Querbrückenzyklus: Bedeutung, Ablauf und Funktion

Der Querbrückenzyklus ist ein Ablauf in den Muskelzellen, der zur Kontraktion eines Muskels führt. Ohne diesen Zyklus wäre Muskelbewegung nicht denkbar. Daher hat er eine besondere Bedeutung bei Bewegungen auf molekularer Ebene zu erklären. Dieser Artikel beschreibt den Ablauf sowie die Funktion des Querbrückenzyklus.

Querbrückenzyklus – Definition

Der Querbrückenzyklus beschreibt den molekularen Mechanismus der Muskelkontraktion auf zellulärer Ebene, insbesondere in quergestreifter Muskulatur. Er erklärt, wie sich die Myosinfilamente an die Aktinfilamente anheften, bewegen und wieder lösen, um eine Kontraktion auszulösen.

Querbrückenzyklus – Ablauf

Ein Sarkomer ist die kleinste funktionelle Einheit der quergestreiften Muskulatur und liegt zwischen zwei Z-Streifen, die das Sarkomer begrenzen und als Verankerungspunkt für die dünnen Aktinfilamente dienen. In der Mitte des Sarkomers befinden sich die dicken Myosinfilamente, die teilweise mit den Aktinfilamenten überlappen.

Bei der Muskelkontraktion verkürzt sich das Sarkomer, indem Aktin- und Myosinfilamente aneinander vorbeigleiten, ohne dass sich ihre Länge verändert. Die Interaktion zwischen Myosin und Aktin findet durch Bindung des Myosinkopfes an der Bindestelle auf dem Aktinfilament statt. In Ruhe sind diese Myosinbindestellen durch Begleitproteine wie Troponin besetzt wodurch das Myosin nicht mit dem Aktin interagieren kann. Erst wenn die Muskelzelle aktiviert wird und Mengen an Calcium in das Zytoplasma einströmen, dissozieren die Begleitproteine und eine Myosin-Aktin-Interaktion kann stattfinden.

Am Myosinkopf gibt es neben der Stelle, die mit dem Aktin in Verbindung tritt, auch eine Stelle an der ATP, ein wichtiger Energieträger, binden kann. Diese ATP-Bindestelle hat eine ATPase-Funktion, das heißt sie kann ATP zu ADP und einem Phosphat spalten. Durch die frei werdende Energie richtet sich der Kopf des Myosins im 90-Grad-Winkel auf. Erst in diesem Winkel kann das Myosinköpfchen an die freigewordene Bindestelle des Aktins binden. Nach der Bindung, werden ADP und das Phosphat aus dem Myosinkopf freigelassen, wodurch der Kopf im 45-Grad-Winkel abknickt aber noch in Bindung mit dem Aktin verbleibt. Dieser “Kraftschlag” bewirkt, dass sich das Myosin an dem Aktin vorbeizieht und das Sarkomer im ganzen verkürzen lässt.

An die freie ATP-Bindestelle kommt ein neues ATP, wodurch sich nach Spaltung dessen, die Konformation des Myosinkopfes wieder ändert und die Bindung zwischen Aktin und Myosin (Querbrücke) beendet wird. Solange allerdings die intrazelluläre Calcium-Konzentration hoch genug ist, läuft dieser Zyklus immer weiter ab und die Sarkomere verkürzen sich weiter.

Die Verkürzung der einzelnen Sarkomere bewirkt insgesamt auch eine Verkürzung der Muskelfaser und damit auch ein Kürzerwerden des gesamten Muskels.

Querbrückenzyklus – Funktion

Grob gesagt sorgt der Querbrückenzyklus dafür, dass sich ein Muskel zusammenzieht – also Kontraktion stattfindet. Dabei greifen kleine „Köpfchen“ am Myosin an die Aktinfilamente, ziehen sie ein Stück weiter und lösen sich dann wieder, um den Vorgang zu wiederholen. Das Ganze funktioniert wie viele kleine Ruderbewegungen, die den Muskel Stück für Stück verkürzen. Bei der Kontraktion laufen etwa 10-100 Zyklen pro Sekunde ab.