Liganden und Transkription

Von der Ca²⁺ Amplitude bis zur transkriptionalen Erwiderung

Die Aktivierung der Muskelkontraktion beruht auf der Depolarisation der Plasma-Membran und des transversalen T-Tubuli Systems. Die Depolarisierung durch das Aktionspotenzial öffnet in der Membran der T-Tubuli die spannungsabhängigen Dihydropyridin-Rezeptoren. Somit fließt Ca²⁺ von außen in die Muskelfaser und es kommt zu einer Konfigurationsänderung dieses Kanals. Diese Änderung aktiviert den Ryanodin-Rezeptor in der Membran des sarko-plasmatischen Retikulums.

Jetzt folgt ein Einstrom von Ca²⁺-Ionen aus der L-Tubuli. Die Ca²⁺-Konzentration steigt dadurch deutlich an und resultiert in eine Aktin-Myosin-Interaktion, Faserverkürzung und Energieproduktion. Die Erhöhung der Ca²⁺-Skelettmuskel-Level werden durch Ligand-vermittelte (ein Molekül, das an ein Zielprotein binden kann) Aktivierungen der L-Type-Ca²⁺-Kanäle erreicht. Hierbei kommt es zur Signalisierung von insulin-ähnlichen Wachstums-Faktoren, die aus den Ca²⁺-Einströmungen in die Plasma-Membran resultieren. Somit haben die Erregung und die Ligand-Vermittlung eine Bedeutung für die Plastizität der Skelettmuskulatur.

Die Wandlungsfähigkeit von Muskelfasern ist seit längerem bekannt, wohingegen die grundlegenden molekularen Mechanismen, die für die adaptive Erwiderung verantwortlich sind bis heute weitestgehend ungeklärt sind. Die Skelettmuskulatur weist eine deutliche Heterogenität zwischen den einzelnen Muskelfasertypen auf.

Sie besteht aus zwei Muskelfasertypen, dem langsamen Muskelfasertyp und dem schnellen Muskelfasertyp. Die Muskelfasertypen variieren in der Kontraktionsgeschwindigkeit, im Stoffwechselprofil und in der Ermüdungswiderstandsfähigkeit. Auch die genetisch bestimmten Abläufe in den langsamen und schnellen Muskelfasertypen sind überwiegend bekannt. Dem gegenüber steht ein noch weitgehend zu untersuchender Bereich über die regulierenden Signale, die die unterschiedlichen genetischen Bestimmungen innerhalb der Muskelfasertypen steuern. Es wird vermutet, dass die Muster der genetisch bestimmten Muskelfaserspezifität und der genetisch bestimmten Muskelfaserveränderung durch eine variierende Aktivität oder Beanspruchung beeinflusst werden. Diese sind abhängig von dem Level bzw. der Höhe der elektrischen Aktivierung, den automatischen Anspannungen an den Membranen, den Neuerungen der intrazellulären Stoffwechsel-Produkte (Glukose, Glykogen, ATP), der ionischen Art (H⁺, K⁺, Ca²⁺) und der reaktiven Sauerstoffart sowie den Wachstumsfaktoren der autokrinen (von der Zelle selbst abgesondert) und parakrinen (von der Nachbarzelle abgesondert) Sekrete. Dieser noch zu untersuchende Bereich unterstützt das gegenwärtige Interesse, die intrazelluläre Bedeutung der Ca²⁺-abhängigen Regulierung der genetisch gesteuerten Skelettmuskulaturbestimmung zu entschlüsseln.

Studien zeigen eine deutliche Verwicklung von transkriptionalen Erwiderungen mit einer erhöhten Ca²⁺-Konzentration, die sich in einem gesteigerten mitochondrialem Enzymverhalten bezüglich der mRNA (Boten-Ribonukleinsäure) und des Proteinlevels, ausdrücken. In der weiteren Betrachtung des Aktivierungsverhaltens der mitochondrialen Enzyme (Enzym-Marker) durch ähnliche Studien wurde ein erhöhtes Verhalten der transkriptionalen Faktoren festgestellt, woraus sich eine entscheidende Rolle für die Biogenese ableiten lässt.

Diese Ergebnisse untermauern weiter die bedeutende Rolle von Ca²⁺ bei der Regulierung des mitochondrialen Gen-Verhaltens mittels der transkriptionalen Schritte. Eine Ca²⁺-gesteuerte Aktivierung der transkriptionalen Regulation stellt einen Mechanismus bereit, der zu einer intrazellulären Erhöhung der Ca²⁺-Konzentration führt, wodurch der Muskel vorbereitet wird für eine anhaltende Steigerung des mitochondrialen Gen-Verhaltens.

Sowohl die Amplitude als auch die Dauer der Ca²⁺-Einströmung wird von der Frequenzabgabe der motorischen Einheit bestimmt. Die Komponente der Frequenz wiederum bestimmt die Amplitude des Ca²⁺-Signals. Somit ist das Level der Energieausgabe abhängig von der Stimulationsfrequenz. Die Dauer der Aktivierung wiederum bestimmt über die temporären Faktoren, wie zum Beispiel die Stärke der Aktivierung, die Aktivierung der Ca²⁺-abhängigen Bindungsproteine und die nachgeordneten Signale. Diese Amplitude und die Dauer der Amplitude sind kodierte Signale, die wiederum von den nach geordneten Ca²⁺-abhängigen Signalwegen erkannt werden müssen. Und die nachgeordneten hauptsächlich übermittelnden Signalwege zum Übersetzen einer intrazellulären Ca²⁺-Erhöhung in eine transkriptionale Erwiderung beinhalten die CnA (Ca²⁺/calmodulin-dependent phosphatase calcineurin), die CaMKII (Ca²⁺/calmodulin-dependent phosphatase calcineurin) und die CaMKIV (Ca²⁺/calmodulin-dependent kinase IV). Von weiterer Bedeutung ist zusätzlich die muskuläre Plastizität.