am Puls Biologie 7 RG, Schulbuch

80 Myosin klettert an Actin entlang – Muskelbewegung auf molekularer Ebene Das Sarkomer ist die kleinste funktionelle Einheit des Muskels, denn es kann sich aktiv unter Kraft- entwicklung verkürzen. Wer die Funktion des Sarkomers auf molekularer Ebene versteht, ver- steht auch die Funktion des ganzen Muskels auf makroskopischer Ebene. Die wichtigsten Bestandteile des Sarkomers sind die 10nm dicken Filamente des Motorproteins Myosin sowie die 6nm dünnen Filamente des Zytoskelettproteins Actin. Jedes Myosinfilament ist ca. 1,6µm lang und trägt an beiden Ende insgesamt rund 1 000 bewegliche Köpfe. Actin- filamente sind ca 1 µm lang und sehen aus wie zwei leicht umeinander gewundene Perlen- ketten. Die Actinfilamente dienen den Myosin- köpfen als „Zugseile“. Im Sarkomer sind die beiden Filamenttypen par- allel angeordnet, und zwar so, dass sie ein Stück weit überlappen. Bei der Kontraktion bieten die Actinfilamente den Myosinköpfen Bindungsstel- len an. Daraufhin folgen am einzelnen Kopf die Bewegungsschritte, die im Detail in k Abb. 11 dargestellt sind. Wie du sehen kannst, verkürzt sich bei der Kon- traktion nicht das einzelne Proteinmolekül, son- dern Proteinfilamente gleiten aneinander vorbei. So verkürzt sich insgesamt das Sarkomer – man nennt dies die Gleitfilamenttheorie der Muskel- kontraktion. Genaugenommen ziehen die Myo- sinköpfe die endständigen Z-Scheiben an den Actinfilamenten näher zur Mitte (der M-Linie) des Sarkomers. Die erforderliche Energie wird durch ATP bereitgestellt, das von den zahlreichen Mitochondrien geliefert wird, die rund um die Myofibrillen liegen. Ein „Kraftschlag“ all seiner Myosinköpfe verkürzt ein Sarkomer nur um 0,4µm. Eine Myofibrille aus 10 000 Sarkomeren kontrahiert entsprechend um 4mm, ein großer Muskel in Summe um mehrere cm. Reguliert wird die Muskelkontraktion mit der Konzentration von Kalzium (auch: Calcium, Ca) im Zytoplasma. Ein eintreffender Nervenimpuls führt zur Ausschüttung von Ca 2+ -Ionen aus dem SR. Der erhöhte Ca 2+ -Spiegel in den Myofibrillen führt zu einer strukturellen Veränderung am Actinfilament, wodurch die Bindungsstellen für die Myosinköpfe freigelegt werden. Das SR nimmt aber laufend wieder Ca 2+ auf, so dass die Bindungsstellen bald wieder blockiert sind (bis neue Nervenimpulse eintreffen). Der Muskel erschlafft und kann vom Antagonisten wieder gedehnt werden. Myosinproteine ziehen sich an Actin- filamenten voran, dadurch verkürzt sich das Sarkomer Stoff- und Energieumwandlung Steuerung und Regelung Myosinkopf heftet sich an Myosinkopf löst sich ab Actin Myosin Sarkomer Z-Scheibe Myosin Myosinkopf entspannt sich Myosinkopf wird gespannt Der Myosinkopf, an den ADP und anorganisches Phosphat (P) gebun- den sind, heftet sich am Actin an. Es bildet sich der Actomyosinkomplex. ADP und P lösen sich ab, wo- durch der Myosinkopf von selbst eine Kippbewegung durchführt, die ihn ent- spannt. Dies zieht das Actin näher zur Sarkomermitte. Troponin (gelb) und Tropomyosin (grün) verhindern bei niedrigem Calciumspiegel das erneute Andocken des Myosinkopfs. Nun dockt ein ATP-Molekül am entspannten Myosin- kopf an, wodurch dieser sich vom Actin löst. Das Myosin spaltet das gebundene ATP-Molekül in ADP und P und nutzt die dabei freigesetzte Ener- gie, um den Kopf erneut zu spannen. Dies ist der Energie verbrauchende Schritt. Dehnung Kontraktion Actin M-Linie Abb.11: Kontraktion und Dehnung von Muskeln. Die molekularen Mechanismen der Muskelkontraktion beruhen auf der Verschiebung von Actin- und Myosinfilamenten gegeneinander. Dabei wird ATP aufgewendet, um die benötigte Energie zu liefern. Aufgabe W 1 Molekulares Klettern: Beschreibe die Veränderung des Myosinköpfchens unter Berücksichtigung der Energie. Basiskonzept Steuerung und Regelung: Ein einzelner Nervenimpuls führt zu einer kurzen Kontraktion. Bei anhaltenden Nerven- impulsen wird der Zyklus aus Abb. 11 ständig durchlaufen (Anheften – Kippen – Lösen – Spannen – Anheften usw.), d.h. der Muskel entwickelt anhaltend Muskelkraft, er bleibt kontrahiert. Stoff- und Energieumwandlung: Orga- nismen speichern Energie chemisch in Form von ATP. Eine Abspaltung des Phosphats setzt Energie wieder frei und be- wirkt am Myosin eine Formveränderung. Che- mische Energie wird in Bewegungsenergie umgewandelt. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv