11. – 13. Schuljahr

Holger Weitzel

Der Hulk vom Film zur Realität

Gerät der Bio-Wissenschaftler Bruce Banner in Stress, verwandelt er sich binnen Sekunden in einen grünen Koloss mit Superkräften: den Hulk. Das außergewöhnlich starke und schnelle Wachstum seiner Skelettmuskulatur wirft Fragen zum Muskelwachstum, dessen molekularer Kontrolle und zu der mitunter missbräuchlichen Anwendung dieses Wissens auf.

Der riesige, grüne „Hulk (engl.: Koloss) mit seinen Superkräften ist das Alter Ego des Wissenschaftlers Bruce Banner. Er ist die Hauptfigur eines amerikanischen Comics, der die Vorlage für mehrere Fernseh- und Kinofilme wie „Hulk (2003) und „Der unglaubliche Hulk (2008) lieferte. Auch in den Spielfilmen „Marvels The Avengers (2012) und „Marvels The Avengers 2: Age of Ultron (2015) tritt der Hulk auf.
In Ang Lees Film von 2003 („Hulk) führen immunogenetische Experimente des Militärberaters Dr. David Banner dazu, dass sein Sohn, Bruce Banner, genetisch verändert zur Welt kommt. Die Mutation bleibt zunächst verborgen. Erst als Bruce Banner bereits in einem Labor für nukleare Bio-Technologie arbeitet und dort bei einem Unfall einer erhöhten Gammastrahlung ausgesetzt wird, werden die bis dahin ruhenden Gene aktiviert und der Hulk in Banner zum Leben erweckt. Fortan verwandelt sich Bruce Banner in den Hulk, sobald er in Stress gerät: Innerhalb weniger Sekunden wächst er auf eine Körpergröße von mehr als drei Metern und entwickelt ausgeprägte Muskelpakete, für die Bodybuilder die Vorlage lieferten (Material 1 🔎).
Mit der biologischen Brille betrachtet, lassen sich aus der fiktiven Figur des Hulk viele Fragen ableiten: Woher kommt die grüne Farbe des Hulk? Wie können Gene durch Strahlung aktiviert werden? Kann es sein, dass Muskeln so schnell wachsen? Wie wird das Muskelwachstum in Gang gesetzt bzw. rückgängig gemacht?
Dieser Beitrag konzentriert sich auf die beiden letzten Fragen. Ihre Beantwortung ist für die Medizin von großem Interesse, bietet sie doch eine hoffnungsvolle Perspektive für die Behandlung von Muskelschwäche und Muskelschwund. Andererseits birgt die Möglichkeit, Muskeln (wieder) wachsen zu lassen, auch die Gefahr des Missbrauchs für Dopingzwecke.
Muskeln und Muskelwachstum
Skelettmuskeln bestehen aus gebündelten Muskelfasern (Material 2 🔎) 🔎, die sich in ihrer Leistungsfähigkeit unterscheiden. Von großer Bedeutung sind die Myosine, die aus zwei schweren Ketten (Myosin Heavy Chains, MyHC) und zwei Paaren leichter Ketten bestehen (Abb. 1 🔎 ). Nach ihrer ATPase-Aktivität werden in der menschlichen Skelettmuskulatur drei MyHC-Isoformen unterschieden: MyHC I, IIa und IIx. Danach sind die drei Fasertypen I, IIa und IIx benannt (Toigo 2015).
Bei MyHC-IIa und MyHC-IIx wird ATP schneller gespalten als bei MyHC-I. Daher können in Muskelfasern von Typ IIa und IIx pro Zeiteinheit mehr Querbrückenzyklen ablaufen als in Fasertyp I. Auf den gesamten Muskel als Organ bezogen bedeutet das eine raschere und potenziell stärkere Kontraktion (Steinacker u.a. 2002).
