Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Filament geht durch die Wand

24.03.2016

Gestreifte Muskulatur: Wissenschaftler der Universitäten Jena und Stuttgart präsentieren ein molekulares Modell, das die Kontraktion bei kurzen Längen erstmals schlüssig erklären kann

Die Physiologielehrbücher müssen überarbeitet werden: Die Kontraktion gestreifter Muskelfasern verläuft auf molekularer Ebene anders als bislang vermutet. Das berichten Bewegungswissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der Universität Stuttgart.


Ausschnitt der Mikrostruktur gestreifter Muskulatur: Die Myosinfilamente (rot und grün) zweier benachbarter Sarkomere durchdringen die maschenartige Struktur der sogenannten Z-Scheibe.

Abbildung: Christian Rode/FSU


Dr. Christian Rode mit einem einfachen Muskelmodell. Der Bewegungswissenschaftler von der Uni Jena hat die Mikrostruktur der gestreiften Muskulatur untersucht.

Foto: Jan-Peter Kasper/FSU

In einer aktuellen Publikation in den „Proceedings of the Royal Society B“ präsentieren Dr. Christian Rode und seine Kollegen ein neuartiges Modell, das die Bewegungsabläufe der Muskelfilamente erstmals schlüssig erklärt und mit sämtlichen experimentellen Daten in Einklang bringt (DOI: 10.1098/rspb.2015.3030).

Muskeln sind die „Motoren“ all unserer Bewegungen. Egal ob wir nur leicht mit dem Finger übers Smartphone-Display wischen oder eine schwere Wasserkiste eine Treppe hinauftragen. Etwa 650 Muskeln arbeiten im menschlichen Körper und sie alle funktionieren nach demselben Prinzip. Wenn der Muskel kontrahiert, gleiten zwei Sorten langgestreckter Proteinmoleküle ineinander und verkürzen dabei den Muskel.

„Von großen Muskellängen kommend steigt die Kraft mit dem Überlappungsgrad beider Molekülketten an“, erläutert Bewegungswissenschaftler Dr. Christian Rode von der Universität Jena. Unter dem Mikroskop mit polarisiertem Licht betrachtet, verleihen die als Aktin und Myosin bezeichneten Moleküle der Muskulatur ein typisches Streifenmuster, weshalb die Skelett-Muskulatur auch als „gestreifte Muskulatur“ bezeichnet wird.

All dies ist seit vielen Jahrzehnten wissenschaftlicher Konsens und Bestandteil eines jeden Lehrbuchs zur Muskelphysiologie. Doch das bisherige Modell hat gravierende Lücken. „Zum Beispiel erzeugt der Muskel bei sehr kurzen Längen immer noch Kräfte, obwohl das nach der bisherigen Theorie nicht möglich ist“, so Dr. Rode. „Diese experimentell immer wieder bestätigten Befunde sind bislang aber ausgeklammert worden, eben weil man keine Erklärung für sie hatte.“

Gemeinsam mit Prof. Dr. Reinhard Blickhan, der den Jenaer Lehrstuhl für Bewegungswissenschaft innehat, und Kollegen der Uni Stuttgart unter Leitung von Prof. Dr. Tobias Siebert hat Rode nun ein Modell entwickelt und simuliert, das diese Daten erstmals schlüssig erklären kann.

Um das zu verstehen, ist ein weiterer Blick tief in die Mikrostruktur der Muskeln notwendig: Die kleinste funktionelle Einheit der Muskelfibrillen ist ein Sarkomer. Ein Sarkomer besteht aus Bündeln von Aktin und Myosinfäden, die an sogenannten Z-Scheiben verankert sind. Diese Z-Scheiben bilden gleichzeitig eine gitterartige Netzstruktur zwischen den Sarkomeren – ähnlich einem Maschendrahtzaun, der einzelne Grundstücke voneinander abgrenzt.

Wenn der Muskel kontrahiert und die Aktin- und Myosinfilamente ineinander gleiten, nähern sich benachbarte Z-Scheiben einander an. Sobald die maximale Überlappung erreicht ist, stoßen die steifen Myosinfilamente an der gegenüberliegenden Z-Scheibe an. Im Gegensatz zur bisherigen Lehrmeinung, wonach die Myosin-Filamente an den Z-Scheiben ungeordnet zusammengestaucht werden, schlagen die Forscher in ihrer nun vorgelegten Publikation einen alternativen Mechanismus vor.

„Die Myosinfilamente stoßen nicht an den Z-Scheiben an, sie dringen in ihre netzartige Struktur ein und gehen durch sie hindurch“, erklärt Christian Rode.

Nur so lasse sich erklären, warum der maximal verkürzte Muskel immer noch mehr Kraft erzeugt – die Myosinfilamente überlappen dafür mit den Aktinfilamenten im benachbarten Sarkomer. „Die Myosinmoleküle sind außerdem viel zu steif, um sich an den Z-Scheiben so zusammenzustauchen, wie es das herkömmliche Modell vorsah“, ist Dr. Rode überzeugt. Das von den Muskelforschern entwickelte und in der aktuellen Studie vorgestellte Modell ermögliche es nun erstmals, sämtliche strukturellen und funktionellen Befunde zur Muskelkontraktion in Einklang zu bringen. Davon versprechen sich die Wissenschaftler langfristig auch ein besseres Verständnis für bestimmte Muskelerkrankungen.

Original-Publikation:
Rode C et al. Myosin filament sliding through the Z-disc relates striated muscle fibre structure to function, Proceedings of the Royal Society B, 2016, DOI: 10.1098/rspb.2015.3030

Kontakt:
Dr. Christian Rode
Institut für Sportwissenschaft der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Seidelstraße 20, 07749 Jena
Tel.: 03641 / 945704
E-Mail: christian.rode[at]uni-jena.de

Weitere Informationen:

http://www.uni-jena.de

Dr. Ute Schönfelder | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Multifunktionaler Mikroschwimmer transportiert Fracht und zerstört sich selbst
26.04.2018 | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

nachricht Der lange Irrweg der ADP Ribosylierung
26.04.2018 | Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Why we need erasable MRI scans

New technology could allow an MRI contrast agent to 'blink off,' helping doctors diagnose disease

Magnetic resonance imaging, or MRI, is a widely used medical tool for taking pictures of the insides of our body. One way to make MRI scans easier to read is...

Im Focus: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Konferenz »Encoding Cultures. Leben mit intelligenten Maschinen« | 27. & 28.04.2018 ZKM | Karlsruhe

26.04.2018 | Veranstaltungen

Konferenz zur Marktentwicklung von Gigabitnetzen in Deutschland

26.04.2018 | Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Weltrekord an der Uni Paderborn: Optische Datenübertragung mit 128 Gigabits pro Sekunde

26.04.2018 | Informationstechnologie

Multifunktionaler Mikroschwimmer transportiert Fracht und zerstört sich selbst

26.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Berner Mars-Kamera liefert erste farbige Bilder vom Mars

26.04.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics