Die Muskelkontraktion

Die Muskelkontraktion
Die Muskelkontraktion ist ein sehr interessanter Vorgang, bei dem Wissenschaftler immer wieder neue
Erkenntnisse gewinnen, wobei der grundsätzliche Ablauf schon bekannt ist. Diesen wollen wir hier einmal
näher betrachten.
Damit die Prozesse im Detail besser zu verstehen sind, stellten Wissenschaftler die Gleitfilament-Theorie
auf. Diese bezieht den mikroskopischen Aufbau der Muskeln mit ein.
Der Grundbaustein aller Muskeln ist die Myofibrille, ein winzig kleines, fadenähnliches Gebilde, welches
aus kompliziert gebauten Eiweißen (Proteine) besteht. Jede Muskelzelle oder Muskelfaser enthält aus
regelmäßig angeordneten dicken und dünnen Myofilamenten zusammengesetzte Myofibrillen.
In der isolierten Darstellung einer Myofibrille kann man deutlich helle senkrechte Streifen erkennen, die ZStreifen. Den Abschnitt zwischen zwei Z-Streifen nennt man Sarkomer. Im Sarkomer, in dem sich Aktin- und
Myosinfilamente befinden, findet die eigentliche Muskelkontraktion statt. Bei der Kontraktion gleiten
Aktin- und Myosinfilamente teleskopartig ineinander, daher der Name Gleitfilament-Theorie.
Aufbau der Filamente
Dünnes Filament: Aktinfilament
Es besteht aus zwei umeinander gewundenen Ketten kugelförmiger Moleküle des Proteins Aktin. Um diese
Ketten wiederum winden sich Tropomyosinmolküle, an den alle 40nm ein Troponinmolekül sitzt.
Dickes Filament: Myosinfilament
Das Myosinfilament besteht aus zahlreichen Myosinmolekülen, die aus jeweils einem Kopf (im erschlafften
Zustand ist am Kopf ATP gebunden) und einem Schwanzteil gebildet werden. Zudem besitzen sie zwei
Scharniere, die ermöglichen, dass sich die Molekülstruktur verändert.
Ablauf der Muskelkontraktion
Ruhezustand
Um die Muskelkontraktion zu Stande kommen zu lassen, ist es von Nöten, dass diese beiden Filamente in
Wechselwirkung miteinander treten. Dieses wird im erschlafften Zustand dadurch verhindert, dass die
Tropomyosinfäden die Bindungsstellen am Aktinfilament für die Myosinmoleküle blockieren.
Startbedingungen
Gestartet wird die Muskelkontraktion dann, wenn ein Nervenimpuls den Muskel in elektrische Erregung versetzt.
Diese Erregung breitet sich über die gesamte Zelloberfläche aus. Über diese erstrecken sich röhrenförmige
Ausstülpungen, in denen sich endoplasmatische Retikuli befinden, die sich bei Verbreitung der elektrischen Erregung
öffnen und große Mengen an Calcium-Ionen ausstoßen.
Diese Ionen wiederum binden sich an die Troponinmoleküle und bewirken bei diesen eine Verformung. Die sich
verschiebenden Troponinmoleküle schieben die Tropomyosinfäden beiseite, welche daraufhin die zuvor von ihnen
blockierten Bindungsstellen am Aktinfilament für die Myosinmoleküle freigeben. [Abbildung unten, Phase (3)]
Brückenbildung
Die Wechselwirkung zwischen Myosin- und Aktinfilament lässt sich im vereinfachten Modell des Querbrückenzyklus
nachvollziehen.
Nachdem am Myosinkopf das Enzym ATP-ase aktiviert wird, wird ATP gespalten. Jetzt befindet sich am nun
energiereichen Myosinkopf auch ADP und Phosphat [Abbildung unten, Phase (3)]. Durch die Umwandlung der
chemischen Energie am Myosinkopf in mechanische Energie dockt der Myosinkopf an eine Bindungsstelle des Aktins.
[Abbildung unten Phase (4)]
Kontraktion des Sarkomers
Nun kommt es zur Abspaltung des ADPs und des Phosphats, wodurch eine Bewegung im Myosinkopf entsteht
(Ruderschlag). Durch diese gleiten die Filamente aneinander vorbei, es kommt zu einer Verkürzung des Sarkomers,
das heißt Muskelkontraktion. [Abbildung unten, Phase (4)  (1)]
Zur Erschlaffung des Muskels führt das Abpumpen der Calcium-Ionen durch eine ATP-getriebene Pumpe in die
endoplasmatischen Retikuli. Dadurch blockieren die Myosinfäden wieder die Aktin-Bindungsstellen, eine Bindung
wird so unmöglich. An den Myosinkopf bindet sich neues ATP, wodurch der Zyklus von neuem gestartet werden
kann. [Abbildung unten, Phase (1)  (2)]
Energieverbrauch
Bei der Muskelkontraktion verkürzt sich jedes Sarkomer um ca. 20nm. Jede Muskelkontraktion verbraucht Energie in
Form von ATP, dabei bleibt der ATP-Spiegel des Muskels trotz des Verbrauchs relativ konstant. Eine Muskelzelle hat
ATP für wenige Kontraktionen gespeichert. Während der Muskelarbeit wird Energie sehr schnell aus dem Reservoir
bereitgestellt. Fehlt die Energie, so wird der Muskel starr und ist nicht mehr dehnbar.
[Quelle: verändert nach: WEBER (Hrsg.): „Biologie Oberstufe Gesamtband.“ Cornelsen Verlag, Berlin, 2009, S. 110/1.]
Von Mazdak und Pascal