Physiologie

Physiologie: Der Aufbau und die Funktion der Skelettmuskulatur

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Wissen um die Anatomie und Physiologie ihrer Muskulatur hilft Sportlern, effektiver zu trainieren.

Angi Peukert erklärt, wie die Muskulatur aufgebaut ist, wie die chemischen Prozesse in den Muskeln für Kontraktionen sorgen, welche Kontraktions- und Muskelarten es gibt und wie verschiedene Energiesysteme funktionieren.

Wie ist ein Muskel aufgebaut?

Der Muskelaufbau ist sehr komplex.

Der Aufbau eines Muskels hat eine spindelähnliche Form, die im oberen und unteren Bereich dünner wird. Dort haben wir bindegewebige Sehnen. Die rundlichen oder platten Enden des Muskels bilden den Ursprung und den Ansatz an den Knochen. Dazwischen befindet sich der Muskelbauch, welcher von einer bindegewebigen Hülle (Faszie), in welcher sich Blutgefäße und Nerven verästeln, umgeben ist. Der Muskel besteht aus vielen Muskelfaserbündeln, die wiederum aus vielen Muskelfasern bestehen.

Der Aufbau der Muskelfasern, anfangend mit der kleinsten Einheit den Sakomeren, ist sehr komplex. Ein Sakomer besteht aus einem Modul, dass von den sogenannten Z-Streifen eingegrenzt wird. Diese Z-Streifen halten das Aktin in seiner Form, der mittlere Block, auch H-Bande genannt, hält das Myosin in seiner Form.

Viele Sakomere nebeneinander bilden die Myofibrille. Diese sind ebenfalls von einer Hülle umgeben, die schlauchartige Einstülpungen im Längsverlauf (dem longitudinales System) haben: das endoplasmatische Reticulum, welches als Calciumspeicher dient.

Im Querverlauf (dem transversalen System) verlaufen die T-Tubuli. Die Myofibrillen haben eine quergestreifte Struktur, die durch die Aktin- und Myosinfilamente entsteht.

Viele Myosinfilamente bilden dann eine Muskelfaser, die bis zu 10 cm lang und 0,1 mm dick wird. Sie kann sich verkürzen und ist somit für die Kontraktion der Muskulatur zuständig.

Muskelfasern bilden mit dem Axon und der dazugehörigen Nervenzelle die motorische Einheit. Eine Nervenzelle kann unterschiedlich viele Muskelfasern innervieren. Je mehr Fasern eine Nervenzelle versorgt, desto grobmotorischer ist der Muskel. Im Umkehrschluss heißt das auch, dass, je weniger Muskelfasern durch eine Nervenzelle versorgt werden, desto feinmotorischer die Muskulatur ist, wie beispielsweise die mimische Muskulatur. Das Verhältnis von Axon zu Mukelfasern nennt man Innervationsverhältnis.

 

Wie kommt es zur Muskelkontraktion?

Über das Axon kommt ein Reiz an die motorische Endplatte – die Verbindung zwischen den Synapsen, also den Endköpfen der Nerven und der Muskelfaser. Jede Membran eines Nervens hat ein Ruhepotenzial. In der Zelle selber herrscht eine negative Ladung, da dort vermehrt Kalium ( K+) und vor allem Anionen (A-) vorhanden sind. An der äußeren Zellwand hingegen ist vermehrt Natrium ( Na+) und Calium (Cl-). Da die Zellwand semioermeabel ist, versucht das Kalium nach außen zu diffundieren, wird aber durch die innere Negativladung zurückgehalten. So kommt es zu einer Spannung von –70 mV.

Wenn es zu einem Reiz kommt, wird dieser mit ca. 30 Mv beschrieben, er öffnet die Calciumkanäle. Das Calcium bringt die Vesikel – kleine Bläschen die mit einem Transmitterstoff gefüllt sind – dazu, dass sie sich mit dem synapischen Spalt verschmelzen. Die Transmitter werden freigesetzt und docken an die Rezeptoren der Muskelfaser an und öffnen dort die Natriumkanäle.

Das Natrium gelangt in die querverlaufende T-Tubuli, wo es durch die Spannungsänderung die Calciumkanäle öffnen. Über das endoplasmatische Reticulum gelangt es in Zellinnere.

Für die Muskelkontraktion sind die Eiweißproteine Aktin und Myosin sehr wichtig. Das Myosin besteht aus einem starren Schaft, einem elastischen Hals und einem Köpfchen, welches abknicken kann. Das Aktin besteht aus einer Art doppeltgedrehten Perlenkette, die mit einem Tropomyosinfaden umkleidet ist, der die Andockstellen für das Myosin verdeckt.

