Muskelkontraktion

Muskelkontraktion einfach erklärt

Nicht nur wenn du etwas Schweres hochhebst oder läufst, sondern immer wenn du dich bewegst, müssen Muskeln in deinem Körper kontrahieren.

Unter einer Muskelkontraktion verstehst du das aktive  Zusammenziehen oder Anspannen deiner Muskeln. Dabei verrichten deine Muskeln also mechanische Arbeit. 

Die im Muskel wirkenden Kräfte entstehen durch die Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie . Die chemische Energie stammt dabei aus dem Abbau des chemischen Moleküls Adenosintriphosphat (ATP).  

Aufbau Muskel

Damit du die Kontraktion deiner Muskeln verstehst, schauen wir uns zunächst den Aufbau eines Muskels, genauer gesagt eines Skelettmuskels, an. Die Skelettmuskulatur ist in deinem Körper für alle aktiven Bewegungen wie das Bewegen deiner Arme und Beine zuständig. Abgesehen von den Skelettmuskeln (quergestreifte Muskeln) kannst du auch noch zwei weitere Muskeltypen unterscheiden: glatte Muskeln und Herzmuskeln. 

Wenn du dir den Querschnitt eines Skelettmuskels anschaust, erkennst du zunächst mehrere große Strukturen – die Muskelfaserbündel. Du kannst sie in immer kleinere Elemente unterteilen. Von groß nach klein ist ein Skelettmuskel also folgendermaßen aufgebaut: 

• Muskelfaserbündel: mehrere Muskelfasern, die von einer Schicht Bindegewebe umgeben sind
• Muskelfasern: gestreckte, mehrkernige Zellen (Synzytium), gefüllt mit Sarkoplasma (Zellplasma einer Muskelzelle) und umgeben vom Sarkolemm (Zellmembran einer Muskelzelle)
• Myofibrillen: Funktionseinheiten, die die Verkürzung ermöglichen; umhüllt vom Sarkoplasmatischen Retikulum (spezielles Endoplasmatisches Retikulum der Muskeln)
• Sarkomere: hintereinander gereihte Bauteile der Myofibrillen

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Sarkomer Aufbau

Und wie sieht die kleinste Einheit der Muskelzellen – das Sarkomer – aus?

Es besteht aus den drei Proteinen Aktin, Myosin und Titin. An seinen Rändern wird jedes Sarkomer von den sogenannten Z-Scheiben (Zwischen-Scheiben) begrenzt. An ihnen hängen auf beiden Seiten fadenförmige Proteinfilamente, die sogenannten dünnen Aktinfilamente.  Dazwischen befinden sich die dickeren Myosinfilamente. Sie sind über das elastische Protein Titin mit den Z-Scheiben verbunden. Titin kannst du dir vorstellen, wie eine molekulare Feder, die die Myosinfilamente in der Mitte hält. 

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Für das Verkürzen des Muskels sind nun vor allem die Myosin- und Aktinfilamente verantwortlich. Sie machen das Muskelgewebe kontraktil (fähig, sich zusammenzuziehen). Dazu gleiten sie aneinander vorbei, ohne dass sie selber ihre Länge verändern. Das Prinzip nennst du daher auch Gleitfilamenttheorie. 

Muskelkontraktion Ablauf

Aber wie funktioniert ein Muskel nun genau? Auf molekularer Ebene kannst du die Kontraktion eines Muskels durch den sogenannten Querbrückenzyklus erklären. Der Name stammt daher, dass die Myosinköpfe eine Querverbindung zwischen Aktin- und Myosinfilamenten herstellen. 

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Jetzt lernst du, wie das Aneinander-Vorbeigleiten Schritt für Schritt funktioniert. 

