Quergestreifte Muskulatur: Aufbau und Kontraktion

Die quergestreifte Muskulatur

Die quergestreifte Muskulatur zeigt unter dem Lichtmikroskop, dass sowohl Skelett- als auch Herzmuskelfasern abwechselnd helle und dunkle Bänder oder Streifen aufweisen, deren relative Größe sich während der Kontraktion ändert. Quergestreifte Muskelfasern können schnell kontrahieren, können diese Kontraktion jedoch nicht dauerhaft aufrechterhalten; vor einer erneuten Aktivierung müssen Entspannung und Erholung eintreten.

Der Herzmuskel

Der Herzmuskel befindet sich in den Wänden des Herzens. Es handelt sich um eine unwillkürliche Muskulatur, deren Kontraktionen durch das autonome Nervensystem gesteuert werden. Die Fasern sind Ende an Ende miteinander verbunden, vereinigen sich wieder und verzweigen sich, um komplexe Netzwerke zu bilden. Sie sind zylindrisch, weisen längliche Streifen sowie ein oder zwei Kerne pro Faser auf. Die Geschwindigkeit der Kontraktion sowie die Fähigkeit, diese beizubehalten, liegen im mittleren Bereich. Ein weiteres Merkmal von Herzmuskelgewebe ist das Vorhandensein von Glanzstreifen (Disci intercalares), welche spezielle Kontaktstellen zwischen den Fasern darstellen. Dieser Muskel kontrahiert abrupt und treibt mit jeder Kontraktion den Rhythmus des Blutes an.

Die Skelettmuskulatur

Die Skelettmuskulatur ist am Skelett befestigt, unterliegt der willkürlichen Kontrolle und wird durch das zentrale Nervensystem gesteuert. Ihre Fasern sind gestreckt und können eine Länge von bis zu 2 oder 3 cm erreichen; sie sind zylindrisch mit stumpfen Enden. Sie weist Streifen auf, und jede Skelettmuskelfaser besitzt viele Kerne – eine Ausnahme von der Verallgemeinerung, dass Zellen meist nur einen einzigen Kern enthalten. Die Kontraktion erfolgt im Vergleich zu anderen Weichteilen schneller, ist jedoch weniger in der Lage, die Spannung dauerhaft aufrechtzuerhalten. Die große Muskelmasse ist an den Knochen des Körpers angebracht. Wenn dieser Muskel durch einen einzigen, kurzen Reiz stimuliert wird, erleidet er eine einfache, schnelle Zuckung (Krampf), was jedoch primär in Laborexperimenten auftritt.

Neurotransmitter und der Zyklus der Muskelkontraktion

1. Motorische Einheit: Ein Motoneuron stimuliert die Muskeln funktionell und ist mit ca. 150 Muskelfasern verbunden. Wird ein Motoneuron stimuliert, setzt es den Neurotransmitter Acetylcholin in den synaptischen Spalt frei – den Raum zwischen dem Motoneuron und jeder Muskelfaser.
2. Depolarisation: Das Acetylcholin bindet an Rezeptoren auf jeder Muskelfaser, wodurch eine elektrische Veränderung, die sogenannte Depolarisation, entlang des Sarkolemms ausgelöst wird. Diese Depolarisation erzeugt einen elektrischen Impuls oder ein Aktionspotential.
3. Weiterleitung: Das Aktionspotential breitet sich entlang des Sarkolemms durch die Membranen der T-Kanälchen (Invaginationen der Plasmamembran) aus und passiert auch das sarkoplasmatische Retikulum.
4. Kalziumfreisetzung: Das Aktionspotential ändert die Durchlässigkeit des sarkoplasmatischen Retikulums. Diese Veränderung öffnet Proteinkanäle, wodurch Kalzium-Ionen in das Zytoplasma freigesetzt werden.
5. Interaktion: Die freigesetzten Kalzium-Ionen stehen nun für die Interaktion mit Aktin und Myosin zur Verfügung.
6. Strukturänderung: Die Kalzium-Ionen binden an Troponin-Moleküle und verändern deren Struktur. Diese Änderung ermöglicht es den Myosinfilamenten, Querbrücken zu bilden, die Aktin und Myosin verbinden.
7. Kontraktionszyklus: Segmente von Myosin nehmen eine runde Kopfform an, die aus dem Myosinfilament hervorragt. Dieser Kopf besitzt die Fähigkeit, ATP in Gegenwart von Kalzium abzubauen und die Energie für den Kontraktionsprozess zu nutzen. Wenn die Muskelfaser aktiviert ist, aktivieren Kalzium-Ionen den Abbau von ATP zu ADP unter Freisetzung von Energie. Mit dieser Energie binden die Myosinköpfe an das Aktin und führen eine Beugebewegung aus, welche die Aktinfilamente zur Mitte des Sarkomers zieht. Dieser Zyklus wiederholt sich während der Kontraktion durch Kalzium-Ionen und neue Energie in jedem Schritt, was zur Verkürzung des Muskels führt. Während der Kontraktion bewegen sich die Aktinfilamente in Richtung der Mitte der Myofibrille, wodurch sich der Muskel verkürzt.