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Unter einer Muskelkontraktion verstehst du die Anspannung eines Muskels. Sie ist notwendig, dass du deine Muskeln bewegen kannst. Wie genau die Kontraktion abläuft, erklären wir dir hier. Du willst die besten Lernvideos für Schüler und Studenten? Dann komm auf die Flex.de oder hol dir unsere kostenlose App.
Nicht nur wenn du etwas hochhebst oder läufst, sondern immer wenn du dich bewegst, benutzt du deine Muskeln. Bei jeder deiner Bewegungen findet eine Muskelkontraktion statt. Darunter verstehst du das aktive Anspannen oder Zusammenziehen eines Muskels. Damit das passiert, müssen deine Muskeln mechanische Arbeit verrichten. Dafür benötigen sie Energie, genauer gesagt chemische Energie, die sie aus der Spaltung des Moleküls Adenosintriphosphat (ATP) erhalten.
Damit du verstehst, wie deine Muskeln funktionieren, schauen wir uns zuerst mal ihren Aufbau an. Du besitzt drei verschiedene Muskeltypen: die Skelettmuskulatur, die glatte Muskulatur und die Herzmuskulatur. Für alle aktiven Bewegungen, wie das Bewegen von Armen und Beinen, sind die Skelettmuskeln zuständig. Wenn du dir den Querschnitt einer Skelettmuskelzelle anschaust, sieht das so aus: Du erkennst verschiedene Strukturen, die wir jetzt von groß nach klein durchgehen.
Du kannst dir den Muskel als ein Muskelfaserbündel vorstellen, also ein Bündel aus mehreren Muskelfasern, umgeben von Bindegewebe. Die Muskelfasern sind lang gestreckte, mehrkernige Zellen. Bei den Muskelzellen nennst du das Zellplasma Sarkoplasma und die Zellmembran Sarkolemm. Das endoplasmatische Retikulum der Muskelzelle heißt entsprechend sarkoplasmatisches Retikulum. Er umhüllt die sogenannten Myofibrillen. Sie ermöglichen das Verkürzen der Muskeln und bestehen wiederum aus den Sarkomeren.
Das Sarkomer ist die kleinste Einheit der Muskelzelle. An den Rändern ist jedes Sarkomer begrenzt durch die Z-Scheiben. Daran hängen auf beiden Seiten dünne, fadenförmige Proteine. Du nennst sie Aktin-Filamente. Mittig dazwischen findest du die dickeren Myosin-Filamente. Über das Protein Titin sind sie an den Z-Scheiben befestigt. Das kannst du dir vorstellen wie eine elastische Feder.
Zur Muskelbewegung können Myosin- und Aktin-Filamente nun aneinander vorbeigleiten. Daher bezeichnest du das Prinzip auch als Gleitfilament-Theorie. Dabei verkürzt sich zwar der Muskel, die Länge der Myosin- und Aktin-Filamente bleibt jedoch gleich.
Schau dir das jetzt einmal auf molekularer Ebene an. Dort kannst du die Muskelkontraktion durch den Querbrückenzyklus erklären. Schritt für Schritt läuft das so ab: Im Ruhezustand, wenn der Muskel entspannt ist, ist Aktin von den Proteinen Tropomyosin und Troponin umschlungen. So verdecken die Tropomyosin-Fäden die Myosin-Bindungsstelle auf den Aktin-Filamenten. Das Myosinköpfchen hat ATP gebunden und befindet sich in einem 90-Grad-Winkel zum Aktin.
Jetzt aktiviert ein Nervensignal den Muskel. Es führt nämlich zur Ausschüttung von Kalziumionen aus dem sarkoplasmatischen Retikulum. Dadurch wird die Enzymaktivität von Myosin ATPase aktiviert. Es spaltet ATP zu Adenosindiphosphat (ADP) und einem Phosphat. Dabei wird Energie frei, die das Myosinköpfchen speichert. Die Kalziumionen binden außerdem an Troponin. Das löst eine Änderung seiner Struktur aus, so dass es die Bindungsstelle für Myosin freigibt.
Jetzt kommt der Schritt der Querbrückenbildung, denn Myosin kann nun an Aktin binden. Daraufhin gibt das Myosinköpfchen nacheinander Phosphat und ADP ab. Die dabei freiwerdende Energie führt zum Kippen des Kopfes um 45 Grad. Das sieht aus wie ein Ruderschlag. So zieht Myosin die Aktin-Filamente in die Mitte und der Muskel spannt sich an.
Um wieder in den Ruhezustand zurückzukehren, lagert sich neues ATP an das Myosinköpfchen an. Dadurch lösen sich die Myosin- und Aktin-Filamente voneinander. Die Kalziumkonzentration sinkt und die Ruhestellung ist wieder erreicht.
Jetzt kannst du auch den Effekt der Totenstarre erklären. Darunter verstehst du das Versteifen der Muskeln nach dem Tod. Das passiert, weil kein neues ATP mehr vorhanden ist. So bleiben Myosin und Aktin weiter gebunden und die Muskulatur bleibt angespannt.
Du hast gerade gelernt, dass die Muskelkontraktion durch den Einstrom von Kalziumionen in die Muskelzelle ausgelöst wird. Und wie steuert die Zelle das? Ein Signal aus einer Nervenzelle löst die Öffnung spannungsgesteuerter Kalziumionenkanäle aus. Das Signal entspricht einer Spannungsänderung an der Muskelzellmembran. So führt also ein elektrisches Signal zu einer mechanischen Antwort.
Damit das elektrische Signal von der Nerven- auf die Muskelzelle übertragen werden kann, müssen sie über eine spezielle Kontaktstelle verbunden sein. Du kannst sie als motorische Endplatte bezeichnen. Wenn du wissen möchtest, wie sie aufgebaut ist und wie dort Signale übertragen werden, schau dir einfach unser Video dazu an.
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