Um eine Bewegung auszuführen, sind die meisten Skelettmuskeln des menschlichen Körpers über Sehnen mit Knochen verbunden. Durch die aktive Verkürzung des Muskels werden die Ansatzpunkte der Muskeln einander angenähert und es kommt zu einer Bewegung in einem oder mehreren Gelenken. Um genau zu verstehen, wie eine Muskelkontraktion physiologisch abläuft, werden wir zunächst den strukturellen Aufbau des Muskels behandeln.
Ein Muskel ist hierarchisch aufgebaut:
- Von außen umkleidet den Muskel eine Muskelfaszie, die den Muskel in seiner äußeren Form hält.
- Innerhalb dieser Faszie liegen mehrere Muskelfaserbündel vor, die ihrerseits von einer Bindegewebsschicht ummantelt sind und von dieser gegeneinander abgegrenzt werden.
- Die Muskelfaserbündel bestehen aus einzelnen Muskelfasern.
- Jede dieser Muskelfasern entspricht genau einer Muskelzelle und enthält somit (wie jede Körperzelle) die typischen Zellorganellen. Neben diesen liegen in Muskelfasern sogenannte Myofibrillen vor. Diese ermöglichen die Kontraktion der Muskelzellen. Die Myofibrillen bestehen aus etwa 20.000 hintereinander gereihten Sarkomeren.
- Ein Sarkomer ist die kleinste funktionelle Einheit des Muskels. Es ist wie folgt aufgebaut: Ein Sarkomer ist von zwei Z-Streifen begrenzt. An den Z-Scheiben sind Aktinfäden befestigt. Diese ragen in die Mitte des Sarkomers und sind dort mit Myosinfäden verbunden. Beide bilden gemeinsam das kontraktile Element des Sarkomers. Die Myosinfilamente sind in der Mitte des Sarkomers am M-Streifen befestigt und am Rand des Sarkomers über das Protein Titin mit der Z-Bande verknüpft. Die Aktinfäden bilden die I-Bande bis zu der Stelle, an der sich die Aktinfäden mit den Myosinfäden überschneiden. Die Myosinfäden bilden mit ihrer ganzen Länge die A-Bande eines Sarkomers. Derjenige Bereich der A-Bande, in dem nur Myosin- und keine Aktinfäden vorliegen, erscheint im Mikroskop heller und wird deshalb als H-Zone bezeichnet.
Um sich die Reihenfolge der einzelnen Komponenten und Zonen eines Sarkomers gut merken zu können, gibt es folgende Eselsbrücke: Zieh Immer Am Hellen Muskel
Z-Streifen → I-Bande → A-Bande → H-Zone → M-Streifen
Nun betrachten wir die Muskelkontraktion etwas genauer. Bei dieser spielen die Myosin- und Aktinfilamente eine wichtige Rolle. Diese gleiten bei der Kontraktion ineinander, ohne sich selbst zu verkürzen. Aufgrund dieses Ineinandergleitens wird der Vorgang auch als Gleitfilamenttheorie bezeichnet. Dabei werden die Z-Scheiben näher zur Mitte eines Sarkomers gezogen.
Ablauf der Muskelkontraktion:
- Im Ruhezustand sind die Aktinfilamente von einem langen Protein, dem sogenannten Tropomyosinfaden, umschlungen. Durch diesen engen Kontakt können die Myosinköpfchen der Myosinfilamente nicht an die Aktinfilamente binden.
- Durch Nervenimpulse kommt es zum Calciumeinstrom in die Muskelzelle.
- In der Folge wird an das Myosinköpfchen gebundenes ATP in ADP und Phosphat gespalten. Außerdem bindet Calcium an das Tropomyosin, welches anschließend seine Form verändert und die Bindung von Myosinköpfchen und Aktinfilament ermöglicht. Es werden sogenannte Querbrücken ausgebildet.
- Zuerst wird das Phosphat und anschließend das ADP abgespalten.
- Durch die freigesetzte Energie kippt das Myosinköfchen um 45° und zieht die Aktinfilamente in die Mitte.
- ATP bindet an den Myosinkopf, dieser löst sich vom Aktin und klappt wieder zurück.
Dieser Vorgang wiederholt sich bis zu 50 Mal pro Sekunde pro Myosinköpfchen, sodass sich im Zusammenspiel vieler Myosinköpfchen die Z-Streifen schnell einander annähern. Da dieser Vorgang gleichzeitig in sehr vielen Sarkomeren zahlreicher Muskelfasern eines Muskels stattfindet, kann innerhalb eines Muskels eine enorme Kraft entwickelt werden.