Querbrückenzyklus

Wenn sich ein Muskel kontrahiert, vergrößert sich die Überlappung der dünnen und dicken Filamente, wodurch die Länge der Sarkomers, die kontraktile Einheit des Muskels, unter Verwendung von Energie in Form von ATP verringert wird. Auf molekularer Ebene ist dies ein zyklischer, mehrstufiger Prozess, der die Bindung und Hydrolyse von ATP sowie die Bewegung von Aktin durch Myosin involviert.

Wenn das am Myosinkopf haftende ATP zu ADP hydrolysiert wird, geht das Myosin in einen hochenergetischen Zustand in dem es an Aktin gebunden über und eine Querbrücke entsteht. Wenn ADP freigesetzt wird, bewegt sich der Myosinkopf in einen niedrigen Energiezustand und das Aktin wird zum Zentrum des Sarkomers bewegt. Durch die Bindung eines neuen ATP-Moleküls wird das Myosin vom Aktin dissoziiert. Wenn dieses ATP hydrolysiert wird, bindet der Myosinkopf an einem Teil des Aktins der sich näher am Ende des Sarkomers befindet. Die regulatorischen Proteine Troponin und Tropomyosin arbeiten zusammen mit Kalzium, um die Myosin-Aktin-Interaktion zu kontrollieren. Wenn Troponin Kalzium bindet, wird Tropomyosin von der Myosin-Bindungsstelle auf dem Aktin entfernt. Wodurch Myosin und Aktin wieder interagieren können und eine Muskelkontraktion stattfinden kann.

Kalzium

Als Regulator der Muskelkontraktion wird die Konzentration des Kalziums in den Muskelfasern sehr genau kontrolliert. Die Muskelfasern liegen nah an den Motoneuronen. Aktionspotentiale in den Motoneuronen bewirken die Freisetzung des Neurotransmitters Acetylcholin nah der Muskelfasern. Dadurch wird in der Muskelzelle ein Aktionspotential (Depolarisation) erzeugt, das entlang der Plasmamembran und der Einstülpungen in der Plasmamembran transportiert wird. Diese Einstülpungen bezeichnet man als transversale oder T-Tubuli.

Die T-Tubuli verlaufen tief in den Muskel und grenzen an spezialisierte endoplasmatische Retikulumorganellen, die sarkoplasmatisches Retikulum oder SR genannt werden. Das Kalzium im Inneren des SR wird freigesetzt, wenn sich die spannungsgesteuerten Ionenkanäle (Ionenkanäle, die sich aufgrund lokaler Ladungen öffnen und schließen) durch die Depolarisation öffnen. Dadurch treten Kalzium-Ionen in das Zytoplasma ein und die Muskeln kontrahieren.

Wenn die Signale der Motoneuronen aufhören, beginnt die Entspannung des Muskels, indem das Kalzium zurück in das SR gepumpt wird. Dadurch senkt sich der Kalziumspiegel im Zytoplasma und die Kalziumspeicher des SR werden in Vorbereitung auf die nächste Kontraktion wieder aufgefüllt.

Muskel-Degeneration

Gesunde Muskeln können sich zusammenziehen, jedoch verlieren kranke Muskeln diese Fähigkeit oft. Krankheiten wie Myasthenia gravis verhindern die Stimulation des Muskels durch die Motorneuronen, was zu Muskelschwund und zu einer Abnahme der Muskelmasse führt. Amyotrophe Lateralsklerose (ALS oder Lou-Gehrigs-Krankheit) führt zu einer Degeneration der Motoneuronen, was ebenfalls zu Muskeldegeneration und-atrophie führt.