Actomyosin ATPase
Zu den myofibrillären Proteinen gehören die Proteine des dicken Filaments (hauptsächlich Myosin) und des dünnen Filaments (hauptsächlich Aktin, Troponin und Tropomyosin). Natives Säugetier-Herzmyosin besteht aus zwei schweren Myosinketten (HC) und vier leichten Myosinketten (LC). Die beiden HC-Untereinheiten der Säugetierherzkammer (α, β) sind zu drei möglichen Dimeren VI (αα), V2 (αβ) und V3 (ββ) kombiniert, die sich durch enzymatische (ATPase) Aktivität, Kontraktionsraten und elektrophoretische Mobilität in nicht dissoziierenden Gelen unterscheiden lassen. Die Fähigkeit des Säugetierherzens, verschiedene Isoformen von Myosinen zu exprimieren, sorgt für Plastizität in der kardialen Reaktion auf Veränderungen der kardiovaskulären Anforderungen. So können langfristige Veränderungen der Herzkammerfunktion, die mit der Entwicklung, dem körperlichen Training oder veränderten Stoffwechselbedingungen (z. B. Hunger, hormonelle Bedingungen) einhergehen, durch strukturelle Anpassungen ausgeglichen werden (Solaro et al., 1989). Anders als bei Säugetieren wird in den Ventrikeln der meisten Teleosteer nur eine native Myosin-Isoform nachgewiesen (Karasinski, 1988; Martinez et al., 1991). Der Ventrikel des Goldfisches (Carassius auratus L.) weist zwei Isoformen auf (Karasinski, 1988). Obwohl im Ventrikel des Karpfens (Cyprinus carpio) nur eine Myosin-Isoform nachgewiesen werden konnte (Karasinski, 1988), ist die Myosin-ATPase-Aktivität (μmol freigesetztes Phosphat/min/mg Myosin) des kompakten Karpfenmyokards etwa 50 % höher als die des schwammigen Myokards (Bass et al., 1973). Dies deutet auf das Vorhandensein von mindestens zwei Isoformen hin, die sich in ihrer katalytischen Aktivität unterscheiden und die mit den bisher angewandten Techniken elektrophoretisch nicht unterscheidbar sind. Native Myosine des Atriums wandern als eine einzige Bande in vier Cypriniden (Tinca tinca L., Rutilis rutilis L., Leuciscus leuciscus L., Gobio gobio L.; Karanski, 1988) und einem Salmoniden (Salvelinus alpinus, L.; Martinez et al, 1991), aber zwei Banden bei drei anderen Cypriniden (Cyprinus carpio L., Carassius auratus gibelio Bloch, Carassius carassius L.; Karanski, 1988). Das native Vorhofmyosin unterscheidet sich bei jeder Art von dem des Ventrikels (Karanski, 1988; Martinez et al., 1991).
Die Elektrophorese von Myosin unter denaturierenden Bedingungen zeigt die Zusammensetzung der Untereinheiten (HC, LC). Einzelne HC-Untereinheiten werden sowohl im Ventrikel als auch im Atrium des Seesaiblings (Salvelinus alpinus) nachgewiesen, was mit der Expression von nur einem scheinbar nativen Myosin übereinstimmt (Martinez et al., 1991). Atrium und Ventrikel besitzen jeweils zwei Typen von Myosin-Leichtketten (LC1, LC2) (Karanski, 1988; Martinez et al., 1991). Jede atriale Isoform stimmt mit ihrem ventrikulären Gegenstück in der zweidimensionalen Gelelektrophorese überein (Martinez et al., 1991).
