Vom Nervensignal zur Querbrücke

Jeder Kraftschlag eines Myosinkopfs bewegt das dünne Filament um etwa 10 Nanometer, und jeder Zyklus verbraucht ATP.

Das Signal kommt an

Der Entschluss, sich zu bewegen, entsteht im Gehirn, aber den Befehl an eine Skelettmuskelfaser gibt ein Motoneuron. Die meisten dieser Neuronen haben ihren Zellkörper im Rückenmark, und ihre Axone können bis zu etwa 90 cm lang sein, um den Muskel zu erreichen. Die Kontaktstelle zwischen Axonendigung und Faser heißt neuromuskuläre Synapse. Dort schüttet die Endigung einen chemischen Botenstoff aus, Acetylcholin (ACh). Er überquert einen winzigen Spalt, den synaptischen Spalt, und bindet an Rezeptoren in der Fasermembran an der motorischen Endplatte. Diese Rezeptoren sind Kanäle: Bindet ACh, öffnen sie sich, positiv geladene Ionen strömen ein, und das Innere der Faser wird weniger negativ.

Diese Änderung öffnet spannungsgesteuerte Natriumkanäle, Natrium strömt ein, und ein Aktionspotenzial läuft über die ganze Membran. Währenddessen baut ein Enzym, die Acetylcholinesterase, das im Spalt verbliebene ACh ab, damit es die Faser nicht immer wieder neu erregt.

Von der Membran zum Calcium

Eine Muskelfaser kann 100 Mikrometer dick sein. Das ist zu breit, als dass ein Signal an der Oberfläche schnell die Mitte erreichen könnte. Deshalb stülpt sich die Membran in schmalen Röhren ins Zellinnere ein, den T-Tubuli (T für transversal, also quer). Sie leiten das Aktionspotenzial tief in die Faser. Jeder T-Tubulus verläuft zwischen zwei erweiterten Säcken des sarkoplasmatischen Retikulums, des Calciumspeichers. Zusammen bilden die drei eine Triade. Wenn das Aktionspotenzial vorbeikommt, öffnen sich Kanäle im sarkoplasmatischen Retikulum, und Calciumionen (Ca2+) strömen ins Sarkoplasma. Diese Verbindung zwischen einem elektrischen Signal und einem mechanischen Zug heißt elektromechanische Kopplung.

Fünf Schritte des Querbrückenzyklus

In Ruhe liegt ein Strang aus Tropomyosin entlang des Aktins und verdeckt die Stellen, an denen Myosin binden könnte. Troponin hält ihn dort fest. Schritt 1: Ca2+ bindet an Troponin, das daraufhin das Tropomyosin von den Bindungsstellen schiebt. Schritt 2: Ein Myosinkopf, der bereits gespannt ist und noch ADP und Phosphat aus dem vorigen Zyklus trägt, bindet an Aktin. Diese Verbindung ist eine Querbrücke. Schritt 3, der Kraftschlag: Das Phosphat wird freigesetzt, der Kopf greift fester zu und kippt zur M-Linie. Dabei zieht er das dünne Filament um etwa 10 Nanometer mit. Danach löst sich das ADP, aber der Kopf bleibt gebunden. Schritt 4: Ein neues ATP-Molekül bindet an den Kopf, und er lässt das Aktin los. Schritt 5: Der Kopf spaltet das ATP in ADP und Phosphat und nutzt die Energie, um in die gespannte Stellung zurückzuschwingen. Nun kann er weiter vorn erneut binden.

Wähle im Modell nacheinander jeden Schritt aus der Liste Schritt und beobachte den orangen Kopf. Drücke dann auf Abspielen. Viele Köpfe durchlaufen den Zyklus zu verschiedenen Zeitpunkten. Deshalb halten sich immer einige fest, während andere nach vorn greifen, ähnlich wie eine Mannschaft, die ein Seil Hand über Hand einholt.

Warum ATP doppelt wichtig ist

ATP wird an zwei Stellen des Zyklus gebraucht. Es sorgt dafür, dass der Kopf das Aktin loslässt, und die Energie aus seiner Spaltung spannt den Kopf erneut. Außerdem treibt ATP die Pumpen an, die Calcium zurück ins sarkoplasmatische Retikulum befördern. Ohne ATP bleiben die Myosinköpfe fest am Aktin. Das ist die Ursache der Totenstarre, der Steifheit der Muskeln kurz nach dem Tod: Es kann kein neues ATP mehr gebildet werden, also lösen sich die Querbrücken nie. Schalte im Modell ATP aus, und jeder Kopf, der das Aktin erreichen kann, bleibt gebunden.

Abschalten

Die Kontraktion endet, wenn das Motoneuron kein ACh mehr ausschüttet. Die Membran kehrt in den Ruhezustand zurück, die Calciumkanäle schließen sich, und Pumpen befördern Ca2+ zurück ins sarkoplasmatische Retikulum. Troponin gibt sein Calcium ab, Tropomyosin gleitet wieder über die Bindungsstellen, und da sich keine neuen Querbrücken bilden, erschlafft die Faser. Auch glatte Muskulatur nutzt Calcium, aber auf andere Weise. Sie hat kein Troponin. Deshalb bindet Calcium an ein Protein namens Calmodulin, das ein Enzym einschaltet, und dieses aktiviert die Myosinköpfe.

Ein Signal, eine Zuckung

Ein einzelnes Aktionspotenzial löst eine einzelne kurze Kontraktion aus, die Zuckung. Sie dauert je nach Muskel einige Millisekunden bis etwa 100 Millisekunden. Signale, die ankommen, bevor die Faser erschlafft ist, addieren sich zu einem stärkeren Zug. Bei ausreichend hoher Frequenz verschmelzen die Zuckungen zu einer gleichmäßigen, anhaltenden Kontraktion, dem Tetanus. Das Nervensystem stuft die Kraft außerdem danach ab, wie viele motorische Einheiten es einsetzt. Eine motorische Einheit besteht aus einem Motoneuron und allen Fasern, die es versorgt. In den Muskeln, die das Auge bewegen, versorgt ein Neuron nur etwa sechs Fasern, was eine sehr feine Steuerung erlaubt. In großen Oberschenkel- und Rückenmuskeln kann ein Neuron Tausende versorgen.

Dies ist Lernmaterial darüber, wie der Körper aufgebaut ist und funktioniert. Es ist keine medizinische Beratung und dient nicht dazu, Krankheiten zu diagnostizieren oder zu behandeln.