mini|Glattes Muskelgewebe im lichtmikroskopischen Längsschnitt (Masson/Goldner-Färbung)
Glatte Muskulatur ist eine der drei Arten von Muskulatur bei Mensch und Tier. Sie kommt in den Wänden der Hohlorgane außer dem Herzen vor, die sich „zusammenziehen“ können, die also ihre lichte Weite (Lumen) verringern können. Dies sind zum Beispiel die Blutgefäße, die Organe des Verdauungstraktes und die Atemwege. Daneben tritt glatte Muskulatur an verschiedenen anderen Stellen, etwa in der Haut, auf.
Der Name der glatten Muskulatur bezieht sich auf ihre mikroskopische Struktur: Während die Skelettmuskulatur und die Herzmuskulatur unter dem Mikroskop eine sichtbare Querstreifung aufweisen, ist dies bei der glatten Muskulatur nicht der Fall. Im Gegensatz zu der Skelettmuskulatur kann sie auch nicht willkürlich kontrahiert werden: Sie verfügt über andere Kontrollmechanismen, welche von muskeleigenen (myogenen) Mechanismen bis zu der Kontrolle durch das vegetative Nervensystem, enterische Nervensystem (neurogene Kontrolle), Hormone, Neurotransmitter und andere Botenstoffe reichen. Abgesehen von diesen Gemeinsamkeiten bildet die glatte Muskulatur jedoch eine sehr heterogene (uneinheitliche) Gruppe, die in weitere Untergruppen eingeteilt werden kann. Man kann zum Beispiel die Muskulatur der einzelnen Organsysteme voneinander abgrenzen (z. B. glatte Muskulatur der Blutgefäße, der Atemwege usw.), oder phasische glatte Muskulatur (in Ruhe entspannt oder rhythmisch kontrahiert) von tonischer (ständig kontrahiert) unterscheiden.
Embryologie Wie auch die Skelettmuskelzellen sind die Zellen der glatten Muskulatur außer in der Regenbogenhaut des Auges mesodermalen Ursprungs.
Aufbau Aufbau auf zellulärer Ebene mini|Glatte Muskulatur im lichtmikroskopischen Übersichtsbild (Hämatoxylin-Eosin-Färbung) mini|hochkant=1.8|Schematische Darstellung von glattem Muskelgewebe, Längs- und Querschnitt. Zu erkennen sind vier spindelförmige Muskelzellen mit ihrem länglichen Zellkern in typischer Lage.
Glatte Muskulatur besteht aus glatten Muskelzellen, die ein spindelförmiges Aussehen haben, etwa zwei bis zehn Mikrometer breit und etwa 20 (in Blutgefäßen) bis 800 µm (in der Gebärmutter einer Schwangeren) lang sind. Der längliche Zellkern liegt zentral in der Mitte, an seinen Enden liegen die meisten Zellorganelle wie Mitochondrien, Ribosomen, oder das raue endoplasmatische Retikulum.Ernst Mutschler: Anatomie, Physiologie, Pathophysiologie des Menschen. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 2007, ISBN 978-3-8047-2342-9, 6. Auflage.
Treten die glatten Muskelzellen in größerer Zahl auf, bilden sie dichte Schichten, Stränge oder gitterartige Systeme, je nach Organ. Dabei ist jede Zelle von einer Membran, der Basalmembran, umgeben. Die Zellen sind untereinander über Proteinsysteme außerhalb der Zellen (Extrazellularmatrix) miteinander verbunden. Über diese Verbindung der Zellen untereinander ist gewährleistet, dass der ganze Muskelverband eine Kraft ausüben kann. Einige glatte Muskelzellen verfügen auch über kleinste Sehnen, über die sie am Bindegewebe ansetzen.
Im elektronenmikroskopischen Bild fallen die längs orientierten, parallelen Filamente im Inneren der Zelle, Verdichtungszonen im Zellinneren und an der Zellmembran und Grübchen (Caveolae) an der Zellmembran auf. Bei manchen Muskelzellen findet man auch ein System glatter Schläuche in der Nähe dieser Caveolae; man vermutet, dass beide am Mechanismus der Kontraktion der Muskelzelle beteiligt sein können.
Aufbau auf molekularer Ebene miniatur|500px|Schematische Darstellung der Aktin (rot)-Myosin (grün)-Filamente und der dense bodies in der glatten Muskulatur. Die Aktinfasern sind an der Zellmembran und an dense bodies im Zytoplasma fixiert.Auf der rechten Seite sieht man, wie sich die Aktinfilamente (rot) zwischen den Myosinköpfchen (grün) aufeinanderzubewegen und den Muskel so verkürzen.
