Strukturelle Organisation des Muskels
Der Skelettmuskel hat einen hierarchischen Aufbau. Ein ganzer Muskel besteht aus Muskelfasern (Myozyten), jede Faser enthält Myofibrillen und Myofibrillen sind aus dünnen und dicken Myofilamenten aufgebaut.
- Dicke Filamente werden von Myosin-Molekülen gebildet. Ein Myosinmolekül besteht aus einem Schwanz und einem Kopf; der Kopf besitzt ATPase-Aktivität und ist in der Lage, ATP in ADP zu spalten.
- Dünne Filamente sind aus Actin sowie den regulatorischen Proteinen Troponin und Tropomyosin aufgebaut.
Tropomyosin umwindet den Actinfilament spiralförmig und blockiert im Ruhezustand die aktiven Zentren des Actins, wodurch dessen Interaktion mit Myosin verhindert wird. Troponin ist ein globuläres Protein aus drei Untereinheiten:
- Untereinheit T – verbindet Troponin mit Tropomyosin;
- Untereinheit C – bindet Ca²⁺-Ionen;
- Untereinheit I (inhibitorisch) – verbindet Troponin mit Actin.
Das Sarkomer als funktionelle Einheit
Die strukturelle und funktionelle Einheit der Myofibrille ist das Sarkomer – der Abschnitt zwischen zwei Z-Scheiben (transversalen Proteindurchlässen bzw. -platten). Genau auf der Ebene des Sarkomers findet die Interaktion von Actin und Myosin statt, die der Kontraktion zugrunde liegt.
Terminologisch haben in der Muskelzelle viele Strukturen die Wurzel „sarko-“: das Zytoplasma wird als Sarkoplasma bezeichnet, die Plasmamembran als Sarkolemm, das endoplasmatische Retikulum als sarkoplasmatisches Retikulum.
Elektromechanische Kopplung
Die Kontraktion wird durch einen Nervenimpuls ausgelöst, der über das Axon eines Motoneurons zur Muskelfasern gelangt. Im Bereich der neuromuskulären Synapse wird die Erregung auf die postsynaptische Membran übertragen, wonach sich das Aktionspotential über das Sarkolemm ausbreitet.
Das Sarkolemm bildet Einstülpungen in das Innere der Faser – das System der T-Tubuli. Über diese erreicht das Aktionspotential spezialisierte membranständige Dihydropyridinrezeptoren (DHPR). Die DHPR sind mechanisch mit Ryanodin-Calciumkanälen des sarkoplasmatischen Retikulums gekoppelt.
Die Konformationsänderung der DHPR bei Depolarisation des T-Tubulus führt zur Öffnung der Calciumkanäle, und Ca²⁺ strömt aus dem sarkoplasmatischen Retikulum in das Sarkoplasma.
Molekularer Mechanismus der Kontraktion
Freies Ca²⁺ bindet an die Troponin-Untereinheit C. Dies verursacht Konformationsänderungen des Troponin-Tropomyosin-Komplexes und dessen Verschiebung, wodurch die aktiven Bindungsstellen des Actins freigelegt werden.
- Der Myosinkopf bindet an die freigegebene Stelle des Actins unter Bildung einer Querbrücke.
- Es findet die Hydrolyse von ATP zu ADP und anorganischem Phosphat statt; die freigesetzte Energie wird für die Ruderbewegung des Myosinkopfs genutzt.
- Actin- und Myosinfilamente gleiten aneinander vorbei, das Sarkomer verkürzt sich – der Muskel kontrahiert.
Diese Beschreibung entspricht der Gleitfilamenttheorie: Die Länge der Filamente ändert sich nicht, es verändert sich lediglich der Grad ihrer Überlappung.
Muskelrelaxation
Für die Relaxation ist es notwendig, Ca²⁺ aus dem Sarkoplasma zu entfernen, da die Kontraktion sonst weiterbesteht. Dabei laufen folgende Prozesse ab:
- Dissoziation von Ca²⁺ von der Troponin-Untereinheit C;
- Aktiver Rücktransport von Ca²⁺ in das sarkoplasmatische Retikulum mithilfe der Calcium-ATPase (SERCA);
- Rückkehr des Troponin-Tropomyosin-Komplexes in seine Ausgangsposition und Blockierung der aktiven Actin-Bindungsstellen;
- Abkopplung der Myosinköpfe vom Actin – die Muskelfaser erschlafft.
Somit fungieren Calciumionen als Hauptregulator des Kontraktions- und Relaxationszyklus, während energieabhängige Prozesse durch die ATP-Hydrolyse sowohl bei der Arbeit des Myosinkopfs als auch bei der Arbeit der Calciumpumpe sichergestellt werden.
Schlüsselpunkte
- Muskel → Faser → Myofibrille → Myofilamente; funktionelle Einheit ist das Sarkomer zwischen Z-Scheiben.
- Dicke Filamente – Myosin (ATPase-Aktivität des Kopfes), dünne – Actin mit den regulatorischen Proteinen Troponin und Tropomyosin.
- Troponin-Untereinheiten: T – an Tropomyosin, C – an Calcium, I – an Actin.
- Das Aktionspotential über die T-Tubuli aktiviert den Dihydropyridinrezeptor, der den Ca²⁺-Kanal des sarkoplasmatischen Retikulums öffnet.
- Die Bindung von Ca²⁺ an Troponin C verschiebt Tropomyosin und legt die Myosinbindungsstellen am Actin frei.
- Die Kontraktion erfolgt über den Mechanismus des Filamentgleitens auf Kosten der Energie der ATP-Hydrolyse.
- Die Relaxation wird durch das Rückpumpen von Ca²⁺ in das sarkoplasmatische Retikulum mittels Calcium-ATPase gewährleistet.
- Ohne die Entfernung von Calcium ist der Muskel nicht zur Relaxation fähig, was die zentrale Rolle von Ca²⁺ bei der Kontraktionsregulation unterstreicht.