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 Z-Streifen. 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.

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 verschiebenen Troponinmoleküle schieben die Tropomyosinfäden beiseite, welche daraufhin die zuvor von ihnen blockierten Bindungsstellen am Aktinfilament für die Myosinmoleküle freigeben.

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. Durch die Umwandlung der chemischen Energie am Myosinkopf in mechanische Energie

doggt der Myosinkopf an eine Bindungsstelle des Aktins.

Kontraktion des Sarkomers

Nun kommt es zur Abspaltung des ADPs und Phosphats, wodurch  eine Bewegung im Myosinkopf  entsteht (Ruderschlag ). Durch diesen gleiten die Filamente aneinander vorbei, es kommt zu einer Verkürzung des Sarkomers, das heißt Muskelkontraktion.

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.

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.

Quellenangabe

C.C. Buchner, Hartmut Solbach: „vita nova“ 2003

Cornelsen, Prof. Ulrich Weber: „Biologie Oberstufe Gesamtband“ 2004

Microsoft Encarta 2003

Data Becker: „Das große Lexikon 2000“

www.egbeck.de

www.medizin-forum.de

http://de.fitness.com/articles/muskelkontraktion.htm