Aktin und Myosin: Die molekularen Motoren der Muskelkontraktion

Der kontraktile Apparat

Skelettmuskelfasern sind mit Myofibrillen gefüllt, die sich aus sich wiederholenden Einheiten namens Sarkomeren zusammensetzen – den funktionalen Motoren der Kontraktion. Zwei Filamentsysteme interagieren innerhalb jedes Sarkomers:

Dünne Filamente: Aktin und seine Regulatoren

• G-Aktin (globulär) polymerisiert zu F-Aktin, einem doppelthelischen Filament.
• Regulatorische Proteine umfassen den Troponin-Komplex (TnC bindet Kalzium, TnI hemmt die Kontraktion, TnT verankert Tropomyosin) und Tropomyosin, das in Ruhe die Myosin-Bindungsstellen auf Aktin blockiert.
• Aktinfilamente werden am Z-Scheibchen durch α-Actinin und CapZ verankert.

Dicke Filamente: Myosin II

• Jedes Myosinmolekül ist ein Hexamer: zwei schwere Ketten (jeweils mit einem Motorkopf und einem Coiled-Coil-Schwanz), zwei essenzielle Leichtketten (ELC) und zwei regulatorische Leichtketten (RLC).
• Der Kopf (Motor-Domäne) bindet Aktin und hydrolysiert ATP, um Kraft zu erzeugen.
• Der Schwanz bildet einen Coiled-Coil-Dimer, der sich zu bipolaren dicken Filamenten zusammenfügt, mit Köpfen, die nach außen ragen, und einer nackten Zone in der Mitte.
• Myosin-bindendes Protein C (MyBP-C) feinjustiert die Kreuzbrücken-Zykluskinetik.

Der Kreuzbrückenzyklus (Schiebefilament-Theorie)

1. Kalzium bindet an Troponin C → Tropomyosin verschiebt sich → Myosin-Bindungsstellen auf Aktin werden freigelegt.
2. Myosinkopf (mit ADP·Pi gebunden) heftet sich stark an Aktin.
3. Freisetzung von Phosphat löst den Kraftschlag aus – der Kopf rotiert und schiebt die Filamente um ~10 nm.
4. ADP wird freigesetzt; ATP bindet → Myosin löst sich von Aktin.
5. ATP-Hydrolyse spannt den Kopf wieder (Erholungsschlag).
6. Zyklus wiederholt sich, solange Kalzium und ATP verfügbar sind.

Regulation und Energetik

• Das sarkoplasmatische Retikulum gibt Kalzium über RyR1-Kanäle frei, ausgelöst durch den DHPR-Spannungssensor.
• SERCA-Pumpen pumpen Kalzium zurück in das SR, um die Entspannung zu ermöglichen.
• ATP treibt auch die Na⁺/K⁺-ATPase und den Kalziumkreislauf an.

Klinische Relevanz

• Nemaline-Myopathie (Aktin-Mutationen), Myosin-Speicher-Myopathie (MYH7) und Maligne Hyperthermie (RYR1) sind genetische Störungen der Kontraktionsproteine.
• Leichenstarre tritt auf, wenn ATP-Erschöpfung Kreuzbrücken dauerhaft verriegelt.