Die Verteilung der Muskelfasertypen ist etwa je zur Hälfte genetisch und von Umweltfaktoren wie Training und Ernährung bedingt. Bei Männern sind der Muskelquerschnitt und der Anteil der Typ II-Fasern aufgrund ihres höheren Testosteronspiegels meist etwas größer als bei Frauen (Simmoneau/Bouchard 1989, Toigo 2015). Beim Hulk wie auch in der Realität sind Aufbau und Größe der Muskulatur hochvariabel. Eine natürliche Möglichkeit zur Veränderung der Muskulatur ist Belastung und Nichtbelastung also: Training oder Nichtstun. Wie sich die Muskulatur verändert, hängt von der Art der Belastung ab:
Ausdauertraining bewirkt eine verbesserte Energieversorgung der Muskulatur durch Vermehrung der Mitochondrien allerdings nur dann, wenn zugleich genug Sauerstoff für die Zellatmung zu den Mitochondrien gelangt. Dafür sorgt eine erhöhte Kapillardichte um die Muskelfasern.
Krafttraining führt zu einer Zunahme der Muskelmasse. Aufgrund der mechanischen Belastung werden mehr Muskeleiweiße (Aktin, Myosin u.a.) und damit mehr funktionelle Muskeleinheiten (Sarkomere) gebildet. Dagegen bleibt die Versorgung der Muskeln mit Mitochondrien und Kapillaren nahezu gleich.
Bereits zwei Monate intensives Krafttraining kann den Muskelquerschnitt um bis zu 30% vergrößern (Narici u.a. 1996). Da ausdifferenzierte Muskelzellen nicht mehr mitotisch aktiv sind, beruht das Muskelwachstum vor allem auf der Zunahme der Sarkomere innerhalb der Muskelfasern (Material 2). Neue Sarkomere können entweder an den Enden vorhandener Myofibrillen angelagert werden und damit die Muskelfaser verlängern oder parallel neue Myofibrillen ausbilden und so den Durchmesser einer Muskelfaser vergrößern.
Weil die DNA die Proteinbildung nur in einem Bereich von 2000 – 2500 µcm² um einen Zellkern herum anregt, ist weiteres Muskelwachstum nur durch Satellitenzellen möglich. Dabei handelt es sich um Stammzellen, die vor allem im Übergang zur Muskelsehne zu finden sind. Nach Mikrotraumata, wie sie bei sportlicher Belastung auftreten, werden sie aktiviert, teilen sich und verschmelzen am Ort der Verletzung mit der Muskelfaser (Material 2). Dadurch erhöht sich der DNA-Gehalt der Muskelzelle, es werden mehr Proteine gebildet und damit letztlich die Muskelmasse erhöht.
Regulation des Muskelwachstums durch Myostatin
Die Regulation des Muskelwachstums ist bislang nur teilweise verstanden (Hoppeler u.a. 2011a, b, Elkina u.a. 2011). Neben der Ernährung und der Wirkung von Androgenen spielen molekulare Netzwerke eine Rolle, in denen Myostatin ein wesentlicher Faktor ist. Im Comic wurde dieses Zytokin schon vor mehr als 30 Jahren als eine Ursache für die Superkräfte des Hulk genannt.
Myostatin wird vor allem in der Skelettmuskulatur produziert und wirkt sowohl systemisch über den Blutkreislauf als auch autokrin und parakrin nicht nur auf Muskelzellen. Seine Bedeutung für das Muskelwachstum wurde an Knock-out-Mäusen erforscht. Nach Ausschaltung des Myostatin-Gens (MSTN, beim Menschen auf Chromosom 2) entwickelten die Mäuse eine oft doppelt so große Muskelmasse wie der Wildtyp (Lee 2007).
Dass natürliche Mutationen im Myostatin-Gen bei Menschen einen ähnlichen Effekt haben, belegt ein an der Berliner Charité geborener Junge (Schülke u.a. 2004). Nach einer Studie an Marathonläufern sind Mutationen im MSTN-Gen gar nicht so selten: Internationale Top-Athleten weisen häufig Mutationen auf, die eine verminderte Myostatin-Produktion und damit ein verstärktes Muskelwachstum zur Folge haben (Ben-Zaken u.a. 2015).
