Nach zellulärem Aufbau und Art der Energiebereitstellung werden unterschiedliche Muskeltypen unterschieden.

1.1

Die Herzmuskulatur weist, wie die Skelettmuskulatur, eine hohe Ordnung der kontraktilen Muskelproteine Aktin und Myosin auf.

Schematische Darstellung einer Muskelzelle des Herzens

Benenne die gekennzeichneten Strukturen 1–6.

Erläutere den Zusammenhang von Bau der Muskelzelle und ihrer Funktion anhand von zwei Bestandteilen.

4 BE

1.3

Regelmäßiges Training führt zu strukturellen Veränderungen des Muskels.

Wirkung von Training auf die Kapillarisierung und den Anteil der Mitochondrien am Gesamtvolumen des Muskels

Begründe anhand der dargestellten Veränderungen die Leistungssteigerung der Muskulatur bei einer ausdauertrainierten Person.

3 BE

1.4

Pyruvat ist ein Zwischenprodukt beim Glucoseabbau. Um den Einfluss von Pyruvat und ADP auf die Atmungskette in den Mitochondrien zu untersuchen, wurde der Sauerstoffverbrauch in einer Mitochondriensuspension gemessen. Der Suspension wurden Pyruvat und zeitlich versetzt ADP und Phosphorsäurerest-Ionen zugegeben.

Sauerstoffkonzentration einer Mitochondriensuspension nach Zugabe von Pyruvat und ADP + P_i

Erläutere den Zusammenhang zwischen Pyruvatzugabe und Sauerstoffabnahme.

Stelle anhand der Versuchsergebnisse eine begründete Vermutung über den Einfluss von ADP auf die Funktion der ATP-Synthase auf.

6 BE

Die Skelettmuskeln sind für die willkürlichen Körperbewegungen zuständig. Die Verbindung zwischen Motoneuron und Muskel erfolgt über Synapsen.

2.2

Myasthenia gravis ist eine Autoimmunerkrankung, bei der gegen die Acetylcholin-Rezeptoren auf Skelettmuskelfasern Antikörper gebildet werden. Diese Antikörper gehören zu den Autoantikörpern.

Schematische Darstellung der Vorgänge an der Muskelmembran ohne und mit Autoantikörpern (vereinfacht)

Beschreibe mithilfe der Darstellung die Vorgänge an der Muskelmembran bei von Myesthenia gravis Betroffenen.

Leite ein mögliches Symptom der Betroffenen ab.

4 BE

Mithilfe des Gleitfilament-Modells kann der Zusammenhang von Aufbau der Muskulatur und molekularbiologischen Vorgängen bei deren Kontraktion verdeutlicht werden.

3.2

Die BRODY-Krankheit ist eine seltene vererbbare Muskelerkrankung. Bei Betroffenen sind die Muskeln nach anstrengenden Aktivitäten steif und brauchen einige Minuten bis sie wieder vollständig entspannen. Die Krankheit kann durch Mutationen im ATP2A1-Gen verursacht werden. Dieses Gen codiert die -Pumpe in der Membran des sarkoplasmatischen Retikulums (endoplasmatisches Retikulum der Muskelzelle). Die Erhöhung der -Konzentration im Cytoplasma ist die Grundlage für die Bindung des Myosinköpfchens an Aktinfilamente.

Schema zum Transport von Calcium-Ionen an der Membran des sarkoplasmatischen Retikulums

Nicht-Betroffener	3′ ... ACG GCT GCA CGG ACG ACG ... 5′
Betroffener	3' ... ACG GCT GCA CGG ACG ACT ... 5'

Ausschnitt aus dem codogenen Strang des ATP2A1-Gens

Codesonne (Die Codons sind von innen nach außen zu lesen.)

Erkläre die verlängerte Muskelanspannung bei Betroffenen.

