Muskeln

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 25. September 2017
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Muskeln sind Bestandteil des Organsystems und Teil des aktiven Stütz – und Bewegungsapparates. Durch das Zusammenziehen (Kontraktion) und Erschlaffen (Dehnen) des Muskels kommen Bewegungen im Verbund mit Knochen und Sehnen zustande. Das Zusammenspiel der Muskeln ermöglicht lebensnotwendige Atmungsbewegungen, Körperhaltung, räumliche Fortbewegungen, und komplizierte Bewegungsabfolgen (z.B.im Sport.) Ein gezieltes und Herz-Kreislauf-Training kann dazu beitragen, das Risiko von schweren Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu senken.

Inhaltsverzeichnis

Warum brauchen wir Muskeln?

Eine gut ausgebildete Skelettmuskulatur ist nicht nur für sportliche Aktivitäten von Nutzen, sondern sie spielt im menschlichen Organismus eine wichtige Rolle für die Gesunderhaltung.

Die Muskulatur ist das größte Stoffwechselorgan, da sie 40 % der Körpermasse einnimmt. Sie gewährleistet unsere Alltagsmobilität, stützt den passiven Bewegungsapparat und ist verantwortlich für ganz normale Körperfunktionen (z. B. Atembewegungen, Sprechen, Schreiben, Transport des Blutes und der Nahrung (durch Peristaltik), räumliche Fortbewegung bis hin zu komplizierten sportlichen Bewegungsabläufen). Muskeln garantieren aber auch die ständig im gleichen Takt ablaufende Tätigkeit des Herzens und der Atmungsorgane.

Bau und Funktionsweise

Der Muskel ist ein lebenswichtiges Organ. Die kleinsten Bausteine des Muskels sind Muskelzellen. Sie haben eine spindelförmige Struktur. Ihr Zellplasma ist in Längsrichtung angeordnet (Myofibrillen bzw. Muskelfibrillen). Die Myofibrillen besitzen die Fähigkeit sich zusammenzuziehen. Ein Muskel wiederum ist aus vielen Muskelfasern zusammengesetzt und von einer festen Muskelhaut umgeben, deren Enden in straffe Sehnen übergehen und am Knochen ansetzen.

Die Muskelzelle

Die Muskelzelle ist die kleinste Einheit des Muskels. Sie ist spindelförmig, langgestreckt und sehr spezialisiert. Das Zellplasma ist in Längsrichtung angeordnet (Myofibrillen bzw. Muskelfibrillen). Diese Myofibrillen sind kontraktile Organellen, sie besitzen die Fähigkeit zur reversiblen Kontraktion. Das heißt, sie können sich zusammenziehen und anschließend erschlaffen durch aktive Dehnung eines anderen Muskels (Antagonist = Gegenspieler). Eine Selbstdehnung hingegen ist nicht möglich.

Myofibrillen

Myofibrillen sind Eiweißmoleküle (Proteine). Sie bestehen aus zugfesten Z- Streifen und Sarkomeren, die eigentlichen kontraktilen Einheiten. Diese Sarkomeren wiederum enthalten Myofilamente, bestehend aus dem Actin- und dem Myosinfilament (beide kompliziert gebaute Proteine). Die Actinfilamente sind mit den Z- Streifen fest verankert.

Actinfilamente

Die Actinfilamente (Actin) sind dünne fädige Strukturen, die aus kugelförmigen Proteinen bestehen und wie Perlenketten aneinandergereiht sind Zwei Perlenketten sind wie eine Doppelhelix umeinander gewunden.

Myosinfilamente

Die Myosinfilamente (Myosin) sind dickere Fäden in langgestreckter Molekül- (Form wie Golfschläger mit Stiel und Köpfchen). Rund 100 Paare dieser Köpfchen sind in einem Myosinfilament angeordnet.

Eine Muskelkontraktion kommt durch das Zusammenspiel dieser beiden Filamente zustande. Die Z- Streifen wandern aufeinander zu, da sich das Actin- und Myosinfilament ineinander verschiebt und somit das Sarkomer verkürzt wird.

Muskelarten

Entsprechend dem Bau und Funktion der Myofibrillen unterscheidet man zwei verschiedene Muskelarten – die glatte und die quergestreifte Muskulatur. Durch diese Merkmale ist die Skelettmuskulatur (quergestreift) eindeutig von der Herzmuskulatur (glatte Muskulatur) zu unterscheiden.

