Querbrückenzyklus

Links: Myosin-Molekül. Rechts: Myosinstränge (braun) zwischen Aktinsträngen (blau) im Muskel.

Myosin bezeichnet eine Familie von Motorproteinen in eukaryotischen Zellen. Myosin ist als ein wesentlicher Bestandteil im Muskel auch an der Umwandlung von chemischer Energie in Kraft und Bewegung beteiligt. Des Weiteren ist es in Kooperation mit anderen Motorproteinen wie Kinesin und Dynein wesentlich am intrazellulären Transport von biologischen Lasten wie z. B. Biomakromolekülen, Vesikeln und Zellorganellen beteiligt. Im Gegensatz zu Kinesin und Dynein bewegt sich Myosin entlang von Aktinfilamenten. Weitere zellulären Funktionen umfassen unter anderem Zellbewegung und -adhäsion.

Myosin-Klassen

Myosin-II-Molekül (Kopfteil)

Zunächst wurde Myosin als Motorprotein von Muskelfasern identifiziert (Bestandteil des Sarkomer, den kontraktionsfähigen Abschnitten der Myofibrillen (Muskelfibrillen)), wobei ein Bündel von Myofibrillen eine Muskelfaser bildet. Später sind weitere Mitglieder der Proteinfamilie in Erscheinung getreten, deren Funktion noch weitgehend unbekannt ist. Für einzelne dieser unkonventionellen Myosine konnten Funktionen im intrazellulärer Transport von Vesikeln und Organellen, Endozytose und Zellwachstum identifiziert werden.

Nach phylogenetischen Studien (vgl. Homologie (Biologie)) unterteilt man die Familie der Myosine in Klassen und Subklassen. In Muskelfasern vorkommendes Myosin gehört mit einigen anderen Nicht-Muskel Myosinen zu Klasse II, welche auch als konventionelle Myosine bezeichnet werden. Alle anderen Klassen werden als unkonventionelle Myosine bezeichnet. Die zuerst entdeckten unkonventionellen Myosine wurden in Klasse I zusammengefasst. Neuere Klassen unkonventioneller Myosine werden fortlaufend nummeriert (III, IV, V, ...). Offiziell wurden 18 Klassen unkonventioneller Myosine benannt, wobei inzwischen mindestens sechs weitere, noch nicht benannte Klassen bekannt sind. Einige Abgrenzungen und Zuordnungen sind aber fraglich.

Proteinstruktur

Funktionales Myosin besteht aus mehreren Aminosäureketten:

• einer schweren Kette (heavy chain) sowie
• einer unterschiedlichen Anzahl von leichten Ketten.

Schwere Kette (Heavy Chain)

Den schweren Ketten aller Myosine gemeinsam ist eine konservierte Kopfdomäne, die die katalytischen ATPase-Eigenschaften vereinigt und deshalb auch Motordomäne genannt wird.

An diese schließt sich die Nackenregion an, welche eine unterschiedliche Anzahl von Bindedomänen für leichte Ketten (Light Chain Binding Domain, LCBD) enthalten kann. Ein Beispiel dafür ist das oft vorkommende IQ-Motiv (Konsensus-Sequenz: IQXXXRXXXXR), an welches das Protein Calmodulin in der Funktion als Leichtkette binden kann. Je nach Klasse variiert die Anzahl der LCBD. Insofern auch coiled-coil Strukturen ausgebildet werden, besteht die Möglichkeit zur Dimerisierung, sodass doppelköpfige Myosine entstehen.

Ebenso ist die darauf folgende Schwanzregion klassenspezifisch ausgeprägt und weisen die größten Unterschiede zwischen den unterschiedlichen Klassen auf. Diese Region enthält oftmals unterschiedliche Proteininteraktionsdomänen, an welche die zu transportierende Fracht andocken kann. Konventionelle Myosine sind außerdem dafür bekannt, dass die Schwanzregion dieser dimeren Moleküle zur Bildung von Filamenten tendiert. Auf diese Weise bilden sich Myosin-Fasern, die Bestandteil des Sarkomers sind. Für Nicht-Muskel-Myosine wird angenommen, dass über die Domänen in der Schwanzregion die Spezifität des Transporters bestimmt wird.

