Indirekter Nachweis einer dehnungsinduzierten Ca++-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum glyzerinisierter Skelett- und Herzmuskelpräparate

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Abstract
The existence of still functioning vesicles of the sarcoplasmic reticulum (SR) in glycerinated rabbit psoas muscle fibers and cat myocardium is demonstrated by the use of activation (force development and shortening) of the contractile system as an indicator for “sarcoplasmic”, free Ca++ concentration and by electron microscopic studies. Furthermore, the conditions for Ca++ release and uptake by the SR vesicles were analyzed. As indicated by electron microscopic studies, glycerinated skeletal and heart muscle preparations contain SR vesicles (diameter 0.1–0.2 μ). Detergent treatment as used byJulian (1971) causes neither morphological change in the contractile system nor in the SR vesicles. The delay in tension development of glycerinated preparations after an increase in free Ca++ concentration of the bathing medium is demonstrated to be caused at least partly by Ca++ uptake in these SR vesicles. The SR vesicles of glycerinated preparations are able to accumulate Ca++ just at concentrations which are subthreshold for tension development. The accumulated Ca++ can be detected by a transient force development resulting from abolishment of the Ca++ storage capacity of the SR vesicles caused by high concentrations of detergents. Ca++-induced Ca++ release is also demonstrated in glycerinated preparations. After Ca++ loading this release mechanism occurs at Ca++ concentrations in the bathing medium starting at about 10−7,48 Mol/l both in skeletal and heart muscle preparations. Quick stretch of Ca++-loaded, relaxed preparations causes local contractions of the myofibrils in both single fibers and fiber bundles of glycerinated rabbit psoas muscle. Skeletal fiber bundles and cat myocardium show a transient tension development parallel to these local contractions. These effects are demonstrated to be due to a stretch-induced Ca++ release from the SR vesicles. Length-controlled quick stretches or quick releases of partly activated preparations cause sinusoidal tension oscillations superimposed on the well-known, delayed active tension development. In contrast, fully activated preparations do not show superimposed oscillations in tension. Force-controlled quick stretches or quick releases induce equivalent oscillations in length which are more distinct than the tension oscillations, however. These oscillations are also demonstrated to be due to stretch or release-induced changes in the Ca++ fluxes between SR vesicles and the “sarcoplasm”. This stretch induced release of Ca++ from the SR could be one reason for the multiple-phase course of active and passive isometric tension development in vivo following quick changes in length, and could also partly explain the prestretch dependence of tension development which cannot be explained from the degree of overlapping of the contractile filaments alone. In addition, this mechanism permits a maintenance of sarcomere symmetry and provides an effective compensating mechanism for deviations from the average sarcomere length within a whole muscle preparation. Die Existenz funktionsfähiger Vesikel des sarkoplasmatischen Retikulums in glyzerinisierten Präparaten des Kaninchenpsoas und des Katzenmyokards wird demonstriert aufgrund des Aktivierungsverlaufs (isometrische Spannungsentwicklung und Verkürzungsverhalten) des kontraktilen Systems als Indikator für die „sarkoplasmatische” Ca++-Konzentration. Weiterhin wurden die Bedingungen für die Ca++-Freisetzung und Speicherung in den SR-Vesikeln analysiert. Wie die elektronenmikroskopischen Untersuchungen zeigen, enthalten glyzerinisierte Skelett- und Herzmuskelpräparate SR-Vesikel (Ø 0,1–0,2 μ). Die vonJulian (1971) beschriebene Detergenzienbehandlung verursacht weder eine morphologische Veränderung des kontraktilen Systems noch dieser SR-Vesikel. Die verzögerte Spannungsentwicklung glyzerinisierter Präparate nach einer Erhöhung der Ca++-Konzentration im Inkubationsmedium kann zumindest teilweise auf eine Ca++-Speicherung in den SR-Vesikeln zurückgeführt werden. Die SR-Vesikel glyzerinisierter Präparate sind in der Lage, schon bei Ca++-Konzentrationen, die noch keine aktive Spannungsentwicklung verursachen, Ca++-Ionen zu speichern. Das gespeicherte Kalzium kann über eine passagere Spannungsentwicklung bei Zerstörung der Vesikel durch Detergenzien in hoher Konzentration nachgewiesen werden. Auch bei glyzerinisierten Präparaten kann eine Ca++-induzierte Ca++-Freisetzung demonstriert werden. Nach Ca++-Beladung der Präparate kann dieser Mechanismus bei Skelett- und Herzmuskelpräparaten durch Ca++-Konzentrationen ≥10−7,48 Mol/l ausgelöst werden. Eine schnelle Dehnung Ca++-beladener, relaxierter Präparate verursacht bei Einzelfasern und Faserbündeln des Kaninchenpsoas umschriebene Verkürzungen der Myofibrillen. Bei den Faserbündeln kann, wie bei Papillarmuskeln des Katzenmyokards, gleichzeitig eine passagere Spannungsentwicklung beobachtet werden. Es wird der Nachweis erbracht, daß die umschriebenen Verkürzungen und die passagere Spannungsentwicklung auf einer dehnungsinduzierten Ca++-Freisetzung aus den SR-Vesikeln beruhen. Längenkontrollierte Dehnungs- und Entdehnungssprünge verursachen bei teilaktivierten Präparaten sinusförmige Spannungsschwankungen, die der bekannten verzögerten aktiven Spannungsentwicklung überlagert sind. Im vollaktivierten Zustand sind hingegen solche Spannungsschwankungen nicht nachweisbar. Spannungskontrollierte Dehnungs- und Entdehnungsexperimente verursachen ähnliche „Schwingungen” der Präparatenlänge, die jedoch ausgeprägter sind als die Spannungsschwankungen. Auch für diese „Schwingungen” kann gezeigt werden, daß sie auf dehnungs- und entdehnungsinduzierten Änderungen der Ca++-Fluxe zwischen SR-Vesikeln und dem Sarkoplasma beruhen. Diese dehnungsinduzierte Ca++-Freisetzung aus dem SR dürfte in vivo mitverantwortlich sein für den mehrphasigen Verlauf der aktiven und passiven isometrischen Spannungsentwicklung nach einer akuten Längenänderung sowie für die Vordehnungsabhängigkeit des Mechanogramms, die nicht allein aus dem Überlappungsgrad der kontraktilen Filamente erklärbar ist. Außerdem wäre auf dieser Grundlage eine Aufrechterhaltung der Sarkomerensymmetrie und eine wirksame Gegenregulation bei Abweichungen von der mittleren Sarkomerenlänge innerhalb eines Präparates möglich.