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Aufbau eines Skelettmuskels

Mit einem Anteil von 40 bis 50 Prozent ist die Skelettmuskulatur das am weitaus stärksten ausgebildete Organ des menschlichen Körpers.

Man bezeichnet sie auch als quergestreifte Muskulatur, weil sie im Unterschied zurglattenMuskulatur durch die regelmäßige Anordnung der Muskelfasern (Myofibrillen) im Lichtmikroskop eine gleichmäßige Hell-Dunkel-Musterung aufweist.

Diese Muskeln arbeiten willkürlich, können also willentlich gesteuert werden.

Die quergestreifte Muskelfaser

Ein typischer Skelettmuskel wird von einer Hülle aus Bindegewebe umhüllt (Muskelfaszie), die ihn nicht nur zusammenhält, sondern auch von der Umgebung abgrenzt und ihm damit Beweglichkeit verleiht. Zwischen den einzelnen Muskelfaserbündeln, die mit dem bloßen Auge noch gut sichtbar sind, liegen dünne Stränge aus Bindegewebe, in denen Blutgefäße und Nerven bis tief in das Muskelinnere gelangen.

Die Faserbündel bestehen wiederum aus mehreren hundert Muskelfasern, die von einer als Sarkolemma bezeichneten Membran umgeben sind.

Wer genauer hinsieht, wird feststellen, daß jede Muskelfaser mehrere hundert am Rand gelegene Zellkerne besitzt.

Offensichtlich sind hier also viele Zellen zu einer einzigen Muskelzelle verschmolzen. Daher besitzen Muskelfasern oft einen großen Durchmesser von 10 bis 100 Mikrometern (tausendstel Millimetern). Meist verläuft eine Faser über die gesamte Länge eines Muskels und geht an beiden Enden, wo der Muskel am Knochen ansetzt, in bindegewebige Sehnen über.

Entscheidend für die Funktion der Muskelfasern sind die Myofibrillen, die parallel zueinander in der Längsrichtung der Zelle angeordnet sind. Im mikroskopischen Bild erkennt man dunkle Trennscheiben, die Z-Linien, die im Abstand von jeweils 2,5 Mikrometern die Myofibrille in einzelne Sarkomere gliedern.

Dabei wechseln sich dunkle A-Streifen und helle I-Streifen regelmäßig ab. Deren Bezeichnung rührt daher, daß I-Streifen nur Actin enthalten, das für Licht in jeder Richtung die gleiche Brechkraft hat; man nennt sie optisch isotrop. Hingegen brechen myosinhaltige Abschnitte das Licht je nach Einfallsrichtung unterschiedlich; diese Bereiche sind für Licht also anisotrop und heißen A-Streifen.

Die Z-Linie trennt die I-Streifen in zwei etwa gleichgroße Hälften, die zu zwei aneinandergrenzenden Sarkomeren gehören. In der Mitte eines A-Streifens liegt die dunkle M-Linie. Diese aus lichtmikroskopischen Untersuchungen stammenden Begriffe spiegeln den molekularen Aufbau der Myofibrillen wider.

Die Muskelfaser. Aufbau, Funktion und Herstellung eines Modells
  • Stefan Berktold
  • Herausgeber: Grin Verlag
  • Auflage Nr. 1 (13.07.2016)
  • Taschenbuch: 36 Seiten

Proteine als molekulare Motoren

Mit dem Elektronenmikroskop und seiner im Vergleich zum Lichtmikroskop wesentlich stärkeren Vergrößerung erkennt man, daß in einer Myofibrille zwei faserige Eiweißstrukturen (Proteinfilamente) zusammenwirken.

Dicke Filamente bestehen aus Bündeln von Molekülen des Proteins Myosin. Jedes dieser Moleküle besitzt einen Schwanz, der am Filament ansetzt, und einen davon abstehenden Kopf. Alle Schwänze weisen zum Mittelpunkt des Filaments. Die dünnen Filamente sind aus drei verschiedenen Proteinen aufgebaut, deren häufigstes das Aktin ist. Der Durchmesser der dünnen Filamente beträgt etwa zehn, jener der dicken gut 15 Nanometer (millionstel Millimeter).

In einer aktiven Muskelfaser stellen die Myosinköpfe der dicken Filamente Querbrücken genannte Verbindungen zu den Aktin-Molekülen der dünnen Filamente her. Wenn sich der Muskel verkürzen soll, ziehen die Querbrücken an letzteren, und die beiden Filamente gleiten aneinander entlang.

Im Unterschied zu den dicken sind die dünnen Filamente fest mit den Z-Linien verbunden, so daß sich die Sarkomere verkürzen müssen. Sind die Sarkomere noch sehr lang, erreichen die dünnen Filamente nur wenige der Myosinköpfe eines dicken Filaments, und es wird nur ein schwacher Zug ausgeübt. Bei mittleren Längen ist der Kontakt ausgeprägt, und die Zugkraft wird maximal.

Wenn sich ein Sarkomer noch weiter verkürzt, ragen die Enden der dünnen Filamente schon über die Mittelpunkte der dicken hinaus.
Auf dieser Seite kommen sie aber in Kontakt mit Myosinköpfen, die in die Gegenrichtung ziehen und somit die von der Muskelfaser aufgebrachte Kraft verringern. Im Extremfall schließlich stoßen die dicken Filamente auf die Z-Linien.

Jede weitere Verkürzung verformt die Filamente, und die Kraft fällt ab.

Die Kraft, die eine Muskelfaser ausüben kann, hängt aber nicht nur von der momentanen Sarkomerlänge ab, sondern auch davon, wie schnell sie sich verkürzen kann. Je schneller dies geschieht, um so geringer die Kraft. Daher kann man schwere Gewichte normalerweise nicht schnell heben, und Sportlertrainieren je nach Sportart unterschiedliche schnell kontrahierende Muskeln. Diese Vorgänge benötigen Energie. Im Körper wird Energie durch dasAdenosintriphosphat, kurz ATP, bereitgestellt.

Das kleine Molekül wird von Enzymen gespalten, so daß seine gespeicherte Energie frei wird. Beim Muskel übernehmen die Myosinmoleküle diese Spaltung; sie wirken also nicht nur als Bestandteile der Filamente, sondern gleichzeitig auch als Enzyme.