Der Greif-Loslass-Zyklus

Das Calcium, das ins Zellinnere gelangt, öffnet die Andockstellen für das Myosin, sodass das Myosinköpfchen mit dem Aktin in Verbindung tritt. Damit das Köpfchen abknicken kann und somit zum zusammenziehen des Muskels führt, muss gespaltenes Adenosintriphosphat (ATP → ADP + P) abgegeben werden. Für das Lösen des Köpfchens muss ATP aufgenommen werden. Aufgestellt wird das Köpfchen dann wieder durch die Aufnahme von Magnesium, das erneut das ATP spaltet. Dieser Prozess wird Greif-Loslass- Zyklus genannt.

 

Was ist die Aufgabe des ATPs in der Muskelzelle und wie kann es gewonnen werden?

Eine Muskelzelle kann nur überleben, wenn genug Energie vorhanden ist. Das Adenosintriphosphat übernimmt die Aufgabe des Energiespeichers und kann im Bedarfsfall durch die Spaltung in Adenosindiphosphat und Phosphat (ADP + P) Energie freisetzten. Zur Gewinnung neuen ATPs spielt Kreatinphosphat in den Zellen ebenfalls eine wichtige Rolle. Kreatinphosphat + Adenosindiphosphat reagieren zu ATP + Kr-. Eine weitere Möglichkeit bietet die Spaltung von Glykose (Einfachzucker) zur Gewinnung von 2 ATP.

Das sind die 3 Möglichkeiten, durch den anaeroben Stoffwechsel (also ohne Sauerstoff) ATP zu gewinnen. Der aerobe Stoffwechsel knüpft an die „Verarbeitung“ von Glykose an. Wenn im anaeroben Bereich 2 ATP gewonnen werden, entsteht außerdem ein Stoff namens Pyruvat, welcher im Zitratzyklus zu weiteren 38 ATP verarbeitet wird.

 

Wie kommt es zur Übersäuerung der Muskulatur?

Bei Ausdauertrainierten arbeiten der anaerobe und aerobe Stoffwechsel nahezu gleich schnell, sodass das erworbende Pyrovat direkt durch den Zitratzyklus weiterverarbeitet werden kann. Bei untrainierten Ausdauersportlern kann es an der Schwelle zum aeroben Stoffwechsel zu einem „Stau“ kommen, weil der anaerobe Stoffwechsel schneller als der aerobe arbeitet. Nun muss das Pyrovat anderweitig verarbeitet werden und es reagiert mit NADH → NAD + Laktat.

 

Welche Formen der Kontraktion gibt es?

Die isometrische Kontraktionist statische Muskelarbeit: Die Muskellänge verändert sich nicht, es nimmt nur die Spannung zu. Es wird eine bestimmte Position ohne Bewegung gehalten. Bei der isotonischen Kontraktion geht es eher um die Dynamik, die Muskellänge verändert sich und der Muskel arbeitet im Wechsel konzentrisch und exzentrisch. Konzentrisch meint, dass der Muskel sich gegen Widerstand zusammenzieht. Bei der exzentrischen Muskelarbeit lässt er wieder nach, erschlafft aber nicht, da er nach wie vor gegen Widerstand arbeitet. Die meisten Bewegungen sind eine Mischung aus statischer und dynamischer Muskelarbeit. (Das Nervensystem)

 

Welche unterschiedlichen Muskelarten gibt es?

Man unterscheidet in der Physiologie 3 Arten von Muskulatur:

 

- Die glatte Muskulatur

Sie kleidet Organe aus und besteht aus länglichen Zellen, die in Schichten angeordnet sind. Der Zellkern liegt in der Mitte. Sie arbeitet langsam und unwillkürlich, ist also nicht bewusst beeinflussbar.

- Die quergestreifte Muskulatur

Diese bildet die Skelettmuskulatur und besteht aus quergestreiften Zellen. Die Zellkerne liegen am Zellrand. Sie wird durch das zentrale Nervensystem gesteuert und arbeitet meistens willkürlich.

- Die Herzmuskulatur

Dies ist eine Sonderform der quergestreiften Muskulatur. Die Zellkerne liegen hier in der Mitte. Glanzstreifen verbinden die einzelnen Zellen miteinander. Sie erregt sich durch das Erregungsleitungssystem, durch den Sinusknoten gesteuert, selber.

Angi Peukert

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Literatur:

1. Zalpour, Christoff: Anatomie Physiologie. 2. Auflage, München/Jena: Urban & Fischer

2. Speckmann/Wittkowski: Bau und Funktion des menschlichen Körpers. 19. Auflage, München/Jena: Urban & Fischer

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