6 BE

Benennung

1 Zellmembran

2 Sarkoplasma /Zellplasma

3 Aktin-Filament

4 Zellkern

5 Sarkoplasmatisches/Endoplasmatisches Retikulum

6 Mitochondrium

Erläuterung

Als kontraktile Segmente des Muskels fungieren die Sarkomere. Sie weisen, wie in der bereitgestellten Grafik ersichtlich, speziell strukturierte Filamente aus Aktin und Myosin auf. Die Verankerung der Aktinfilamente erfolgt an den Z-Scheiben, welche die Flanken des Sarkomers definieren. Demgegenüber sind die Myosinfilamente zentral zwischen den Aktinfilamenten positioniert. Aufgrund ihrer charakteristischen Beschaffenheit besitzen die Filamente die Fähigkeit, ineinanderzugleiten, was die Verkürzung des Muskels erlaubt. Beim sarkoplasmatischen Retikulum handelt es sich um ein Membransystem mit einer Verbindung zu den Sarkomeren, welches als Speicherort für -Ionen dient. Eintreffende neuronale Signale bewirken eine Freisetzung von , was eine Konformationsänderung der Aktinfilamente nach sich zieht. Diese Modifikation bildet die Voraussetzung für das Zusammenspiel der Aktin- und Myosinfilamente und stellt somit ein weiteres Fundament der Muskelarbeit dar. Aus der Darstellung der Herzmuskelzelle geht hervor, dass dieser Zelltyp eine hohe Dichte an Mitochondrien besitzt. Für die Kontraktionsprozesse des Muskels besitzen diese Organellen ebenfalls eine fundamentale Relevanz. Sie sichern das energetische Fundament sowohl für das Anspannen als auch für das darauffolgende Relaxieren des Muskels.

Vergleich, z. B. anhand:

Gemeinsamkeiten:

– Beide Vorgänge bezwecken die Regeneration von und bilden somit das Fundament für die Kontraktion der Muskeln.

– Die Zellatmung ist ebenso wie die Gärung partiell an das Sarkoplasma der Muskelzellen gekoppelt.

– Ausgangsstoff für beide Prozesse ist das Glykogen bzw. die Glucose, wobei die Reaktionsschritte der Glykolyse in beiden Fällen identisch ablaufen.

Unterschiede:

– Im Unterschied zur Gärung führt die Zellatmung zu einem kompletten Abbau von Kohlenhydraten in Wasser und Kohlenstoffdioxid, wodurch eine wesentlich größere Menge an generiert wird. Bei der Gärung findet dagegen ein unvollständiger Abbau der Substrate statt, was eine geringere Ausbeute an zur Folge hat.

– Zudem gilt es zu berücksichtigen, dass Mitochondrien die strukturelle Voraussetzung für den kompletten Substratabbau im Zuge der Zellatmung darstellen, wohingegen die Gärung vollkommen im Sarkoplasma lokalisiert ist.

– Als Produkt der Gärung entsteht Laktat, bei dem es sich um ein Salz der Milchsäure handelt. Dieses Laktat nimmt als Ermüdungsfaktor Einfluss auf die metabolischen Abläufe.

Begründung der Leistungssteigerung

Körperliche Betätigung in Form von Training bewirkt, wie in der ersten Grafik dargestellt, eine verstärkte Kapillarisierung innerhalb der Muskelfasern. Durch diese Kapillaren wird der Transport von Sauerstoff sowie Substraten für die Zellatmung zu den Zellen hin und der Abtransport von metabolischen Endprodukten (wie und Laktat) von ihnen weg realisiert. Hierdurch lässt sich der Abbau von Kohlenhydraten effizienter gestalten, was der Muskulatur eine größere Menge an bereitstellt, die Muskelarbeit optimiert und schlussendlich die Leistungsfähigkeit steigert. Indem die Endprodukte wegbefördert werden, lässt sich eine Gewebeübersäuerung im Muskel vermeiden. Demzufolge bleiben negative Einflüsse auf die Stoffwechselprozesse aus, was der ausdauertrainierten Person eine länger andauernde Belastung ermöglicht. Die zweite Grafik verdeutlicht zudem, dass Personen mit Ausdauertraining einen signifikant heraufgesetzten Anteil an Mitochondrien bezogen auf ihr Muskelvolumen aufweisen als Untrainierte. Diese gesteigerte Mitochondriendichte erhöht die Gesamtkapazität der Zellatmung. Auf diesem Weg kann auf aerobe Weise wesentlich mehr generiert werden, welches das energetische Fundament der Muskelaktivität bildet. Folglich verfügen ausdauertrainierte Individuen über eine höhere Leistungsfähigkeit im Vergleich zu untrainierten Personen.