Leichte Kette (Light Chain)

Die leichten Ketten sind kleinere Aminosäureketten, welche an die deutlich größere schwere Kette binden. Die jeweilige Bindung erfolgt spezifisch an Bindedomänen für leichte Ketten (Light Chain Binding Domain, LCBD).

Es existieren verschiedene leichte Ketten, deren Funktion einerseits rein strukturell ist (essentielle leichte Kette), zum anderen die Aktivität der Motordomäne reguliert (regulatorische leichte Kette).

Hierbei sei insbesondere auf die Regulation der Muskelaktivität durch Ca²⁺-Ionen hingewiesen, welche über die regulatorische leichte Kette erfolgt.

Die Bewegung von Myosin im Querbrückenzyklus

Myosin-II entspannt (links) und angespannt (rechts)

Das hier beschriebene Beispiel zeigt die Bewegung von Myosin anhand des konventionellen Myosin II im Muskel, bei welchem die Aktin- und Myosinfilamente ineinander geschoben werden. Der Ablauf bei den unkonventionellen Myosinen ist von Prinzip gleich, außer dass hier ein Myosin-Dimer mit seiner Fracht an einem Aktinfilament entlang „wandert“. Dabei bindet jeweils ein Myosinkopf abwechselnd, so dass quasi „ein Fuß nach dem anderen“ vorgesetzt wird. Die Bewegung erfolgt gerichtet, da Myosin auf dem Aktinfilament nur in eine Richtung wandern kann. In der Regel läuft Myosin in Richtung des Plus-Endes eines Aktinfilaments. Eine Ausnahme bildet hier bislang Myosin VI, welches sich in die Gegenrichtung bewegt. Die unterschiedlichen unkonventionellen Myosin-Klassen übernehmen hier also die Bewegung in beide Richtungen am Aktin, im Gegensatz zu Kinesin und Dynein an den Mikrotubuli.

Die Motoraktivität wird durch den sogenannten Querbrückenzyklus beschrieben. Gegenüber der Schwanzregion ist die Motordomäne abgewinkelt. In Abwesenheit von ATP bindet sie fest an Aktin-Filamente. Bindung von ATP bewirkt ein Abdissoziieren vom Aktin-Filament. Anschließend verändert sich der Neigungswinkel der Motordomäne auf etwa 90° (Pre-Power-Stroke-Konformation). Nach der Hydrolyse von ATP zu ADP+P bindet Myosin wieder an das Aktin-Filament. Nach Abgabe von P und ADP kommt es zum Kraftschlag (Power-Stroke), einem Zurückklappen des Neigungswinkels auf 50° (Post-Power-Stroke-Konformation). Da hierbei Myosin wieder fest an das Aktin-Filament gebunden ist, erfolgt eine gerichtete Bewegung. Im Muskel bewirkt das mehrmalige Durchlaufen des Querbrückenzyklus, dass sich die Myosin-Filamente und die Aktin-Filamente ineinander schieben; es kommt zur Muskelkontraktion.

Querbrückenzyklus Phase 1 - Myosin (gelb) verbindet sich mit Aktin (rosa) unter Aufnahme von Ca2+-Ionen. Der angedeutete Winkel beträgt etwa 90°.

Querbrückenzyklus Phase 2 - Myosinköpfchen (gelb) kippen und gleiten so am Aktin (rosa) vorbei. ATP wird dabei zu ADP und Phosphat verstoffwechselt. Der angedeutete Winkel beträgt etwa 50°.

Querbrückenzyklus Phase 3 - Myosinköpfchen (gelb) lösen sich unter Aufnahme von ATP vom Aktin (rosa).

Querbrückenzyklus Phase 4 - Myosin (gelb) im Ruhezustand. Aktin (rosa).

Bereitstellung der Energie

Der ATP-Vorrat im Muskel reicht gewöhnlich für fünf bis sechs Sekunden Dauerbelastung. Danach wird aufeinanderfolgend Kreatinphosphat (genügt etwa zehn weitere Sekunden) und schließlich Glukose (Traubenzucker) von den Muskeln verstoffwechselt.