Die Herzmuskulatur setzt sich zwar aus einzelnen quergestreiften Herzmuskelfasern zusammen, bildet jedoch keine lang gestreckten Muskelfasern aus. Gleiches gilt für die glatte Muskulatur der Gefäßwände und des Magen-Darm-Trakts. Nachfolgend werden Lage, Arbeitsweise und Bau der unterschiedlichen Muskelarten zusammengefasst.

Glatte Muskulatur

Die Muskulatur im Magen-Darm-Trakt, der Blutgefäßwände, der Atemwege, der Harnwege, oder der Gallenblase besteht aus glatten Muskelfasern. Diese Fasern sind langgestreckte, spindelförmige Einzelzellen. Die Arbeitsweise glatter Muskeln ist unwillkürlich, langsam (nicht sehr kräftige Kontraktion) und ausdauernd. Sie ermöglichen eine hohe Dauerbelastung ohne zeitig zu ermüden. Diese Muskulatur ist nicht durch den Willen des Menschen beeinflussbar.

Quergestreifte Muskulatur

Skelettmuskeln wie zum Beispiel der Armbeuger bzw. Armstrecker (Bizeps) bestehen aus quergestreiften Muskelfasern. Die Muskelfasern wiederum bestehen aus vielen Muskelfibrillen. Die Arbeitsweise ist willkürlich, schnell und leicht ermüdend. Die schnellen kräftigen Kontraktionen sind daher nur von kurzer Dauer. Im Gegensatz zu den glatten Muskelfasern können die quergestreiften Muskelfasern weitestgehend vom Willen des Menschen beeinflusst werden.

Herzmuskulatur

Die Herzmuskulatur (Herzkammern) besitzt große Ähnlichkeit zu der Skelettmuskulatur, da sie sich ebenfalls aus quergestreiften Muskelzellen zusammensetzt. Sie weist gut erkennbare Zellgrenzen auf (Zellen miteinander netzartig verbunden). Allerdings sind in der Herzmuskulatur keine langgestreckten Muskelfasern vorhanden. Die Arbeitsweise der Herzmuskulatur ist sehr ausdauernd (immer aktiv), unwillkürlich und autonom (schnelle, rhythmische Kontraktion und hohe Dauerbelastung).

Was ist eine Muskelkontraktion?

Die Muskelkontraktion bezeichnet die mechanische Arbeitsphase eines Muskels, hervorgerufen durch einen Nervenimpuls. Während der Arbeitsphase verkürzt und verdickt sich ein Muskel. Durch das Zusammenziehen (Kontraktion) und Erschlaffen (Dehnen) des Muskels kommen Bewegungen im Verbund mit Knochen und Sehnen zustande. Das Zusammenspiel der Muskeln ermöglicht lebensnotwendige Atmungsbewegungen, Körperhaltung, räumliche Fortbewegungen und komplizierte Bewegungsabfolgen (z.B. im Sport). Jeder kann eine Muskelkontraktion beim Beugen und Strecken seines Bizepses selbst beobachten.

Muskeln sind Teil des Organsystems. Die Muskelfasern bewirken durch ihre Verkürzung die Kontraktion der Muskeln. Diese Fasern können aber auch erschlaffen. Diese gegenläufige Arbeit ist allerdings die Grundlage jeder Bewegung. Muskeln garantieren aber auch die ständig im gleichen Takt ablaufende Tätigkeit des Herzens und der Atmungsorgane.

Im Zusammenspiel mit dem Skelett ist der Muskel verantwortlich für die Körperhaltung sowie sämtliche Bewegungen und Tätigkeiten. Eine Bewegung wird stets durch Muskelpaare hervorgerufen, die einander entgegenwirken, wie z.B. das Beugen und Strecken des Armes beim Hanteltraining.

Diese Muskelkontraktion kann jeder bei sich selbst gut beobachten. Beim Anwinkeln des Unterarms kann man seinen Armbeuger am Oberarm (Bizeps) sehr gut ertasten. Durch gezieltes Anspannen des Bizepses haben sich die Muskelfasern zusammengezogen - das Ergebnis: der gesamte Muskel wird dicker, kürzer und härter. Damit ist der Mensch in der Lage seine Kraft gezielt für verschiedenste Tätigkeiten einzusetzen und so mechanisch auf seine Umwelt einzuwirken (z.B. Fortbewegung, Sport, Mimik, Gestik, Klavierspielen, Laufen, Malen, Sprechen).

Wie funktioniert die Muskelkontraktion?