Erläuterung

Das während der Glykolyse gebildete Pyruvat fungiert als Intermediat im aeroben Metabolismus und stellt die Basis für die nachfolgenden Schritte der Zellatmung dar. Innerhalb des Citratzyklus wird dieses Pyruvat vollständig zu sowie an Coenzyme gebundenen Wasserstoff ( und ) abgebaut. Dieser coenzymgebundene Wasserstoff bildet die Voraussetzung für den Prozess der Endoxidation. Bei diesem Vorgang kommt es, vermittelt durch Enzyme, zu einer Akkumulation von Protonen im Intermembranraum zwischen der inneren und der äußeren Mitochondrienmembran. Hierzu passieren die durch und bereitgestellten Elektronen eine Kette von Proteinkomplexen (die Atmungskette), welche aus verschiedenen in der inneren Mitochondrienmembran lokalisierten Redoxsystemen besteht. Die im Zuge dessen freigesetzte Energie dient dem Aufbau eines Protonengradienten, welcher das Fundament für die Synthese von darstellt. Als Biokatalysator fungiert hierbei das Enzym -Synthase. Die über diese -Synthase zurück in die Matrix diffundierenden Protonen reagieren gemeinsam mit den Elektronen aus der Atmungskette und molekularem Sauerstoff zu Wasser. Durch die Zufuhr von Pyruvat lässt sich der Vorgang der Endoxidation innerhalb einer Mitochondriensuspension folglich intensivieren, wodurch vermehrt Sauerstoff umgesetzt wird und dessen Konzentration absinkt.

Begründete Vermutung

Die Voraussetzung für die Bildung von durch das Enzym -Synthase umfasst neben dem bestehenden Protonengradienten das Vorhandensein der Ausgangsstoffe . Das Zurückströmen der Protonen in den Matrixraum liefert hierbei die notwendige Energie für die katalytische Verknüpfung von zu . Enzymatisch gesteuerte Prozesse hängen unter anderem von der Menge der vorliegenden Substrate ab. Eine Erhöhung der Konzentration an übt somit einen positiven Einfluss auf die Aktivität der -Synthase aus: Je größer die Menge an verfügbarem ist, desto mehr Konversionen von zu kann die -Synthase katalysieren.

Skizze

Beschreibung der Vorgänge

Bei Myasthenia gravis handelt es sich um ein Krankheitsbild, welches auf die Aktivität von Autoantikörpern zurückzuführen ist. Diese speziellen Antikörper lagern sich an den Acetylcholinrezeptoren im Bereich der motorischen Endplatte an und besetzen diese, was ein Andocken von Acetylcholin verhindert. Infolgedessen wird die Weiterleitung von Aktionspotenzialen an die Muskelzelle unterbrochen, sodass eine Störung der neuromuskulären Signalübertragung vorliegt. Überdies kommt es, wie aus der dargestellten Grafik ersichtlich, zu einem enzymatischen Abbau der betroffenen Acetylcholinrezeptoren. Das Resultat ist eine reduzierte Rezeptordichte. Wegen dieser verringerten Anzahl an Rezeptoren kann eine adäquate Weiterleitung von Nervensignalen an die Skelettmuskulatur nicht mehr stattfinden.

Mögliches Symptom der Betroffenen

Infolge der gestörten Weiterleitung von Signalen lassen sich motorische Abläufe nicht mehr mit der nötigen Präzision und Kraft umsetzen. Im Verlauf der Krankheit werden zunehmend Rezeptoren zerstört. Dies kann im extremen Fall eine komplette Paralyse der betroffenen Muskulatur nach sich ziehen.