Weil die Überexpression von Myostatin zu einem Verlust an Muskelmasse beiträgt, handelt es sich vermutlich um einen negativen Regulator für das Muskelwachstum (Material 3) 🔎. Myostatin verhindert die Bildung von Myofilamenten, indem es (1) die Transkription der entsprechenden Gene und (2) deren durch IGF-1 verstärkte Translation hemmt.
Die Hemmung der Produktion oder Wirkung von Myostatin kann daher einem Verlust an Muskelmasse z.B. nach einer Krebserkrankung vorbeugen (Zhou u.a. 2010). Ein Myostatin-Hemmstoff ist das Hormon Follistatin. Es verhindert die Bindung des Myostatin an seinen spezifischen Rezeptor, indem es mit ihm einen Komplex bildet (Geisler 2011). Bei der muskulären Stressantwort scheint Follistatin auf diese Weise den Abbau von Myofilamenten zu erschweren. Das entspricht zwar nicht ganz der muskulären Antwort des Hulk auf Stress aber ein bisschen Fiktion muss ja noch bleiben.
Bemerkungen zum Unterricht
Fiktionale Filme wie der „Hulk spielen mit der Fantasie des Menschen. Comic-Verfilmungen variieren frei mit dem wissenschaftlich vielleicht Möglichen oder auch Unmöglichen, während die Naturwissenschaften die Realität ergründen möchten.
Für den Biologieunterricht ist die Figur des Hulk vor allem wegen der Bezüge zur biowissenschaftlichen Forschung interessant. Anhand von Filmausschnitten kann der naturwissenschaftliche Realitätsgehalt geprüft und diskutiert werden, welche Konsequenzen es für die menschliche Gesellschaft haben könnte, wenn man das fiktive Modell Hulk mit seinen Besonderheiten weiter denkt.
In Mittelpunkt des vorliegenden Unterrichtsbeispiels steht das erstaunliche Muskelwachstum des Superhelden. Dieses Thema knüpft an gängige Unterrichtsinhalte aus der Physiologie an. Vorausgesetzt werden Grundkenntnisse über den Muskelaufbau.
Die Verwandlung: der Hulk
1. Unterrichtsschritt
Zwei Filmausschnitte führen in das Thema ein; zeitsparender, aber weniger motivierender ist es, die Vorgeschichte von Bruce Banner und seiner Verwandlung in den Hulk nur zu lesen (Material 1). Im Anschluss wird die Frage aufgeworfen, inwieweit die Fähigkeit von Hulk zur raschen Zunahme seiner Muskelmasse nur der Fantasie entsprungen ist oder reale Hintergründe hat.
Wie kann die Muskelmasse überhaupt zunehmen? Antwort auf diese Frage liefert Material 2. Es werden zwei Formen der Muskelfaser-Hypertrophie vorgestellt. Die SchülerInnen sollen die Wachstumsprozesse den verschiedenen Organisationsebenen zuzuordnen.
Regulation des Muskelwachstums
2. Unterrichtsschritt
Wie wird das Muskelwachstum normalerweise reguliert? Material 3 stellt die Regulation über IGF-1 und Myostatin stark vereinfacht in Ausschnitten dar. Anhand der Grafik vollziehen die SchülerInnen das Zusammenspiel aus positiver und negativer Gen-Regulation bei Transkription und Translation nach. Diese Aufgabe kann auch als Hausarbeit bearbeitet werden.
Von Hulk zurück zu Bruce Banner
3. Unterrichtsschritt
Ist eine Möglichkeit denkbar, Bruce Banner zu „heilen? Dies würde bedeuten, das abnorme Muskelwachstum zu stoppen und ihn damit auch seiner Superkräfte zu berauben. Die Ideen und Vorschläge der SchülerInnen werden anhand von Material 4 🔎 konkretisiert, das drei Ansätze vorstellt.
