Sarkomer: Aufbau und Funktion

Das Sarkomer ist entscheidend für die Muskelkontraktion und somit für jede Bewegung und Kraftentwicklung im Körper. Ohne das präzise Zusammenspiel im Sarkomer wäre keine koordinierte Muskelbewegung möglich. Dieser Artikel beschreibt den Aufbau und die Funktion sowie klinische Aspekte dieser für den Muskel enorm wichtigen Funktionseinheiten.

Sarkomer – Definition

Ein Sarkomer ist die kleinste funktionelle Einheit einer Skelettmuskelzelle, die für die Muskelkontraktion verantwortlich ist. Es besteht aus den Proteinen Aktin und Myosin, die in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind. Diese Anordnung erzeugt die charakteristische Querstreifung der Skelettmuskulatur.

Sarkomer – Aufbau

Die Myofibrillen in den Skelettmuskelzellen bestehen aus Ketten von Sarkomeren. Größere Myosinfilamente sind um kleinere Aktinfilamente angeordnet. Diese Aktinfilamente sind an der Z-Scheibe, die das Sarkomer begrenzen, befestigt und bestehen aus kleinen, kugelförmigen alpha-Aktin-Molekülen. Sie sind von den Begleitproteinen Tropomyosin und dem Troponin-Komplex an der Oberfläche besetzt. Ein weiterer Begleiter des Aktins ist das Nebulin, welches für eine Ordnung des Filaments sorgt.

Das Myosin besteht aus einem Schwanzteil und den Myosinköpfen, die sich zu einem Filament zusammenlagern. Die Köpfe haben eine Bindungsstelle für das Aktin und eine ATPase-Aktivität, um für eine Verkürzung des Sarkomers bei Kontraktion sorgen zu können. Die Myosine sind über Titin mit der Z-Scheibe und M-Bande  (Mitte des Sarkomers) verbunden. Es ähnelt von seiner Funktion der Elastizität einer mechanischen Feder und ist wichtig für die Dehnbarkeit des Muskels.

Durch diese strenge Ordnung der Filamente entsteht die typische Querstreifung der Skelettmuskulatur. Die dunkel erscheinende A-Bande ist der Bereich, in dem sich Myosin und Aktin überlappen. Eine hellere I-Bande stellt den Bereich dar, in dem die Z-Scheibe liegt und nur Aktinfilamente ohne Myosin vorliegen. Im Bereich der A-Bande liegt eine Stelle an der M-Bande vor, in der Nur Myosin ohne Aktin zu sehen wäre, diese wird als H-Zone bezeichnet. Die M-Bande besteht unter anderem aus Myomesin und verbindet die Myosine etwa in der Mitte des Sarkomers miteinander.

Sarkomer – Funktion

Die Funktion des Sarkomers besteht darin, die Muskelkontraktion zu ermöglichen. Durch die Interaktion der Aktin- und Myosinfilamente innerhalb des Sarkomers können sich die Muskelfasern verkürzen und entspannen. Dies führt zur Verkürzung des gesamten Muskels und erzeugt die Kraft, die für Bewegung und Stabilität notwendig ist. Dieser molekulare Vorgang der Verkürzung ist als Querbrückenzyklus bekannt. Um überhaupt verkürzt zu werden, muss die Muskelfaser ein Signal von Nervenfasern in Form einer Potentialänderung erhalten, was elektromechanische Kopplung genannt wird.

Elektromechanische Kopplung

Zwischen der Nervenfaser und Muskelfaser besteht ein synaptischer Spalt. Die Erregung in Form eines Aktionspotenzials erreicht das Ende der Nervenfaser und es öffnen sich an dieser Stelle spannungsgesteuerte Calcium-Kanäle, was zu einem Einstrom von Calcium führt. Calcium fördert nun die Freisetzung von Acetylcholin aus der präsynaptischen Membran heraus in den synaptischen Spalt. Dieser Neurotransmitter bindet an spezifische ionotrope Rezeptoren an der Membran der Muskelzelle, die zu einem Einstrom von Natrium führen. An der Membran der Muskelfaser entsteht ein erregendes postsynaptisches Potenzial.

