Biochemie der Muskelaktivität

Muskeln bestehen aus kontraktilen Geweben. Es gibt drei Haupttypen: Skelett-, Herz- und glatte Muskeln. In den Muskelzellen aller drei Typen wird der Großteil der erzeugten Energie für die Muskelkontraktion verwendet, die durch die Gleitbewegung von Actinmolekülen entlang der Myosinmoleküle erreicht wird. Darüber hinaus wird Energie für den Transport von Ca2+ aus dem Sarkoplasma in das sarkoplasmatische Retikulum nach Ende der Muskelkontraktion benötigt. Auch für den Ionentransport von Natrium und Kalium durch die Myozytenmembran zur Aufrechterhaltung des Konzentrationsgefälles ist Energie erforderlich.

Das Hauptbrennstoffmaterial in Muskeln ist die hochenergetische Phosphatverbindung Adenosintriphosphat (ATP). Der ATP-Vorrat in Muskeln würde jedoch nur für 1-2 Sekunden ausreichen. Kreatinphosphat (KP), das ebenfalls eine hochenergetische Bindung enthält, ist eine schnelle Energiequelle für die ATP-Regeneration. Die KP-Vorräte sind jedoch ebenfalls begrenzt und würden nur für 5-8 Sekunden Muskelkontraktionen reichen. Die Hauptenergiequellen für Muskeln sind Glukose und Fettsäuren, deren Verbrauch von Körpergewicht, Fitness und Sauerstoffverfügbarkeit abhängt. Die ATP-Bildung durch cytosolische Glykolyse, mitochondriale Fettsäureoxidation und den Tricarbonsäurezyklus ist streng reguliert und korreliert mit dem erhöhten ATP-Bedarf der Muskeln. Wenn der Energiebedarf die Fähigkeit des Skelettmuskels übersteigt, ATP über den Tricarbonsäurezyklus unter aeroben Bedingungen bereitzustellen, wird die Glykolyse stimuliert und Milchsäure produziert, was zur ATP-Bildung unter anaeroben Bedingungen führt.

Der Herzmuskel kann verschiedene Energiequellen nutzen und ist weniger von Glukosestoffwechsel abhängig. Glatte Muskeln arbeiten effizienter und benötigen weniger ATP als Herz- und Skelettmuskeln.

Energetik der Phosphatbindung

Skelettmuskeln gewinnen ihre Energie hauptsächlich aus Glukose und Fettsäuren. Sie speichern auch erhebliche Mengen an Glykogen und Triglyzeriden in den Muskelfasern. Die chemische Energie der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen in Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen wird in Form von ATP als schnelle Energiequelle freigesetzt. Adenosinphosphate sind an Zyklen als Akzeptoren und Donoren von Energie beteiligt: ATP-Vorräte werden während der Oxidation von Energiequellen aufgefüllt und bei der Arbeit der Skelettmuskeln verbraucht. ATP besteht aus einem Adenosinmolekül, das mit drei Phosphatgruppen verbunden ist. Die Bindungen des Moleküls zu den Phosphatgruppen werden als hochenergetisch bezeichnet, da bei ihrer Hydrolyse (Reaktion mit Wasser) 7,3 kcal Energie freigesetzt werden. Diese Reaktion wird durch das Enzym Adenosintriphosphatase (ATPase) katalysiert, wobei das Endprodukt ein Adenosindiphosphatmolekül (ADP) ist. Weitere Energie kann durch Hydrolyse der zweiten Phosphatgruppe freigesetzt werden, wobei Adenosinmonophosphat (AMP) das Endprodukt ist.

ATP-Vorräte reichen nur für wenige Sekunden aus, um die Muskeln mit Energie zu versorgen. In den Skelettmuskeln des Menschen sind insgesamt 80 g ATP gespeichert. Der ATP-Verbrauch bei Spitzenathleten kann jedoch 75-80% der Körpermasse erreichen, da der ATP-Gehalt in den Muskeln ständig aufgefüllt wird. Mit zunehmendem ATP-Verbrauch wird es durch drei Mechanismen resynthetisiert: schnell aus hochenergetischen Phosphaten (Kreatinphosphat), mittelfristig (anaerobe Glykolyse) und langfristig (oxidative Phosphorylierung von Glukose und Fettsäuren zu Wasser und CO2). Die Oxidation von Fetten und Kohlenhydraten ist die Hauptquelle für die Resynthese von ATP; ein langsamer und kontinuierlicher Prozess. Die schnelle Auffüllung der ATP-Vorräte wird ohne Sauerstoff durch KP – ein hochenergetisches Phosphat – aufrechterhalten. Die Energie wird durch den Abbau von KP freigesetzt und dient dem unmittelbaren ATP-Aufbau. ATP und KP (Phosphagen-System) sind eine wichtige und notwendige Energiequelle für Muskelkontraktionen, insbesondere bei körperlichen Belastungen, die eine große Energiemenge in kurzer Zeit erfordern, wie z.B. beim Sprint-Start oder Hochsprung. Für den dauerhaften aeroben Stoffwechsel muss ein Gleichgewicht zwischen ATP-Synthese und -Abbau aufrechterhalten werden. Daher sind die Konzentrationen von ATP und KP relativ konstant (ca. 5 mmol/l und 30 mmol/l). Während der Erholungsphase nach Muskelkontraktion wird KP aus den Abbauprodukten Kreatinin und anorganischem Phosphat mit Hilfe von ATP resynthetisiert. Die Energie, die für die Wiederauffüllung des Phosphagens benötigt wird, stammt aus dem aeroben Stoffwechsel.