Die am Hulk diskutierten Möglichkeiten, das Muskelwachstum zu kontrollieren, lassen sich für reale Nutzanwendungen weiterdenken. Myostatin-Hemmer wie ADE-031 (Ansatz 1) könnten allerdings nicht nur krankhaftem Muskelschwund vorbeugen, sondern auch zum Doping missbraucht werden. Von hier lässt sich überleiten zur Problematisierung weiterer Eingriffe in das Muskelwachstum, die im Gendoping gipfeln: „Turbomuskel dank Gentherapie das beste Doping aller Zeiten. Dieser Film ist im Internet abrufbar unter http://www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=24567 (Ausschnitt 00.00 – 08.25 min). Der Abschnitt schließt mit der Frage „Darf man das Wissen über die Gene im Sport nutzen, um Athleten stärker zu machen, ausdauernder, schneller?
Literatur
Ang Lee (2003): Der Hulk. 133 min. Freigabe: ab 16 Jahren; als DVD, Blue-ray, UMD erhältlich
Attie, K.M., Borgstein, N.G. u.a. (2013): A single ascending-dose Study of Muscle regulator ace-031 in healthy Volunteers. Muscle Nerve 47 (3), S. 416 – 423
Ben-Zaken, S./Meckel, Y., u.a. (2015). Frequency of the MSTN Lys(K)-153Arg(R) polymorphism among track & field athletes and swimmers. Growth Hormone & IGF Research 25 (4), S. 196 – 200
Elkina, Y./von Haehling, S. u.a. (2011): The role of myostatin in muscle wasting: an overview. J. Cachexia Sarcopenia Muscle. 2(3), S. 143 –151
Geisler, S. (2011): Analyse molekularer Mechanismen trainingsbedingter Skelettmuskeladaptation. Dissertation. Köln. URL: http://esport.dshs-koeln.de/284/1/neu_Diss_Stephan_Geisler_Abgabe.pdf
Hoppeler, H./Baum, O. u.a. (2011). Molecular Mechanisms of Muscle Plasticity with Exercise. Comprehensive Physiologie 1(3), S.  1383 –1412
Lee, S.-J. (2007): Quadrupling Muscle Mass in Mice by Targeting TGF-ß Signaling Pathways, PLoS ONE 2(8), e789
Narici M.V./Hoppeler H. u.a. (1996): Human quadriceps cross-sectional area, torque and neural activation during 6 months strength training. Acta Phys. Scand. 157(2), S. 175 –186
Rodriguez, J./Vernus, B. u.a. (2014). Myostatin and the skeletal muscle atrophy and hypertrophy signaling pathways. Cell. Mol. Life Sci. (2014) 71, S. 4361– 4371
Simoneau, J.A./Bouchar, C. (1989): Human variation in skeletal muscle fiber-type proportion an enzyme activities. Am J Physiol 257: E567-E572
Simoneau, J.A./Bourchard, C. (1995). Genetic determinism of fiber type proportion in human skeletal muscle. FASEB J (9), S. 10911095
Schülke, M./Wagner, K. R. u.a. (2004):Myostatin Mutation Associated with Gross Muscle Hypertrophy in a Child. N Engl J Med 350, S. 2682 – 2688
Toigo, M. (2015): MuskelRevolution. Konzepte und Rezepte zum Muskel- und Kraftaufbau. Berlin/Heidelberg: Springer Spektrum.
Zhou, X./Wang, J.L. u.a. (2010): Reversal of cancer cachexia and muscle wasting by ActRIIB antagonism leads to prolonged survival. Cell 142, S. 531– 543
Wenker, G.: Tutorium Physiologie. Thema Muskulatur. URL: http://slideplayer.org/http://slide/1273463
Autor
Holger Weitzel, geb. 1969; Studium der Fächer Biologie und Germanistik für das Lehramt an Gymnasien; Studienrat; wiss. Mitarbeiter in Frankfurt und Ludwigsburg; Prof. für Biol. u. ihre Didaktik an der PH Weingarten.
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