Lichtmikroskopisch erscheint das Zytoplasma (Zellinnere) im Gegensatz zur quergestreiften Muskulatur homogen, dennoch finden sich eine Vielzahl von Strukturen in glatten Muskelzellen. Für die Kontraktion einer glatten Muskelzelle sind zwei verschiedene Systeme in Kombination verantwortlich: Das Zytoskelett-System und die Myofilamente.
Zytoskelett Das Zytoskelett einer Zelle ist ein Gerüst aus Proteinen im Inneren der Zelle, das diese stützt, ihr Form verleiht und andere Aufgaben wahrnimmt. Für die Kontraktion einer glatten Muskelzelle sind die Intermediärfilamente Desmin und bei Gefäß-Muskelzellen Vimentin sowie nicht-muskuläres Aktin nötig. Diese durchziehen die Muskelzelle und reichen von Verdichtungszonen im Inneren der Zelle, den dense bodies, zu Verdichtungszonen an der Innenseite der Zellmembran, den Anheftungsplaques, oder dense plaques. Diese Verdichtungszonen enthalten α-Actinin und Plectin und sind mit den Z-Scheiben in quergestreifter Muskulatur vergleichbar.
Myofilamente Die Myofilamente bilden den eigentlichen Mechanismus zur Kontraktion (kontraktiler Apparat) und setzen sich bei glatter Muskulatur aus glattmuskulärem α-Aktin und Isoformen von Myosin zusammen. Sie sind wahrscheinlich in schrägen Bahnen durch die Zelle angeordnet. Die aus Aktin bestehenden Filamente sind in den erwähnten dense bodies und dense plaques verankert. Die Myosinfilamente haben Kontakt zu mehreren Aktinfilamenten und können mit ihrer Kopfregion an diese Aktinfilamente binden. Die spezielle Anordnung der Aktin- und Myosinfilamente zueinander ermöglicht es den glatten Muskelzellen, sich auf ein Drittel ihrer Ausgangslänge zu verkürzen. In quergestreiften Muskelzellen haben die Aktin- und Myosinfilamente eine regelmäßige Anordnung, so dass es im mikroskopischen Bild zur typischen Querstreifung kommt. Die Aktinfilamente der glatten Muskelzellen haben im Bereich der dense plaques außerdem Kontakt zu Integrinen, die die Zellmembran durchspannen und an der Zellaußenseite mit Proteinen der extrazellulären Matrix verbunden sind. Dies stellt den Kontakt der Muskelzellen untereinander sicher.
Kontraktion mini|Der Querbrückenzyklus ist hier für einen Skelettmuskel dargestellt, prinzipiell gilt diese Darstellung jedoch auch für eine glatte Muskelzelle, wenn man sich das Protein Troponin (grün) wegdenkt, da es bei der glatten Muskelzelle nicht vorhanden ist, und bedenkt, dass zusätzlich die Phosphorylierung nötig ist.
Der Kontraktionsmechanismus der glatten Muskulatur entspricht im Wesentlichen der Muskelkontraktion der quergestreiften Muskulatur und läuft grundsätzlich wie folgt ab: Die Kopfdomäne des Myosins, das Myosinköpfchen, ist bereits in Ruhe an ein Aktinfilament gebunden. Der Winkel zwischen der Kopfdomäne (schwere Kette) und der leichten Kette beträgt dabei 90°. Darüber hinaus hat das Myosinköpfchen noch ATP gebunden. Wird nun die Kontraktion des Muskels ausgelöst, kommt es innerhalb der Zelle zu einer starken Erhöhung der Ca2+-Konzentration (von etwa 10−7 auf 10−6 bis 10−5 mmol/l). Dieses Ca2+ bindet nun an das Protein Calmodulin, das wiederum das Enzym Myosin-leichte-Ketten-Kinase (MLKK) aktiviert. MLKK phosphoryliert die leichte Kette des Myosins, d. h. Phosphat wird zur molekularen Struktur des Myosins hinzugefügt. Dadurch erhält das Myosin ATPase-Aktivität und spaltet folglich das an der Kopfdomäne gebundene ATP. Dieser Schritt liefert die notwendige Energie. Die Spaltprodukte, nämlich ADP und Phosphat, verlassen das Myosinköpfchen und dieses klappt um, der Winkel zwischen schwerer Kette und leichter Kette beträgt jetzt nur noch 45°. Dabei „verschiebt“ das Myosinköpfchen das Aktinfilament ein Stück: es ist eine Bewegung entstanden. Diese Bewegung nennt man Kraftschlag. Die einzelnen Aktinfilamente wurden dabei aufeinander zugeschoben, so dass sich die Länge des Muskels insgesamt verkürzt hat, er ist also kontrahiert.
