Die Analyse der menschlichen Skelettmuskelzellmembran mit dem Gefrierbruchverfahren

Zusammenfassung

Mit Hilfe der Gefrierätzung ist die elektronenmikroskopische Beurteilung der hydrophoben Mittelzone von Zellmembranen möglich. Der Gefrierbruch zeigt Membranspalthälften (E- und P-Bruchflächen), in deren glatter Lipidgrundmatrix Membranproteine morphologisch als Membranpartikel oder charakteristisch angeordnete Partikelkomplexe nachweisbar sind.

Es wurde normaler menschlicher Skelettmuskel und Muskulatur von Patienten mit sowohl klinisch, serumenzymatisch, elektrophysiologisch als auch histochemisch klar definierten myogenen Erkrankungen mit Hilfe der Gefrierbruchmethode untersucht, um mögliche Unterschiede in der molekularen Architektur des Plasmaleems zwischen normalem und erkranktem Muskel und zwischen den verschiedenen Muskelerkrankungen zu definieren. Die quantitative Untersuchung konzentrierte sich dabei: 1. auf die Anzahl der intramembranösen Partikel sowie auf charakteristische Partikelkomplexe in Form sog. ”square arrays«, 2. auf die zweidimensionale Verteilung der intramembranösen Partikel.

Die Ergebnisse zeigen signifikante Unterschiede zwischen der molekularen Architektur von Plasmamembranen normaler Kontrollen und von Patienten mit myogenen Erkrankungen. Beim Vergleich pathogenetisch verschiedenartiger Muskelerkrankungen (dystrophische und nicht dystrophische Myopathien) kann der Befund bei Duchenne-Muskeldystrophie von den Ergebnisen bei anderen Myopathien abgegrenzt werden. Gefrierätzuntersuchungen an Skelettmuskelzellmembranen männlicher Föten von Überträgerinnen der Duchenne-Muskeldystrophie führen bei einem Teil dieser Föten zu analogen Resultaten wie im präklinischen und frühen klinischen Stadium erkrankter Patienten. Diese Befunde weisen auf die grundlegende pathogenetische Bedeutung früher Plasmalemm-veränderungen bei Duchenne-Muskeldystrophie im Zusammenhang mit einer pathologischen Ca++-Überladung nichtnekrotischer Muskelzellen und den damit verbundenen Störungen des Zellmetabolismus bis zur Zellnekrose hin.

Über die Funktion intramembranöser Partikel im nicht-endplattenbezogenen Plasmalemm ist bisher wenig bekannt. Veränderungen ihrer numerischen Dichte und topographischen Verteilung werden im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Pathomechanismen der untersuchten Myopathien diskutiert.

Summary

In the current study, normal skeletal muscle and musculature of selected and clinically, serum-enzymatically, electrophysiologically and histochemically well-defined myogenic disorders were examined by freeze-fracture electron microscopy to determine differences in the macromolecular structure of the non-junctional plasmalemma between normal and diseased muscle and between different myogenic disorders.

In freeze-fracture electron microscopy, two fracture faces of the plasmalemma may be viewed: areas of protoplasmic (PF) or areas of external (EF) fracture faces. Asymmetry and heterogeneity of the molecular architecture of the plasmalemma are determined by different particle densities (integral membrane proteins) on E- and P-fracture faces and by typical particle aggregates, concentrated in defined membrane areas.

In the quantitative analysis of freeze-fractured plasma membranes particular attention was directed: 1. to the numerical density of intramembraneous particles (IMP) and rectilinear or squarely arrayed particle complexes, 2. to the two-dimensional topography of IMP.

The results showed a significantly different molecular architecture between plasma membranes of normal controls and of patients with myogenic disorders. By comparing the different muscular diseases (dystrophic and non-dystrophic myopathies), the membrane reaction patterns could be differentiated from results in Duchenne muscular dystrophy (DMD). Freeze-fracture investigations of skeletal muscle cells of male foetuses at risk for DMD led in some of these foetuses to results identical to those obtained in preclinical and early clinical stages of affected boys. This supports the hypothesis that disturbance of the plasmalemmal integrity represents a basic abnormality in this disease, combined with an increased influx of calcium into the muscle cell which initiates a vicious circle of metabolic disturbances and energy-consuming processes leading to muscle cell necrosis. The function of intramembraneous structures of the non-junctional plasmalemma and the mechanisms involved in producing an increase or decrease in IMP numerical densities and changes in their topographical distribution are mostly unknown and are discussed with regard to the pathomechanisms of the different myopathies.