Veränderungen der myofibrillären Proteine treten in Abhängigkeit von der Akklimatisierungstemperatur im Skelettmuskel auf (siehe Guderley und Blier, 1988; Johnston et al., 1990). Johnston et al. (1975) wiesen nach, dass die Aktivität der myofibrillären ATPase des Goldfischskeletts bei Fischen, die bei 1°C akklimatisiert wurden, 2,8-mal höher ist als bei 26°C. Auch deutliche Unterschiede in der thermischen Stabilität waren offensichtlich, wie die Inaktivierung bei 37°C zeigte. Akklimatisierungsbedingte Veränderungen in den HC-Profilen des Skeletts wurden bei der Analyse nativer Proteine nicht festgestellt (Johnston et al., 1990). Peptidkartierungen von Myosinproteinen des Skelettmuskels von Cyprinus carpio ergaben geringe (α-Chymotrypsin-behandeltes HC-Subfragment-1; Hwang et al., 1991) oder keine Unterschiede (V8-Protease- oder Chymotrypsin-Behandlung von HC; Johnston et al., 1990)), die durch die Akklimatisierung an unterschiedliche Temperaturen induziert wurden. Ein Anstieg der Boten-RNA (mRNA), die für die schnell wandernde HC-Untereinheit kodiert, wurde unter ähnlichen Akklimatisierungsbedingungen festgestellt (Gerlach et al., 1990). Myofibrilläre Veränderungen wurden nicht am Herzen untersucht, wo die Kälteakklimatisierung bei einigen Fischarten zu Veränderungen der Herzgröße, der Herzfrequenz und der mechanischen Leistungsfähigkeit führt (z. B. Graham und Farrell, 1990). Bei Säugetieren gibt es Hinweise auf Veränderungen der kardialen Myosin-Isoformen in Abhängigkeit von der Entwicklung (V3 bis V1) und nach Schwimmtraining (siehe Solaro et al., 1989). Auch hier gibt es keine vergleichbaren Studien bei Fischen.
Das Rückgrat der dünnen Filamente ist doppelsträngiges F-Aktin, das aus G-Aktin-Monomeren besteht, die zu Filamenten zusammengesetzt sind. Die Energetik der Konformationsänderung, die mit dem Zusammenbau verbunden ist, variiert zwischen den Fischarten in einer Weise, die auf eine Anpassung der Struktur des Proteins an Temperatur und hydrostatischen Druck schließen lässt (Swezey und Somero, 1982). Troponin (Tn) besteht aus drei Proteinen: TnC ist das kalziumbindende Protein, TnI hemmt die Bindung von Aktin an die Myosinköpfe, und TnT bindet Tropomyosin. Das Herz von Säugetieren besitzt nur eine Isoform von TnC, die auch in der langsam zuckenden Skelettmuskulatur vorkommt, sich aber vom TnC der schnell zuckenden Skelettmuskulatur unterscheidet (Solaro et al., 1986). Während der Entwicklung von Säugetieren kommt es zu Veränderungen der TnI-Isoformen. Diese Unterschiede tragen dazu bei, die unterschiedlichen Auswirkungen der Azidose auf die Ca2+-Empfindlichkeit des Tn von Neugeborenen und erwachsenen Ratten zu erklären (siehe Solaro et al., 1989). Sequenzanalysen (Collins, 1991; Murphy et al., 1991) haben gezeigt, dass es zwischen Säugetieren und Vögeln Unterschiede bei TnC und TnI gibt, aber entsprechende physiologische Unterschiede wurden nicht nachgewiesen. In Säugetierherzen wurden bis zu fünf TnT-Isoformen identifiziert. Obwohl ihre funktionelle Rolle nicht eindeutig geklärt ist, können die verschiedenen Isoformen die ATPase-Aktivitäten beeinflussen (siehe Solaro et al., 1989). Intra- und interspezifische Unterschiede bei kardialen Tn-Tropomyosin-Komponenten sind bei Fischen nicht nachgewiesen worden.
Isoformen kardialer myofibrillärer Proteine bei Fischen wurden in den meisten Studien nicht beobachtet. Die durch Isoformen bei Säugetieren ermöglichte Plastizität ist wichtig für die Reaktion des Herzens auf langfristige Veränderungen der kardiovaskulären Anforderungen. Die physiologischen Faktoren, die bei Säugetieren zu Veränderungen der Isoformexpression führen (Hunger, Bewegung, Grundumsatz, Temperaturanpassung), können bei vielen Fischarten sehr viel extremer sein. Daher ist es unwahrscheinlich, dass die Divergenz der kardialen myofibrillären Isoformen bei Fischen so gering ist, wie die bisherigen Studien vermuten lassen. Vielleicht kann die Einführung einer breiteren Palette von Techniken (z.B. mRNA-Hybridisierung; Gerlach et al., 1990) Unterschiede bei kontraktilen Proteinen aufdecken, die derzeit mit konventioneller Proteinanalyse nicht identifiziert werden.