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Die Geburt der Gleitbandtheorie: Wie konnte sie unabhängig voneinander von zwei Wissenschaftlergruppen vorgeschlagen werden?
Die Gleitbandtheorie ist eine wichtige Theorie zur Erklärung des Mechanismus der Muskelkontraktion, die darauf basiert, dass Muskelproteine gegeneinander gleiten, um eine Bewegung zu erzeugen. Dieser Theorie zufolge gleiten Myosin (dicke Filamente) in Muskelfasern während der Muskelkontraktion über Aktin (dünne Filamente), während die Längen der beiden Bändersätze relativ unverändert bleiben. Diese Theorie wurde 1954 unabhängig voneinander von zwei Forschungsteams vorgeschlagen, bestehend aus Andrew Huxley und Rolf Niedergelk von der University of Cambridge sowie Hugh Huxley und Jane Niedergelk vom Massachusetts Institute of Technology.
Diese Theorie wurde ursprünglich 1953 von Hugh Huxley konzipiert und von Andrew Huxley und Niedergelk als „sehr attraktive Hypothese“ vorgeschlagen.
Vor den 1950er Jahren gab es mehrere konkurrierende Theorien zur Erklärung der Muskelkontraktion, darunter elektrische Anziehung, Proteinfaltung und Proteinmodifikation. Die neue Theorie schlägt ein Konzept namens „Cross-Bridges“ (traditionell „schwingende Cross-Bridges“ und heute meist „Cross-Bridge-Zyklen“ genannt) vor, das den molekularen Mechanismus der gleitenden Bänder erklärt. Die Kreuzbrückentheorie besagt, dass Aktin und Myosin durch die Bindung des Myosinkopfes an das Aktinfilament einen Proteinkomplex (traditionell Aktin-Myosin genannt) bilden. Daher wird zwischen diesen beiden Bändern eine Art Kreuzbrücke gebildet.
Historischer Hintergrund
Frühe Forschung
In den frühen 1870er Jahren entdeckte der deutsche Wissenschaftler Willy Kuh erstmals das Muskelprotein Myosin, das er 1864 extrahierte und benannte. Im Jahr 1939 entdeckte das russische Ehepaar Wladimir Alexandrowitsch Engelhardt und Milisa Nikolajewna Ljubimova, dass Myosin enzymatische Eigenschaften (ATPase genannt) besitzt und ATP abbauen kann, um Energie freizusetzen. Der ungarische Physiologe Albert St. George erhielt 1937 den Nobelpreis für seine Arbeiten über Vitamin C und Maleinsäure und wandte sich später der Muskelphysiologie zu. St. George demonstrierte 1942, dass ATP die Energiequelle für die Muskelkontraktion ist, und beobachtete, dass Muskelfasern, die Myosin B enthielten, sich in Gegenwart von ATP verkürzten, Myosin A jedoch nicht, eine Erfahrung, die er später als „Einen der aufregendsten Momente meines Lebens“ beschrieb Leben."
Ursprung der Theorie
Als Hugh Huxley 1952 an der Universität Cambridge promovierte, hatte St. George seine Karriere bereits auf die Krebsforschung ausgerichtet. Im September 1952 kam Huxley an das Francis O. Schmidt Laboratory am MIT und schloss sich im Januar 1953 einer anderen britischen Postdoktorandin, Jane Hanson, an. Mithilfe von Röntgenbeugung stellte Huxley die Hypothese auf, dass Muskelproteine, insbesondere Myosin, strukturierte Bänder bilden, aus denen Sarkomere (ein Segment einer Muskelfaser) entstehen. Ihr Hauptziel bestand darin, die Details dieser Bänder mithilfe der Elektronenmikroskopie zu untersuchen. Sie entdeckten und bestätigten schnell die Bandeigenschaften von Muskelproteinen.
Vorschlag der Gleitbandtheorie
Die Gleitbandtheorie entstand aus zwei am 22. Mai 1954 in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlichten Artikeln zum Thema „Strukturelle Veränderungen in Muskeln während der Kontraktion“. Obwohl ihre Schlussfolgerungen grundsätzlich ähnlich sind, unterscheiden sich die experimentellen Daten und Vorschläge.
Der erste Artikel, gemeinsam von Andrew Huxley und Rolf Niedergerke verfasst, trägt den Titel „Interferenzmikroskopie lebender Muskelfasern“. Dem Artikel zufolge besteht das I-Band aus Aktinfilamenten, während das A-Band hauptsächlich aus Myosinfilamenten besteht und sich Aktinfilamente während der Kontraktion zwischen Myosinfilamenten bewegen.
Der zweite Aufsatz, verfasst von Hugh Huxley und Jane Hansen, trägt den Titel „Cross-stripe changes inmuskelswährend der Kontraktion und Extension und ihre strukturelle Erklärung.“ Dieses ist detaillierter als das erste und basiert auf Untersuchungen der Kaninchenmuskulatur unter Verwendung von Phasenkontrast und Elektronenmikroskopie.
Akzeptanz und Konsequenzen
Trotz starker Beweise fand die Gleitbandtheorie in den Folgejahren keine Unterstützung. St. George selbst weigerte sich auch zu glauben, dass Myosinfilamente auf dicke Filamente (A-Bänder) beschränkt seien. Erst 1957 bestätigte Huxleys neues Elektronenmikroskop die überlappenden Eigenschaften der Bänder.
Erst auf einer Konferenz im Cold Spring Harbor Laboratory im Jahr 1972 erlangten die Theorie und ihre Beweise allgemeine Akzeptanz. Die Teilnehmer erinnern sich, dass Hansen angesichts der Kritik rief: „Ich weiß, ich kann den Mechanismus noch nicht erklären, aber das Gleiten ist eine Tatsache.“
Als sich die Beweise häuften, schlug Huxley offiziell einen Mechanismus zum Verschieben von Bändern vor, der heute als Cross-Bridge-Zyklus bekannt ist.
Diese Studien veränderten nicht nur das Gesicht der Muskelphysiologie, sondern führten auch zur zukünftigen Erforschung komplexerer biologischer Mechanismen. Diese bahnbrechende Theorie lässt uns fragen: Wie viele andere unentdeckte biologische Mechanismen warten darauf, von Menschen mit hohen Idealen enthüllt zu werden?
