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20.8: Querbrücken-Zyklus
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Cross-bridge Cycle
 
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20.8: Cross-bridge Cycle

20.8: Querbrücken-Zyklus

As muscle contracts, the overlap between the thin and thick filaments increases, decreasing the length of the sarcomere—the contractile unit of the muscle—using energy in the form of ATP. At the molecular level, this is a cyclic, multistep process that involves binding and hydrolysis of ATP, and movement of actin by myosin.

When ATP, that is attached to the myosin head, is hydrolyzed to ADP, myosin moves into a high energy state bound to actin, creating a cross-bridge. When ADP is released, the myosin head moves to a low energy state, moving actin toward the center of the sarcomere. Binding of a new ATP molecule dissociates myosin from actin. When this ATP is hydrolyzed, the myosin head will bind to actin, this time on a portion of actin closer to the end of the sarcomere. Regulatory proteins troponin and tropomyosin, along with calcium, work together to control the myosin-actin interaction. When troponin binds to calcium, tropomyosin is moved away from the myosin-binding site on actin, allowing myosin and actin to interact and muscle contraction to occur.

Calcium

As a regulator of muscle contraction, calcium concentration is very closely controlled in muscle fibers. Muscle fibers are in close contact with motor neurons. Action potentials in motor neurons cause the release of the neurotransmitter acetylcholine in the vicinity of muscle fibers. This generates an action potential (depolarization) in the muscle cell, that is carried along the plasma membrane and through invaginations of the plasma membrane called transverse, or T-tubules.

T-tubules run deep into the muscle and are adjacent to specialized endoplasmic reticulum organelles called sarcoplasmic reticulum, or SR. Calcium sequestered inside the SR is released when voltage-gated ion channels (ion channels that open and close based on local charges) open in response to depolarization, allowing calcium ions to enter the cytoplasm, and muscles to contract.

When signaling from motor neurons stops, relaxation of the muscle begins as calcium is pumped back into the SR, decreasing the cytoplasmic levels of calcium and replenishing the SR calcium stores in preparation for the next contraction.

Muscle Degeneration

Healthy muscle can contract but diseased muscle often loses this ability. Diseases like myasthenia gravis prevent motor neuron stimulation of muscle which results in muscle atrophy and a decrease in muscle mass. Amyotrophic lateral sclerosis (ALS or Lou Gehrig’s disease) causes motor neurons to degenerate, which similarly leads to muscle degeneration and atrophy.

Wenn sich ein Muskel kontrahiert, vergrößert sich die Überlappung zwischen den dünnen und dicken Fäden. Dadurch wird die Länge des Sarkomers, die kontraktile Einheit des Muskels, unter Verwendung von Energie in Form von ATP verringert . Auf molekularer Ebene ist dies ein zyklischer, mehrstufiger Prozess. Er umfasst die Bindung und Hydrolyse von ATP und die Bewegung von Aktin durch Myosin.

Wenn am Myosinkopf haftende ATP zu ADP hydrolysiert wird, geht das Myosin in einen hochenergetischen Zustand über, der an Aktin gebunden ist. Dadurch entsteht eine Querbrücke. Wenn ADP freigesetzt wird, bewegt sich der Myosinkopf in einen niedrigen Energiezustand und bewegt das Aktin zum Zentrum des Sarkomers. Durch die Bindung eines neuen ATP-Moleküls wird das Myosin vom Aktin dissoziiert. Wenn dieses ATP hydrolysiert wird, bindet der Myosinkopf an Aktin. Diesmal bindet es an einen 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 sich Troponin an Kalzium bindet, wird Tropomyosin von der Myosin-Bindungsstelle auf dem Aktin entfernt. So können Myosin und Aktin interagieren . Nun kann eine Muskelkontraktion stattfinden.

Kalzium

Als Regulator der Muskelkontraktion wird die Kalziumkonzentration in den Muskelfasern sehr genau kontrolliert. Die Muskelfasern sind eng mit den Motoneuronen verbunden. Aktionspotentiale in den Motoneuronen bewirken die Freisetzung des Neurotransmitters Acetylcholin in der Nähe der Muskelfasern. Dadurch wird in der Muskelzelle ein Aktionspotential (Depolarisation) erzeugt, das entlang der Plasmamembran und durch Einstülpungen der Plasmamembran transportiert wird. Diese Einstülpungen bezeichnet man als Transversal- oder T-Tubuli.

T-Tubuli verlaufen tief in den Muskel. Sie grenzen an spezialisierte endoplasmatische Retikulumorganellen, die als sarkoplasmatisches Retikulum oder SR bezeichnet werden. Das im Inneren des SR sequestrierte Kalzium wird freigesetzt, wenn sich als Reaktion auf die Depolarisation spannungsgesteuerte Ionenkanäle (Ionenkanäle, die sich aufgrund lokaler Ladungen öffnen und schließen) öffnen. Dadurch dringen Kalziumionen in das Cytoplasma eindringen und die Muskeln kontrahieren.

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

Muskel-Degeneration

Gesunde Muskeln können sich zusammenziehen, kranke Muskeln verlieren diese Fähigkeit jedoch oft. Krankheiten wie Myasthenia gravis verhindern eine motorische Neuronenstimulation des Muskels, was zu Muskelschwund und 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.


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