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Der Sauerstoffverbrauch phasischer und tonischer Skelettmuskeln des Frosches in Lösungen mit hohem K+- und variiertem Ca++-Gehalt

Ein Beitrag zur „elektro-metabolischen Kopplung“

The oxygen-consumption of phasic and tonic skeletal muscles of the frog in solutions with high K+ - and varied Ca++-content

A contribution to the „electro-metabolic coupling“

Abstract

The O2-uptake of phasic and tonic muscles fromRana temporaria was measured under the influence of high extra-cellular concentrations of K+ by means of the Pt-electrode together with simultaneous registration of muscles-mechanics. The O2-uptake in isotonic KCl coincides with the amount of tension (tetanus and contracture); at relaxation the stimulation of respiration ceases; in spite of the permanent depolarization also the “resting respiration” decreases. If isotonic KCl is replaced by Ringer, respiration remains at an elevated state; so-called after-contractures expressing a plastic tonus reveal no additional O2-uptake. In muscles deprived of Ca++ the development of tonus and increase of respiration is strongly reduced, whereas both parameters increase considerably on Ca-enriched muscles. By removing of Ca++ in Ca-free Ringer a slight increase in O2-uptake occurs; in phasic muscles because of twitches, in tonic muscles because of weak contractures (Ca-withdrawal contracture). After addition of Ca++ the increase of respiration occurs before mechanical effects become observable. A further increase of Ca-concentration produces a slow and relatively weak tonus, at which O2-uptake increases transitorily, but decreases soon in spite of the developping contracture (rigor). Oxygen uptake is related to mechanics but not to depolarization of the membrane. The latter is linked with both processes by means of coupling reactions, whereby Ca++ plays an important role. In addition to the electro-mechanical coupling, the existence of a direct Ca++-dependent electro-respiratory coupling may be assumed.

Zusammenfassung

Der O2-Verbrauch phasischer und tonischer Muskeln (Sartorius und Rextus abdominis,Rana temporaria) unter dem Einfluß hoher extracellulärer K+-Konzentrationen wurde mit Hilfe der Platinelektrode intermittierend fortlaufend bestimmt bei gleichzeitiger Registrierung der Mechanik. Es sollte besonders untersucht werden, ob Beziehungen bestehen zwischen der Membrandepolarisation, der mechanischen Spannung und dem Energiestoffwechsel, und welche Rolle dabei die Ca++ spielen. Die wichtigsten Ergebnisse sind folgende:

  1. 1.

    Der O2-Verbrauch tonischer und phaischer Muskeln in isotonischer KCl-Lösung geht der Spanungsentwicklung (Tetanus und Kontraktur) parallel. Die Atmungssteigerung geht zurück, sobald sich die Verkürzung löst. Trotz Weiterbestehens der Dauerdepolarisation sinkt die „Ruhe-Atmung“ laufend ab. Wird dagegen die isotonische KCl-Lösung rechtzeitig durch Ringerlösung ersetzt, so bleibt die Atmung noch einige Zeit gesteigert (restitutive Prozesse). Sogenannte „Nachkontrakturen“ als Ausdruck eines „plastischen Tonus“ zeigen keinen O2-Mehrverbrauch.

  2. 2.

    Bei Ca-verarmten Muskeln sind in isotonischer KCl-Lösung (ohne Ca) sowohl die Spannungsentwicklung als auch die Atmungssteigerung stark reduziert, während umgekehrt beide Größen bei Ca-reichen Muskeln erheblich zunehmen.

  3. 3.

    Wird dem Muskel in Ca-freier Ringerlösung Ca entzogen, so steigt der O2-Verbrauch mäßig an, bei phasischen Muskeln wohl wegen der auftretenden Spontanzuckungen, bei tonischen Muskeln wegen einer schwachen Kontraktur („Ca-Entzugskontraktur“ tonischer Muskeln vonRana temporaria).

  4. 4.

    Wird dem Muskel in Ca-reichen Ringerlösungen (9–18 m mol/l CaCl2) Ca zugeführt, so steigt die Atmung bereits deutlich an, noch bevor mechanische Effekte erkennbar sind. Wird die Ca-Konzentration stärker erhöht (36 m mol/l bis isotonischem CaCl2), so erfolgt eine langsame, relative schwache Spannungsentwicklung. Dabei steigt der O2-Verbrauch vorübergehend an, um dann bald, trotz bleibender Verkürzung wieder laufend abzufallen (Rigor).

  5. 5.