Durch dieses Postsynaptische Potenzial öffnen sich wiederum spannungabhängige Natrium-Kanäle und sorgen nochmal für einen Natrium-Einstrom. Es entsteht ein Aktionspotenzial, das sich über die gesamte Muskelzelle über spezielle Einstülpungen, den T-Tubuli, verbreitet. Die Muskelzelle hat in ihrem endoplasmatischen Retikulum, dem sarkoplasmatischen Retikulum (SR), Calcium gespeichert. Das sarkoplasmatische Retikulum (SR) ist über einen Dihydropyridin (DHPR), der mit einem Ryanodinrezeptor gekoppelt ist, mit dem T-Tubulus verbunden. Erreicht ein Aktionspotenzial diesen DHPR, öffnet sich der Ryanodinrezeptor und es kommt zum Calcium-Einstrom aus dem SR in die Zelle.

Querbrückenzyklus

Da Tropomyosin und der Troponin-Komplex Bindungsstellen auf dem Aktin besetzten, kann keine Interaktion zwischen Myosin und Aktin stattfinden. Allerdings verdrängt das eingeströmte Calcium diese Begleitproteine und macht die Bindungsstellen für das Myosin frei. Die ATP Bindungstelle des Myosinkopfes hydrolisiert ATP (Adenosintriphosphat) zu ADP (Adenosindiphosphat) sowie Phosphat und hat dadurch die nötige Energie den Kopf aus einem 45-Grad-Winkel (Winkel zwischen Kopf und Schwanz) in einen 90-Grad-Winkel zu bringen. Nach Verdrängung der Begleitproteine kann jetzt die Aktinbindestelle des Myosinkopfes mit dem Aktin interagieren. Nach dieser Bindung wird das Phosphat aus der ATP-Bindestelle freigelassen und der Kopf verändert seinen Winkel wieder zu 45 Grad, was zu einem Kraftschlag und einer Verkürzung führt. Danach verschwindet auch das ADP, ATP kann neu binden und der Kraftschlag kann erneut stattfinden.

Bei einer Kontraktion eines Muskels findet dieser Prozess viele Male in der Sekunde statt, dass die Sarkomere verkürzen und der gesamte Muskel eine Verkürzung erlebt, die eine Wirkung in den Gelenken erzeugt.

Sarkomer – Klinik

Bei einem Herzinfarkt gehen die Herzmuskelzellen wegen einer Sauerstoffunterversorgung unter. Dabei lassen sie auch Proteine wie den Troponin-Komplex frei. Deshalb gilt der Nachweis von kardialem Troponin T und I im Blut als wichtiges Kriterium bei Diagnostik eines akuten Myokardinfarkts.

Bei einer genetischen Form der dilatativen Kardiomyopathie, bei der eine verminderte Auswurfleistung des Herzens vorliegt, sind Fehler im Nebulin der Grund.

Bei Muskeldystrophien liegen Defekte im Dystrophin vor. Dystrophin sorgt für eine laterale Verankerung der Muskelfaser in der extrazellulären Matrix (meist Bindegewebe). So sind die Muskelzellen teils funktionsunfähig und werden abgebaut. Das führt zu den typischen Muskelschwächen und einem zunehmend schlechter werdenden Verlauf. Die Duchenne-Muskeldystrophie ist eine Form, die mit einer deutlich verminderten Lebenserwartung einhergeht, da bei ihr das Dystrophin fast vollständig seine Funktion verloren hat. Die Muskeldystrophie des Typs Becker zeichnet sich durch ein noch teilweise funktionsfähiges Dystrophin-Protein aus, weshalb diese Form eine etwas bessere Prognose und Verlauf hat.