1. Ruhezustand (Muskel entspannt): 
   – Aktin ist vom Protein Troponin und von Tropomyosinfäden umschlungen. Die Tropomyosinfäden verdecken so die Myosin-Bindestelle auf Aktin.
   – Der Myosinkopf hat ATP gebunden und befindet sich im 90°- Winkel zum Aktinfilament. 
2. Aktivierung:
   – Ein Nervensignal führt zur Ausschüttung von Calciumionen (Ca²⁺) aus dem Sarkoplasmatischen Retikulum.
   – Calcium aktiviert die Enzymaktivität von Myosin (= ATPase). Dadurch wird ATP zu Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphatrest (P_i) gespalten (Hydrolyse). Myosin speichert die freiwerdende Energie und ist einem gespannten Zustand. 
   – Ca²⁺-Ionen bindet außerdem an Troponin und führt zu einer Konformationsänderung. So wird die Myosin-Bindestelle freigegeben.
3. Querbrückenbildung und Kontraktion:
   – Myosin kann an Aktin binden und bildet eine Querverbindung aus.
   – Der Myosinkopf gibt nacheinander P_i und ADP ins Cytosol ab und setzt die Energie frei. Das führt zu einem Kippen des Kopfs in einen 45° Winkel. Das kannst du dir vorstellen wie einen Ruderschlag. Dabei zieht Myosin die Aktinfilamente in Richtung Mitte und der Muskel  spannt sich an (kontrahiert).
4. Rückkehr Ausgangszustand:
   – Neues ATP lagert sich an den Myosinkopf an. Dadurch lösen sich Myosin und Aktin voneinander und die Ruhestellung ist wieder erreicht. 

Jetzt kannst du auch den Effekt der Totenstarre erklären. Darunter verstehst du die Versteifung der Muskulatur nach dem Tod. Das passiert, da kein neues ATP mehr zur Verfügung steht, um die Bindung von Myosin und Aktinfasern wieder zu lösen. 

Muskelkontraktion Arten

Du kannst durch verschiedene Faktoren mehrere Arten der Muskelkontraktion unterscheiden. 

Anhand vom Verhältnis zwischen Muskelspannung und Muskellänge, unterscheidest du drei Kontraktionsarten:

• isotonische Kontraktion (gleichgespannt): Der Muskel verkürzt sich, aber die Spannung bleibt dabei gleich. Wenn du ein Gewicht in der Hand hältst und unter Beugung deines Arms hochhebst.
• isometrische Kontraktion (gleichen Maßes): Im Gegensatz zur isotonischen Kontraktion bleibt die Muskellänge bei sich verändernder Spannung (zunehmende Kraft) gleich. Wenn du versuchst einen „zu schweren“ Gegenstand hochzuheben, ihn aber nicht bewegen kannst.
• auxotonische Kontraktion (verschieden gespannt): Hier ändern sich sowohl Länge als auch Spannung des Muskels. Das ist die häufigste Kontraktion, bei fast allen Bewegungen im Alltag. Wenn du zum Beispiel läufst oder einen Ball wirfst. 

Je nach Längenänderung des Muskels kannst du zwei weitere Arten unterscheiden: 

• konzentrische Kontraktion (überwindend): Ein Widerstand wird überwunden, dadurch ändert sich die intramuskuläre Spannung und der Muskel verkürzt sich. Wenn du einen Klimmzug machst, verkürzen sich die Bizepsmuskeln in deinem Oberarm. 
• exzentrische Kontraktion (nachgebend): Der Muskel gibt dem Widerstand nach und bremst eine Bewegung ab. Dadurch verlängert / dehnt er sich. Wenn du dich nach dem Klimmzug wieder herunterlässt, bremsen deine Armmuskeln dich ab.

Endplattenpotential

Du hast beim Ablauf der Muskelkontraktion gesehen, dass sie durch die Ausschüttung von Calciumionen in der Muskelzelle eingeleitet wird. 

Und wie steuert die Zelle das? Ein Signal aus einer Nervenzelle löst die Öffnung spannungsgesteuerter Calciumionenkanäle in der Muskelzellmembran aus. Dadurch kommt es zur Ausschüttung von Calciumionen aus dem Sarkoplasmatischen Retikulum. Was dann im Weiteren zur Muskelkontraktion führt. Unter dem Signal verstehst du eine Spannungsänderung an der Zellmembran, die du auch als Endplattenpotential bezeichnest. Es breitet sich in der Muskelzelle über spezielle Tubuli (Einstülpungen der Membran) aus. Dadurch kommt es also durch ein elektrisches Signal zu einer mechanischen Antwort (Kontraktion). Du kannst also von einer elektromechanischen Kopplung der Zellen sprechen. 

Für die Signalübertragung stehen Nerven- und Muskelzelle über eine spezielle Kontaktstelle (Synapse ) miteinander in Verbindung. Du nennst sie motorische Endplatte. Du willst wissen, wie genau sie aufgebaut ist und wie dort Signale übertragen werden? Dann schau dir direkt unser Video dazu an!