    Der O2-Verbrauch zeigt Beziehung zur Mechanik, aber nicht zur Depolarisation der Membran. Diese wirkt auf beide Größen unter Vermittlung von Kopplungsreaktionen, bei denen Ca++ offenbar eine wichtige Rolle spielen. Es wird die Frage diskutiert, ob es neben der elektro-mechanischen auch eine direkte Ca++-abhängige elektro-respiratorische Kopplung in der Muskelzelle gibt. Die Beantwortung dieser Frage bedarf weiterer Untersuchungen.

Zitierte literatur

  1. Abood, L. G., Koketsu, K. &Koyama, J., 1961. Outflux of inorganic and organic phosphate during membrane depolarization of excitable tissues.Nature, Lond. 191, 395–396.

    Google Scholar 

  2. Antoni, H., Engstfeld, G. &Fleckenstein, A., 1960. Inotrope Effekte von ATP und Adrenalin am hypodynamen Froschmyokard nach elektro-mechanischer Entkopplung durch Ca+ +-Entzug.Pflügers Arch. ges. Physiol. 272, 91–106.

    Google Scholar 

  3. Bartels, H. &Brecht, K., 1952. Über die Atmung quergestreifter Kaltblütermuskeln bei der Acetylcholinkontraktur und beim Tetanus.Pflügers Arch. ges. Physiol. 254, 498–509.

    Google Scholar 

  4. —— &Reinhardt, W., 1960. Einfache Methode zur Stauerstoffdruckmessung im Blut mit der kunststoffüberzogenen Platinelektrode.Pflügers Arch. ges. Physiol. 271, 105–114.

    Google Scholar 

  5. Bianchi, C. P. &Shanes, A. M., 1959. Calcium influx in skeletal muscle at rest, during activity and during potassium contracture.J. gen. Physiol. 42, 803–815.

    Google Scholar 

  6. Brecht, K., Barbey, K., Kutscha, W. &Pauschinger, P., 1961. Tetanus und Kontraktur bei der Verkürzung quergestreifter schneller und langsamer Muskeln in isotonischer KCl-Lösung und ihre Abhängigkeit von der KCl-Konzentration.Pflügers Arch. ges. Physiol. 273, 130–144.

    Google Scholar 

  7. —— &Pauschinger, P., 1963. Kontraktur, Zuckung und Calcium.Pflügers Arch. ges. Physiol. 277, 178–193.

    Google Scholar 

  8. —— &Pauschinger, P., 1962. Über die Beeinflussung der elektromechanischen Kopplung durch Ca+ +-Ionen.Pflügers Arch. ges. Physiol. 275, 376–380.

    Google Scholar 

  9. —— &Lutz, E., 1955. Atmung quergestreifter und glatter Kaltblütermuskulatur in Ruhe, Dehnung, Kontraktion und Kontraktur.Pflügers Arch. ges. Physiol. 260, 524–537.

    Google Scholar 

  10. Bülbring, E., Holman, M. &Lüllmann, H., 1956. Effects of calcium deficiency on striated muscle of the frogJ. Physiol. 133, 101–117.

    Google Scholar 

  11. Fleckenstein, A. &Hertel, H., 1948. Über die Zustandsänderungen des kontraktilen Systems in Abhängigkeit vom extrazellulären Natrium und Kalium.Pflügers Arch. ges. Physiol. 250, 577–597.

    Google Scholar 

  12. —— &Janke, J., 1961. Parallele Beeinflussung der mechanischen Spannungsentwicklung und der Spaltung von energiereichem Phosphat bei der Kaliumkontraktur des Forschrectus in Lösungen mit variiertem K+- und Ca+ +-Gehalt.Pflügers Arch. ges. Physiol. 273, 483–498.

    Google Scholar 

  13. Frank, G. B., 1960. Effects of changes in extracellular calcium concentration on the potassium-induced contracture of frog's skeletal muscle.J. Physiol. 151, 518–538.

    Google Scholar 

  14. Gilbert, D. L. &Fenn, W. O., 1957. Calcium equilibrium in muscle.J. gen. Physiol. 40, 393–408.

    Google Scholar 

  15. Hasselbach, W. &Makinose, M., 1961. Die Calciumpumpe der „Erschlaffungsgrana“ des Muskels und ihre Abhängigkeit von der ATP-Spaltung.Biochem. Z. 333, 518–528.

    Google Scholar 

  16. Hegnauer, A. H., Fenn, W. O. &Cobb, D. M., 1934. The cause of the rise in oxygen consumption of frog muscles in excess of potassium.J. cell. comp. Physiol. 4, 505–526.

