Ende dieses Artikels.)

Nachfolgende Studien haben zu immer klareren Beschreibungen geführt, einschließlich der Identifizierung der verschiedenen Moleküle, aus denen der Muskel besteht, und einer Erklärung seiner Funktionsweise, insbesondere des 1957 vom Biophysiker Andrew Huxley vorgeschlagenen Modells der Muskelkontraktion. Im Laufe der letzten 300 Jahre Zahlreiche Studien haben die Darstellung der Muskelfaserorganisation auf verschiedene Taxa ausgeweitet. Dies hat gezeigt, dass die allgemeine Organisation der quergestreiften Muskelfasern in allen bisher untersuchten Wirbeltiergruppen perfekt erhalten geblieben ist.

Abbildung 1. Vergleich der Organisation des „klassischen“ Skelettmuskels mit parallelen Myofibrillen und des Schallmuskels mit Gittermyofibrillen bei Parophidion vassali. Bildnachweis: E.Parmentier/M.Thiry/Université de Liège

However, the proportion of each of these cellular components can vary from one fiber to another, giving these fibers particular contraction properties. For example, a fiber rich in myofibrils with a poorly developed sarcoplasmic reticulum is found in muscles that develop force during contraction. Conversely, fibers low in myofibrils with an abundance of sarcoplasmic reticulum and numerous mitochondria are present in muscles that develop an increased speed of contraction. The fastest muscles are found in the sonic muscles of fish, where certain speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Arten erzeugen Geräusche mithilfe von Muskeln, die sich mit einer Frequenz zwischen 100 und 300 Hz zusammenziehen, dh 100 bis 300 Kontraktions-/Entspannungszyklen pro Sekunde.

Eine kürzlich in Zusammenarbeit zwischen dem Functional and Evolutionary Morphology Laboratory und dem Cell and Tissue Biology Laboratory durchgeführte Studie hat eine neue Anordnung von Myofibrillen in den Fasern eines Schallmuskels beim Fisch Parophidion vassali aufgedeckt. Anstatt parallel angeordnet zu sein, bilden die Myofibrillen ein riesiges Netzwerk innerhalb der Muskelfaser, erklärt Prof. Eric Parmentier, Direktor des Labors für funktionelle und evolutionäre Morphologie an der Universität Lüttich.

Jede Myofibrille teilt sich an jedem Sarkomer in zwei Zweige, von denen einer mit der darüber liegenden Myofibrille und der andere mit der darunter liegenden Myofibrille verbunden ist (Abbildung 1B). Dieses neue Muskelfaserdesign könnte zu einem Muskel führen, der sich schnell zusammenzieht und gleichzeitig seine Kraft behält. Der Mangel an Myofibrillen und das große Volumen des sarkoplasmatischen Retikulums sprechen für Fasern, die sich schnell kontrahieren.

„Die Netzwerkstruktur der Myofibrillen würde es ermöglichen, dass mehr Myosinköpfe Querbrücken mit den Aktin-Myofilamenten bilden, was die Kraft in diesem schnellen Muskel erhöhen würde“, erklärt Prof. Marc Thiry, Direktor des Labors für Zell- und Gewebebiologie. „Darüber hinaus scheinen zahlreiche Mitochondrien, die ungewöhnlich innerhalb der Z-Striae angeordnet sind (sehr lang in diesen Fasern: 700 nm im Vergleich zu 70 bis 150 nm in einem herkömmlichen Muskel), die Energie bereitzustellen, die für die Erzeugung lang anhaltender Geräusche erforderlich ist.“

Diese neue Art der Organisation quergestreifter Muskelfasern, die in der wissenschaftlichen Literatur noch nie beschrieben wurde und die es daher ermöglichen würde, Muskelkraft und Geschwindigkeit zu kombinieren, erfordert weitere Studien, um ihre Funktionsweise zu verstehen und festzustellen, ob es auf dieser Ebene zu Anpassungen kommt der verschiedenen Moleküle, die an diesen Muskeln beteiligt sind.

Längsschnitt durch einen klassischen Skelettmuskel. Bildnachweis: Marc Thiry/Universität Lüttich

Gestreifte Skelettmuskelfasern oder -zellen stellen die elementaren Einheiten willkürlicher Muskeln (Muskeln, die Bewegungen wie Fortbewegung oder Haltungserhaltung ermöglichen) bei Tieren dar. „Jede Faser ist durch zahlreiche kontraktile Elemente, Aktin- und Myosin-Myofilamente, gekennzeichnet, die in Bündeln parallel zur Längsachse der Muskelfaser, sogenannten Myofibrillen, organisiert sind.

Im Längsschnitt unter dem Lichtmikroskop erscheinen diese Fasern als eine Abfolge heller und dunkler Bänder, die sich für jede Myofibrille auf gleicher Höhe befinden, was den Eindruck einer Querstreifung der Muskelfaser erweckt. Eine dunklere Linie teilt das helle Band in der Mitte, die sogenannte Z-Streifenbildung. Der Teil der Myofibrille zwischen zwei Z-Streifen wird Sarkomer genannt und stellt die kontraktile Einheit der Myofibrille dar. Jede Myofibrille besteht daher aus vielen aneinandergereihten Sarkomeren.

Die Myofibrillen nehmen ein großes Zellvolumen ein und sind von Zisternen des glatten endoplasmatischen Retikulums (oder sarkoplasmatischen Retikulums) umgeben, das das für die Muskelkontraktion notwendige Kalzium speichert. Darüber hinaus befinden sich Mitochondrien in der Nähe der Myofibrillen; Sie sind die Hauptquelle für ATP und liefern Energie für die Muskelkontraktion.