Eine unerwartete Organisation wurde bei Mittelmeerfischen entdeckt

Forscher der Universität Lüttich, Eric Parmentier und Marc Thiry, 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 zur Erzeugung von Geräuschen nutzt. Dies ist eine wichtige Entdeckung, die unser Verständnis der Muskelkontraktion durchaus verändern könnte.

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 veröffentlichten Artikel schrieb Philosophische Transaktionen der Royal Societyberichtete dank der Verwendung eines tragbaren Einlinsenmikroskops über die erste Beschreibung von Muskelfasern des Wals.

Im Jahr 1840 lieferte der Anatom William Bowman eine genauere Beschreibung des Muskels, indem er „die Existenz und Anordnung abwechselnd heller und dunkler Linien“ feststellte […] die von exquisiter Feinheit und Verarbeitung sind.“ Nachfolgende Studien führten zu immer klareren Beschreibungen, einschließlich der Identifizierung der verschiedenen Moleküle, aus denen der Muskel besteht, und einer Erklärung seiner Funktionsweise, insbesondere des vom Biophysiker Andrew vorgeschlagenen Modells der Muskelkontraktion Huxley im Jahr 1957.

In den letzten 300 Jahren haben zahlreiche Studien 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.

Allerdings kann der Anteil jeder dieser Zellkomponenten von Faser zu Faser variieren, was diesen Fasern besondere Kontraktionseigenschaften verleiht. Beispielsweise findet man in Muskeln, die bei Kontraktion Kraft entwickeln, eine Faser, die reich an Myofibrillen ist und über ein schwach entwickeltes sarkoplasmatisches Retikulum verfügt. Umgekehrt sind in Muskeln, die eine erhöhte Kontraktionsgeschwindigkeit entwickeln, Fasern vorhanden, die wenig Myofibrillen enthalten und reich an sarkoplasmatischem Retikulum und zahlreichen Mitochondrien sind. Die schnellsten Muskeln finden sich in den Schallmuskeln von Fischen, wo bestimmte Arten Geräusche mithilfe von Muskeln erzeugen, die sich mit einer Frequenz zwischen 100 und 300 Hz zusammenziehen, also 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. Der Artikel wird in der Zeitschrift veröffentlicht Zell- und Gewebeforschung.

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 (siehe 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.

Über Muskelfasern

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.