Im nächsten Schritt ist es nun nötig, die Bindung zwischen dem Myosinköpfchen und dem Aktinfilament wieder aufzulösen. Dazu wird erneut ein Molekül ATP gebunden, die Bindung löst sich, es stellt sich wieder ein Winkel zwischen schwerer und leichter Kette von 90° ein und der Mechanismus kann von vorne beginnen. Es handelt sich also um einen Zyklus, den Querbrückenzyklus. Dieser Zyklus erlaubt es, den Kraftschlag immer wieder auszuführen, so dass sich der Muskel bis zum Maximum verkürzen kann. Bei glatten Muskelzellen liegt dieses Maximum bei ca. einem Drittel der Ausgangslänge, was deutlich mehr ist als bei einem Skelettmuskel. Allerdings läuft die Kontraktion auch deutlich langsamer ab.
Der Anstieg der Ca2+-Kontraktion kann durch drei verschiedene Mechanismen verursacht werden: Elektromechanische Kopplung: Die elektromechanische Kopplung bezeichnet den Vorgang, bei dem Aktionspotentiale zur Muskelkontraktion führen. Aktionspotentiale stellen Ionenströme dar, die durch Umverteilung von bestimmten Ionen an der Zellmembran charakterisiert sind und sich entlang der Zellmembran fortbewegen. Dabei ändert sich die Spannung zwischen dem Raum außerhalb und innerhalb der Zelle. Diese Aktionspotentiale können durch Schrittmacherzellen oder durch Nervenzellen bedingt sein. Jedenfalls führt eine solche Spannungsänderung dazu, dass sich spannungsabhängige Ca2+-Kanäle öffnen und Kalzium von außerhalb in die Zelle einströmt, wodurch es zur oben beschriebenen Kontraktion kommt. Solche Spannungsänderungen können auch durch eine lang anhaltende Änderung der Spannung (Depolarisation) durch Veränderung der Leitfähigkeit für Kalium-Ionen zustande kommen. Man spricht hierbei von der metabolischen Kontraktion.
Pharmakomechanische Kopplung: Bei der pharmakomechanischen Kopplung führen Hormone, Neurotransmitter oder Pharmazeutika zu einem Anstieg der Ca2+-Konzentration und damit zur Kontraktion. So können Hormone und Neurotransmitter wie beispielsweise Noradrenalin an Rezeptoren an der Zelloberfläche binden und die Aktivität des Enzyms Phospholipase C im Zellinneren erhöhen. Die Phospholipase C bildet Inositoltriphosphat (IP3), das wiederum an den IP3-Rezeptor bindet, der auf dem sarkoplasmatischen Retikulum (einem Zellorganell) sitzt. Das führt zur Freisetzung von Kalzium aus dem sarkoplasmatischen Retikulum ins Innere der Zelle und damit zur Kontraktion. Außerdem kann es durch die pharmakomechanische Kopplung direkt zur Aktivitätsänderung des Enzyms MLKK kommen (Ca2+-Sensitivierung). Beispielsweise wird das Zusammenziehen der Blutgefäße durch Aktivatoren der Rho-Kinase des Parasympathikus so reguliert. Eine Aktivitätssteigerung der Myosin-Leichte-Ketten-Phosphatase (MLKP) hingegen, nennt man Ca2+-Desensitivierung, da MLKP den gegenteiligen Effekt zu MLKK hat, nämlich Myosin dephosphoryliert und den Querbrückenzyklus so verhindert.
mechanische Kopplung: Dehnungsabhängigie Kalziumkanäle können sich direkt bei Dehnung öffnen und einen Kalziumeinstrom und damit Kontraktion auslösen. Dies nennt man den Bayliss-Effekt.
Kontraktionsformen Durch strukturelle Unterschiede und die daraus resultierenden funktionellen Unterschiede ist eine Unterteilung des glatten Muskelgewebes in den Single-unit- und den Multi-unit-Typ möglich. Mischformen sind v. a. in der Gefäßmuskulatur häufig.
Single-unit-Typ Sind mehrere Muskelzellen untereinander durch bestimmte Proteine miteinander verbunden, spricht man vom Muskelgewebe des Single-unit-Typs. Dabei formen die Proteine eine Art Kanal zwischen den Zellen, die Gap Junctions (Nexus), so dass Ionen und Botenstoffe wie Second Messenger schnell von einer Zelle zur anderen gelangen können. Dies führt zu einer elektrischen Kopplung zwischen den Zellen: ändert sich die Ionenkonzentration in einer Zelle (z. B. im Rahmen eines Aktionspotentials), wird diese Änderung unmittelbar auf die Nachbarzelle übertragen und diese ebenfalls erregt. Daher kontrahieren sich die Muskelzellen vom Single-unit-Typ nahezu synchron.