Unerwartete Organisation: Neu entdeckte Muskel-Faser-Struktur

Longitudinale Schnittzeichnung, die die gitterartige Konfiguration innerhalb des Schallmuskels von Parophidion vassali zeigt. Credit: Marc Thiry/Universität Lüttich

Forscher haben kürzlich eine unerwartete Entdeckung in der Muskelorganisation in Parophidion vassali gemacht, einem Fisch, der im Mittelmeer lebt und wie viele andere Fische spezialisierte Muskeln nutzt, um Geräusche zu erzeugen. Dies ist eine wichtige Entdeckung, die unser Verständnis von Muskelkontraktionen verändern könnte.

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

Die Beschreibung der Skelettmuskeln hat ihren Ursprung in den Beobachtungen des niederländischen Biologen Antoni van Leeuwenhoek, einem Vorläufer der Zellbiologie und Mikrobiologie, der in einem 1712 in der Philosophical Transactions of the Royal Society veröffentlichten Artikel dank der Verwendung eines tragbaren Einzellinsenmikroskops die erste Beschreibung von Muskelfasern des Wals lieferte. Im Jahr 1840 lieferte der Anatom William Bowman eine präzisere Beschreibung des Muskels und bemerkte: "die Existenz und Anordnung von abwechselnd hellen und dunklen Linien [...] die von exquisiter Feinheit und Ausführung sind." (Siehe About Muscle Fibers am Ende dieses Artikels.)

Darauf folgende Studien haben zu immer klareren Beschreibungen geführt, einschließlich der Identifizierung der verschiedenen Moleküle, aus denen der Muskel besteht, und einer Erklärung, wie er funktioniert, insbesondere das Modell der Muskelkontraktion, das vom Biophysiker Andrew Huxley im Jahr 1957 vorgeschlagen wurde. In den letzten 300 Jahren haben zahlreiche Studien die Darstellung der Muskelfaserorganisation auf verschiedene Taxa erweitert. Dies hat gezeigt, dass die allgemeine Organisation von gestreiften Muskelfasern in allen bisher untersuchten Gruppen von Wirbeltieren perfekt erhalten geblieben ist.

Abb. 1. Vergleich der Organisation von "klassischem" Skelettmuskel mit parallelen Myofibrillen und Schallmuskel mit Gittermyofibrillen in Parophidion vassali. Credit: E.Parmentier/M.Thiry/Université de Liège

Die Proportion der einzelnen zellulären Komponenten kann jedoch von einer Faser zur anderen variieren, wodurch diese Fasern bestimmte Kontraktionseigenschaften aufweisen. So findet sich beispielsweise eine Faser, die reich an Myofibrillen mit einem schlecht entwickelten Sarkoplasmatischen Retikulum ist, in Muskeln, die während einer Kontraktion Kraft entwickeln. Umgekehrt sind Fasern mit wenigen Myofibrillen und einer Fülle von Sarkoplasmatischen Retikulum und zahlreichen Mitochondrien in Muskeln vorhanden, die eine erhöhte Kontraktionsgeschwindigkeit entwickeln. Die schnellsten Muskeln findet man in den Schallmuskeln von Fischen, wobei bestimmte Arten Geräusche erzeugen, indem sie Muskeln einsetzen, die mit einer Frequenz zwischen 100 und 300 Hz kontrahieren, d.h. 100 bis 300 Kontraktions-/Relaxationszyklen pro Sekunde.

Eine kürzlich durchgeführte Studie in Zusammenarbeit zwischen dem Labor für Funktionelle und Evolutionäre Morphologie und dem Labor für Zell- und Gewebiologie hat eine neue Anordnung von Myofibrillen innerhalb der Fasern eines Schallmuskels im Fisch Parophidion vassali aufgedeckt. Anstatt parallel angeordnet zu sein, bilden die Myofibrillen ein enormes Netzwerk innerhalb der Muskelfaser, erklärt Prof. Eric Parmentier, Direktor des Labors für Funktionelle und Evolutionäre Morphologie an der Universität Lüttich.

Jede Myofibrille teilt sich bei jedem Sarkomer in zwei Äste auf, wobei einer die Myofibrille oben verbindet und der andere die Myofibrille unten verbindet (Abb. 1B). Diese neue Muskel-Design könnte zu einem Muskel führen, der schnell kontrahiert und dabei Stärke behält. Die geringe Anzahl von Myofibrillen und das hohe Volumen, das vom Sarkoplasmatischen Retikulum eingenommen wird, sprechen für Fasern, die schnell kontrahieren können.

"Die Netzwerkstruktur der Myofibrillen würde es ermöglichen, dass mehr Myosinköpfe Kreuzbrücken mit den Aktin-Myofilamenten bilden, was die Stärke in diesem schnellen Muskel erhöhen würde", erklärt Prof. Marc Thiry, Direktor des Labor für Zell- und Gewebiologie. "Darüber hinaus stellen zahlreiche ungewöhnlich angeordnete Mitochondrien innerhalb der Z-Streifen (sehr lang in diesen Fasern: 700 nm im Vergleich zu 70-150 nm in einem konventionellen Muskel) die Energie bereit, die für die Erzeugung von lang anhaltenden Geräuschen benötigt wird."

Dieser neue Typus der Organisation von gestreiften Muskelfasern, der noch nie zuvor in der wissenschaftlichen Literatur beschrieben wurde und der es somit ermöglichen würde, Muskelstärke und -geschwindigkeit zu kombinieren, erfordert weitere Studien, um zu verstehen, wie er funktioniert und um festzustellen, ob es Anpassungen auf der Ebene der verschiedenen in diesen Muskeln involvierten Moleküle gibt.

Longitudinal section in a classic skeletal muscle. Credit: Marc Thiry/University of Liège

Striated skeletal muscle fibers or cells represent the elementary units of voluntary muscles (muscles that enable movements such as locomotion or posture maintenance) in animals. “Each fiber is characterized by numerous contractile elements, actin, and myosin myofilaments, organized in bundles parallel to the muscle fiber’s long axis, called myofibrils.

In the longitudinal section under the optical microscope, these fibers appear as a succession of light and dark bands located at the same level for each myofibril, giving the appearance of transverse striation to the muscle fiber. A darker line divides the light band in the middle, known as the Z striation. The portion of the myofibril between two Z striae is called a sarcomere and represents the contractile unit of the myofibril. Each myofibril is therefore made up of many sarcomeres placed end to end.

The myofibrils occupy a large cell volume and are surrounded by cisternae of the smooth endoplasmic reticulum (or sarcoplasmic reticulum), which stores the calcium essential for muscle contraction. In addition, mitochondria are located close to the myofibrils; they are the main source of ATP providing energy for muscle contraction.