Wie funktioniert die Muskelkontraktion?

Um zu verstehen, wie ein Reiz und das dadurch ausgelöste Aktionspotential eine Muskelbewegung bewirkt, lohnt ein genauer Blick auf den Vorgang der Muskelkontraktion.

Die Muskelkontraktion beschreibt grundsätzlich den Prozess einer Anspannung bzw. Verkürzung von Muskelgewebe. Dieser biologische Ablauf verbraucht Energie in Form von ATP und ist daher als aktiv zu bezeichnen.

In der folgenden Erläuterung geht es um die chronologische Reihenfolge der Muskelkontraktion, welche mit dem Aktionspotential beginnt und dem Entspannen des Muskels endet. Wenn das Aktionspotenzial einer Nervenfaser die motorische Endplatte einer Muskelfaser erreicht, wird ein sogenanntes Endplattenpotenzial (elektrische Spannung einer Muskelzelle an einer muskulären Synapse) ausgelöst. Die motorische Endplatte stellt dabei die Verbindung zwischen Nerven- und Muskelfaser dar.

Über das T-Tubuli (Einstülpungen in der Membran) gelangt das Endplattenpotential in das sarkoplasmatische Reticulum (Gewebe bzw. verzweigtes Röhrensystem) der Muskelzelle, in dem die Calcium-Ionen gespeichert sind. Durch das ankommende Endplattenpotenzial werden diese freigesetzt, diffundieren (Diffusion: Ionen-Bewegung durch eine Biomembran) in die Zelle.

Die Menge an freigesetzten Ionen reguliert die Dauer der  Muskelkontraktion bzw. Anspannung des Muskels. Die Calcium-Ionen im Zytoplasma (Grundstruktur einer Zelle) sind in der Lage an die Ca2+ - Bindungsstellen der Troponinmoleküle (Strang im Actinfilament) zu binden. Das Tropomyosin wechselt nach der Bindung seine molekulare Struktur (Konformationsänderung), wodurch die Bindungsstellen für das Myosinknöpchen frei liegen.

Das Myosinköpfchen bindet an das Actin bzw. an die dort liegenden spezifischen Bindungsstellen. Das Köpfchen klappt in Kontraktsionsrichtung um und bewegt dadurch das Actin in Richtung der Mitte des Sarkomers. Das Sarkomer ist der Abstand zwischen den Z-Scheiben, welche das Ende der Actine bzw. des Sarkomers markieren.

Grundsätzlich gilt: Je angespannter der Muskel, desto kleiner ist das Sarkomer.

Bei der erwähnten Kontraktionsrichtung handelt es sich um eine klar definierte einseitige Bewegungsrichtung. Im weiteren Verlauf heftet sich Energie in Form von ATP-Molekülen an die Myosinköpchen, wodurch diese sich von vom Actin lösen. Nach der Aufhebung der Bindung spaltet sich ATP zu ADP+P. Die daraus freiwerdende Energie führt dazu, dass sich das Myosinköpchen in der angespannten „Ausgangposition“ befindet und bei einem neu ankommenden Reiz (Aktionspotential) das Actin und somit auch den Muskel erneut anspannen kann.

Nach der Muskelanspannung  erfolgt die Entspannung des Muskelgewebes. In diesem Zusammenhang gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten:

Zum Einen wird die Muskelkontraktion gestoppt, wenn kein Aktionspotential mehr die motorische Endplatte einer Muskelzelle erreicht. Folglich gelangen keine Ca2+ - Ionen in das sarkoplasmatische Reticulum und das Tropomyosin blockiert die Myosinbindungstellen (Bsp.: Fallenlassen eines Gegenstandes).

Zum Anderen wird der Muskel, bezogen auf die Extremitäten, durch die Bewegung des Gegenspielers (Agonist und Antagonist) wieder gedehnt bzw. entspannt (Bsp.:  Beugen und Strecken des Armes). In diesem Falle bewegen sich die Actinfilamente passiv auseinander und machen die Muskelkontraktion rückgängig.

 

Exkurs: Was passiert bei der Muskelverkrampfung?

Eine Muskelverkrampfung hat in den meisten Fällen einen Magnesiummangel als Ursache.  Insbesondere beim Sport benötigt der Körper verhältnismäßig viel Magnesium für die Aufrechterhaltung eines stabilen Kreislaufes. Durch diesen höheren Verbrauch von Magnesium entstehen Muskelverkrampfungen meist nach langen Sporteinheiten.

Doch welchen Einfluss hat das Mineral auf die Muskelkontraktion?

Essentiell für eine Muskelkontraktion ist die Ausschüttung von Calcium-Ionen. Eine Muskelverkrampfung (anhaltende Muskelanspannung) könnte dementsprechend in Verbindung mit einer zu starken bzw. zu lang andauernden Ausschüttung von Calcium stehen.

Das Magnesium besitzt die Eigenschaft, das Ausschütten der Calcium-Ionen zu verhindern bzw. zu mindern. Magnesium blockiert die Kanäle, durch welche das Calcium ins Zytoplasma gelangt. Es kommt demnach zu keiner Konformationsänderung des Tropomyosins. Demnach wird die Muskelkontraktion gestoppt und der Muskel entspannt sich. Somit kann Magnesium als ein Gegenspieler vom Calcium verstanden werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich Muskelverkrampfungen wahrscheinlich durch eine zu geringe bzw. zu starke Konzentration an Calcium entwickeln.

Wichtig ist jedoch zu erwähnen, dass die Medizin die Wirkung von Magnesium in Bezug auf die Muskelkontraktion noch nicht endgültig geklärt hat.

© Philip Büdenbender