    Google Scholar 

  17. Hill, A. V. &Howarth, J. V., 1957. The effect of potassium on the resting metabolism of the frog's sartorius.Proc. roy. Soc. (B)147, 21–43.

    Google Scholar 

  18. Kaye, L. &Mommaerts, W. F. H. M., 1960. The role of calcium ions in the acceleration of resting muscle glycolysis by extracellular potassium.J. gen. Physiol. 44, 405–413.

    Google Scholar 

  19. Koketsu, K. &Miyamoto, S., 1961. Significance of membrane, calcium in calcium-free and potassium-rich media.Nature, Lond. 189, 403–404.

    Google Scholar 

  20. Kutscha, W., 1963. Die Rolle des Ionen-Milieus bei der elektromechanischen Kopplung der Kontraktur des Skelettmuskels.Z. Biol. 114, 152–194.

    Google Scholar 

  21. —— &Brecht, K., 1961. Der Einfluß von Calcium und anderen Erdalkaliionen auf die Säureund Ätherkontraktur.Pflügers Arch. ges. Physiol. 272, 479–489.

    Google Scholar 

  22. —— &Brecht, K., 1964. Der Einfluß der H-Ionen auf Elektrolytgehalt, Membranpotential und Kontraktion tonischer und phasischer Skelettmuskeln.Pflügers Arch. ges. Physiol. 280, 1–23.

    Google Scholar 

  23. Makinose, M. &Hasselbach, W., 1963. Die Regulation der freien Calcium-Konzentration in den Muskelfasern durch die Erschlaffungsvesikel. Autoreferat auf der Tagung der Deutschen Physiol. Gesellschaft, Köln 1963, 6 pp.

  24. Meyerhof, O., 1925. In: Handbuch der normalen und pathologischen Physiologie. Hrsg. vonA. Bethe, G. von Bergmann (u. a.). Springer, Berlin, Bd. 8. 1, 476 pp.

    Google Scholar 

  25. Niedergerke, R., 1959. Calcium and the activation of contraction.Experientia 15, 128.

    Google Scholar 

  26. Novotny, J. &Vyskocil, F., 1963. Der Einfluß von membranstabilisierenden Stoffen auf den Ca45-Einstrom in den Froschmuskel und ihr Zusammenhang mit dem Sauerstoffverbrauch. Autoreferat auf der Tagung der Deutschen Physiol. Gesellschaft, Köln 1963, 5 pp.

  27. Pauschinger, P. &Brecht, K., 1961. Influence of calcium on the potassium-contracture of “slow” and “fast” skeletal muscle fibres of the frog.Nature, Lond. 189, 583–584.

    Google Scholar 

  28. —— &Brecht, K., 1964. Wirkungen des Ca++-Entzugs auf das Membranpotential und die mechanische Aktivität der isolierten phasischen Skelettmuskelfaser des Frosches.Pflügers Arch. ges. Physiol. 278, 541–552.

    Google Scholar 

  29. Reichel, H., 1960. Muskelphysiologie. Springer, Berlin, 204 pp.

    Google Scholar 

  30. Sandow, A., 1952. Excitation-contracture coupling in muscular response.Yale J. Biol. and Med. 25, 176.

    Google Scholar 

  31. Seeber, S. (in Vorbereitung). Dissertation, Tübingen.

  32. Shanes, A. M. &Bianchi, C. P., 1959. Radiocalcium release by stimulated and potassium-treated sartorius muscles of the frog.J. gen. Physiol. 43, 481–493.

    Google Scholar 

  33. Smith, C. G. &Solandt, D. J., 1938. The relation of contracture to the increment in the resting heat production of muscle under the influence of potassium.J. Physiol. 93, 305 bis 311.

    Google Scholar 

  34. Solandt, D. J., 1936. The effect of potassium on the excitability and resting metabolism of frog's muscle.J. Physiol. 86, 162–170.

    Google Scholar 

  35. Zierler, K. L., 1958. Increased muscle permeability to aldolase produced by depolarization and by metabolic inhibitors.Am. J. Physiol. 193, 534–538.

    Google Scholar 

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Brecht, K., Seeber, S. Der Sauerstoffverbrauch phasischer und tonischer Skelettmuskeln des Frosches in Lösungen mit hohem K+- und variiertem Ca++-Gehalt. Helgolander Wiss. Meeresunters 9, 230–244 (1964). https://doi.org/10.1007/BF01610036

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