Erläuterung des Einsatzes und mögliche Nebenwirkungen

Das Medikament Pyridostigmin wirkt als Cholinesteraseinhibitor und blockiert die Aktivität des Enzyms Cholinesterase. Unter normalen Bedingungen spaltet dieses Enzym Acetylcholin innerhalb des synaptischen Spalts, um Kontraktionen der Muskeln zu terminieren. Durch die Gabe von Pyridostigmin bei Patienten mit Myasthenia gravis steigt die Konzentration von Acetylcholin im synaptischen Spalt infolge der Enzymblockade an. Auf diese Weise lässt sich das Defizit an funktionierenden Acetylcholinrezeptoren kompensieren, was die Stimulation der postsynaptischen Membran optimiert. Die Leistungsfähigkeit der Muskulatur wird hierdurch angehoben. Das Antikörperfragment Efgartigimod alfa wiederum sorgt für eine Forcierung des Abbaus der pathogenen Autoantikörper. Dadurch nimmt die Blockierung der Acetylcholinrezeptoren ab und die Chance für eine Bindung von Acetylcholin steigt. In der Konsequenz lassen sich vermehrt erregende postsynaptische Potenziale generieren, was die Muskelaktivität der Patienten positiv beeinflusst. Allerdings bringt Efgartigimod alfa auch ernstzunehmende Begleiterscheinungen mit sich. Gemäß den einführenden Informationen bewirkt die Substanz eine generelle Beschleunigung des Antikörperabbaus. Antikörper erfüllen im Körper jedoch essenzielle Aufgaben, indem sie pathogene Keime identifizieren und eliminieren. Zudem sind sie daran beteiligt, dass der Organismus beispielsweise nach dem Durchmachen von Infektionen einen Immunschutz aufbaut. Dementsprechend kann die Verabreichung von Efgartigimod alfa eine Beeinträchtigung der Immunabwehr zur Folge haben.

Begründung der Versteifung bei Totenstarre

Gemäß der Gleitfilamenttheorie führt ein adäquat intensiver Nervenreiz zur Ausschüttung von Calciumionen aus dem sarkoplasmatischen Retikulum. Diese Ionen ermöglichen die Verknüpfung von Aktin- und Myosinfilamenten, woraufhin eine Kippbewegung der Myosinköpfe in Richtung des Sarkomerzentrums erfolgt. In diesem Ablauf kommt eine fundamentale Funktion zu: Es besitzt eine weichmachende Wirkung, was bedeutet, dass die Bindung zwischen Aktin und Myosin durch dessen Präsenz aufgehoben wird. Hierdurch werden die Myosinköpfe fortlaufend in eine energiereiche Ausgangsposition zurückversetzt, von der aus sie erneut an die Aktinfilamente andocken und umknicken können. Diese zyklische Ruderbewegung der Myosinköpfe bewirkt das Ineinandergleiten der Filamente, was die Kontraktion des Muskels zur Folge hat.

Nach dem Eintritt des Todes stoppt die Blutzirkulation im Organismus, wodurch die Versorgung der Muskelzellen mit Sauerstoff und Substraten abbricht. Infolgedessen kann keine Zellatmung mehr stattfinden, sodass die Bereitstellung von erlischt. Der resultierende -Mangel verhindert das Lösen der Myosinfilamente von den Aktinfilamenten, was eine Relaxation des Muskels unmöglich macht. Dieser Zustand wird als Totenstarre definiert.

Erklärung der verlängerten Muskelanspannung

Die genetische Veränderung im ATP2A1-Gen bei den Erkrankten beruht auf einer Substitution der Base Guanin durch Thymin. Dies führt dazu, dass nach dem Prozess der Transkription auf der mRNA der Patienten anstelle des Codons UGC die Sequenz UGA vorhanden ist:

DNA:

mRNA:

AS-Sequenz:

Aus diesem Grund wird der Prozess der Translation an dieser Stelle vorzeitig beendet, wodurch ein verkürztes Peptid generiert wird. Das daraus resultierende Protein, die -Pumpe, büßt dadurch Teile seiner Funktionsfähigkeit ein, was den Rücktransport von -Ionen in das sarkoplasmatische Retikulum verzögert. Infolgedessen trennen sich die Myosinköpfe im Vergleich zu gesunden Individuen erst verspätet von den Aktinfilamenten. Dies bedingt nach körperlicher Beanspruchung eine Steifheit der Muskeln bei den Patienten, da die Phase der Entspannung langsamer abläuft.

Begründung des Erbgangs und Angabe der Genotypen

Der Erbgang der BRODY-Krankheit muss zwingend autosomal-rezessiv sein. Der Beleg hierfür liegt darin, dass zwei phänotypisch gesunde Elternteile zwei erkrankte Töchter zeugen. Die Eltern müssen folglich Konduktoren, also heterozygote Anlageträger des BRODY-Gens, darstellen (Aa). Den Töchtern wurde von beiden Elternteilen jeweils das rezessive Allel übertragen, weshalb sie bezüglich dieses Merkmals homozygot sind (aa). Eine gonosomale Vererbung lässt sich ausschließen, da der Vater keine Symptome der Erkrankung aufweist.