Die Bedeutung der Calciumeinströmung

Erklärung

Während einer muskulären Aktivität kommt es zu einem Anstieg der intrazellulären Ca²⁺-Konzentration der Skelettmuskulatur, welche aus einer motorischen Aktivierung resultiert. Innerhalb dieser motorischen Aktivierung sind die kontraktile Aktivierungsabhängigkeit und die genetische Muskelfasertypenspezifität von entscheidender Bedeutung. Die motorischen aktivierungsabhängigen Signale sind bedeutsam für das Ausmaß und die Dauer der Ca²⁺-Einströmung, die nachfolgend durch die transkriptionalen Signalwege entschlüsselt werden.

Anhaltspunkte festigen die wichtige Rolle der CaMKs (Calcium/ Calmodulin abhängige Proteinkinasen) und der CaMKII (Calcium/ Calmodulin abhängige Proteinkinasen II) für die Regulation der oxidativen Enzyme, der mitochondrialen Biogenese und für die Expression der faserspezifischen myofibrillaren Proteine. Die CaMKIV (Calcium/ Calmodulin abhängige Proteinkinasen IV) fördert die mitochondriale Biogenese und den schonenden genetischen Umbau von schnellen zu langsamen Muskelfasern. Jedoch wird die CaMKIV nicht für die aktivierungsabhängige Veränderung des Muskelphänotyps (Morphologische und physiologisches Erscheinungsbild) benötigt.

Die CaMKII dekodiert die frequenzabhängigen Informationen und ist beim hypertropischen Wachstum und der andauernden Adaption aktiviert. Darüber hinaus ist die CaMKII auch während des Muskelschwunds hoch reguliert. Des Weiteren wurde eine verbleibende CaMKII-Aktivität nach einer akuten und anhaltenden Übung festgestellt, weshalb ein muskulärer Gedächtnismechanismus zu vermuten ist.

Dieser Mechanismus könnte darauf hindeuten, dass es zu einem veränderten funktionalen Abruf und zu einer veränderten Ansteuerungsaktivierung, durch eine adaptierte Erwiderung, kommt. Die Dosierung der adaptierten Erwiderung wäre abhängig von dem Aktivierungslevel.

Diese Enzymkategorie könnte daher der ideale Dekodierer von verschlüsselten Informationen bezüglich der Intensität, der Frequenz und der zirkulierenden Aufgabenabläufe der Muskelaktivierung sein und demnach als Umwandlungslevel der muskulären Aktivität in phänotypische Adaptionen, durch die Regulation von wichtigen Muskelgenen, fungieren.

Die Skelettmuskulatur hat eine außergewöhnliche Fähigkeit sich an eine geänderte funktionale Beanspruchung anzupassen. Die Beeinflussung einer erhöhten Belastung (Widerstandstraining) und einer erhöhten Dauer der Aktivierung (Ausdauertraining) resultiert in muskuläre Adaptionen durch die unterschiedlich nach geordneten Ziel-Gene, welche Muskelhypertrophie, Fasertyp-Transition oder mitochondriale Biogenese induzieren.

Gleichermaßen werden durch eine zu geringe Belastung infolge von Untätigkeit oder Verletzung Ansteuerungssignale induziert, die die Muskelatrophie verursachen. Das intrazelluläre Calcium spielt eine bedeutende Rolle bei der Signal-Transduktion in alle Zelltypen. Es ist allgemein bekannt, das Ca²⁺ eine essentielle Rolle beim Kontraktions-Relaxations-Ablauf einnimmt. Erst kürzlich wurde die Ca²⁺-Bedeutung für das aktivitätsabhängige Muskel-Gen-Verhalten und für Erklärung der Muskelfasertyp-Heterogenität anerkannt.

Die neuronale Aktivierung der Skelettmuskulatur resultiert durch die Freigabe von ACH aus den Vesikeln der motorischen Endplatte. Hierbei kommt es Aufgrund der erhöhten Ca²⁺-Konzentration während der Depolarisation zu einer Verschmelzung zwischen der Vesikelmembran und der präsynaptischen Membran. Nachfolgend findet die Ausschüttung von ACH in den synaptischen Spalt statt.

Die Frequenz und die Dauer der Stimulation bestimmen die Amplitude und die Dauer der Ca²⁺-Einströmung und somit das Level der Energie-Ausgabe der Muskulatur (excitation-contraction-coupling). Einschließlich und in gleicher Weise könnte durch die Amplitude und die Dauer der Ca²⁺-Einströmung die Menge des Gen-Durchlaufes bestimmt und dadurch ein fester Ankopplungs-Mechanismus für das Ausmaß der Muskelerregung zur Regelung, der Transkription geschafft werden (excitation-transcription-coupling).

Es ist möglicherweise dieser Mechanismus der eine feste Verbindung des Muskel-Gen-Verhaltens zu dem Aktivierungs-Gedächtnis der Zelle schafft. Dieses zelluläre Gedächtnis würde somit die Basis für muskuläre Adaptionen auf molekularer Ebene bilden.