Nach der Gleitfilamenttheorie kommt es zu einer Muskelkontraktion, wenn dünne Filamente (Aktin) an dicken Filamenten (Myosin) innerhalb der Muskelfasern vorbeigleiten. Dieser Prozess wird durch die Hydrolyse von ATP, der Energiewährung der Zelle, vorangetrieben. Hier ist eine Schritt-für-Schritt-Erklärung:
1. Ruhezustand: Wenn ein Muskel ruht, überlappen sich die dünnen und dicken Filamente teilweise, sie interagieren jedoch nicht aktiv.
2. Aktionspotenzial: Wenn ein Muskel ein Signal vom Nervensystem empfängt, wird ein Aktionspotential erzeugt. Dieser elektrische Impuls wandert entlang der Muskelzellmembran und in die Muskelfasern.
3. Kalziumfreisetzung: Das Aktionspotential bewirkt die Freisetzung von Kalziumionen aus dem Sarkoplasmatischen Retikulum (SR), dem inneren Kalziumspeicher des Muskels. Calcium bindet an Rezeptoren auf den dünnen Filamenten und legt Myosin-Bindungsstellen frei.
4. Myosinköpfe binden an Aktin: Die freigelegten Myosin-Bindungsstellen auf den dünnen Filamenten ermöglichen es den Myosinköpfen (Vorsprüngen der dicken Filamente), sich an sie zu binden und so Querbrücken zu bilden.
5. Power Stroke: Jeder Myosinkopf enthält ein ATPase-Enzym, das ATP in ADP und anorganisches Phosphat (Pi) hydrolysiert. Die bei der ATP-Hydrolyse freigesetzte Energie verursacht eine Konformationsänderung im Myosinkopf und erzeugt einen Kraftstoß. Dieser kraftvolle Schlag zieht die dünnen Filamente in Richtung der Mitte des Sarkomers, der Grundeinheit der Muskelkontraktion.
6. Folie für dünne Filamente: Wenn die Myosinköpfe kraftvollen Schlägen ausgesetzt werden, gleiten die dünnen Filamente an den dicken Filamenten vorbei, was zu einer Verkürzung der Muskelfaser führt. Diese Gleitbewegung setzt sich fort, solange ATP verfügbar ist und Calciumionen vorhanden sind.
7. Muskelkontraktion: Die Verkürzung einzelner Muskelfasern führt zur Gesamtkontraktion des Muskels. Die vom Muskel erzeugte Kraft hängt von der Anzahl der gebildeten Querbrücken und der Häufigkeit der Kraftschläge ab.
8. Entspannung: Wenn das Aktionspotential endet, wird Kalzium aktiv in den SR zurückgepumpt und die Myosinköpfe lösen sich von den Aktinfilamenten. Dadurch entspannen sich die Muskelfasern und kehren auf ihre Ruhelänge zurück.
Die Gleitfilamenttheorie bietet ein detailliertes Verständnis der molekularen Mechanismen, die der Muskelkontraktion zugrunde liegen. Es erklärt, wie die durch ATP-Hydrolyse angetriebene Wechselwirkung zwischen Aktin- und Myosinfilamenten die für Muskelbewegung und -kontraktion notwendige Kraft erzeugt.
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