Die kleinsten funktionellen Einheiten des Muskels sind die Sarkomere. Sie bestehen aus den Myofilamenten Aktin und Myosin. Die räumliche Anordnung der Myofilamente ermöglicht die eigentliche Muskelkontraktion. Ein Sarkomer ist etwa 2,5µm lang und wird von zwei Z- Streifen nach beiden Seiten begrenzt, an denen die Actinfilamente fest verankert sind. In der Mitte liegen die dickeren Myosinfilamente, die sich mit den Actinfilamenten überlappen und über die Myosinköpfchen mit ihnen eine Verbindung eingehen können.

Bei einer Muskelkontraktion verkürzen sich die Sarkomere um bis zu 40 % ihrer eigentlichen Ausgangslänge. Durch die additive Wirkung mehrerer tausend hintereinander liegender Sarkomere kommt es zu einer enormen Verkürzung des gesamten Muskels. Der kontrahierende Muskel wird kurz und dick.

Voraussetzung für eine Muskelkontraktion ist eine Nervenzelle und die von ihr innervierten Muskelfasern (motorische Einheit). Erreicht ein elektrischer Impuls über eine motorische Endplatte (Bereich der Informationsübertragung von Nervenzelle auf Muskelfaser) die Muskelfaser, so kommt es in ihr zur Bildung eines Endplattenpotentials (chemische Reaktion in Muskelfaser). Aufgrund dessen werden im Inneren der Faser Calcium-Ionen freigesetzt, die die chemischen Reaktionen für die Kontraktion des Muskels einleiten.

Unter dieser Voraussetzung lagern sich Myosinköpfchen an die Actinfilamente an. Daraufhin kommt es zur Bewegung des Muskels, da unter Energieverbrauch die Myosinköpfchen umklappen und somit die Actin- und Myosinfilamente ineinander verschoben werden. An die Myosinköpfchen lagern sich ATP- Moleküle an. Das ATP (Adenosintriphosphat) ist der Universalenergiespeicher und Universalenergiespender lebender Organismen. Eine ständige ATP-Regeneration erfolgt aus energiereichen Verbindungen (Phosphogene und Glykogen - Speicherform in Leber und Muskelzelle).

Nach der Anlagerung kommt es zu einer hydrolytischen Spaltung des ATP in ADP + P. Dabei wird sehr viel Energie freigesetzt, die gebraucht wird, um die Myosinköpfchen wieder von den Actinfilamenten zu lösen. Der Muskel geht daraufhin in seine ursprüngliche entspannte Lage zurück. Im ruhenden entspannten Muskel haben die Myosinköpfchen keinen Kontakt zu den Actinfilamenten.

Beim Fehlen von ATP bleiben die beiden Myofilamente (Actin- und Myosinfilamente) fest verbunden. Der Muskel wird starr und hart (Muskelkrampf oder Totenstarre).

Wie entsteht ein Muskelkrampf?

Der Muskelkrampf ist eine plötzliche und unwillkürliche Verspannung des Muskels. Der Muskel wird hart und kann erhebliche Schmerzen hervorrufen. Zu einem Muskelkrampf kann es nach längerer, starker Muskelanspannung kommen (meist bei Untrainierten oder unzureichender Aufwärmphase). Ursache ist ein starker ATP- Verbrauch in den Muskelzellen. Es kommt zu einem ATP- Mangel bzw. ATP- Defizit. Es fehlt demzufolge die notwendige Energie zum Lösen des Myosinköpfchens vom Actinfilament. Diese beiden Strukturen bleiben fest verbunden und der Muskel wird starr und fest. Zur Vorbeugung bei intensiven körperlichen Belastungen, sollte der Organismus regelmäßig mit energiereichen Nahrungsmitteln, entsprechend der Bewegungsintensität und des Bewegungsumfangs, versorgt werden.

Kontraktionsarten des Muskels

Je nach Arbeitsweise, lassen sich verschiedene Kontraktionsarten der Muskulatur unterscheiden. Es gibt die isometrische (statisch-haltend), die konzentrische (überwindend) und die exzentrische (nachgebend) Muskelarbeit.

Isometrisch

Die isometrische bzw. statisch-haltenden Muskelarbeit bezeichnet die Kraftanstrengung bzw. Spannung im Muskel, bei der sich der Muskel nur ganz wenig oder gar nicht verkürzt. Die Länge des Muskels bleibt gleich. Ein Beispiel dafür ist das Verharren in einer bestimmten Muskelspannung, ohne einen Weg zurückzulegen. (z.B. Stütz am Barren, Liegestütz, die Hantel in der Hand halten bei ausgestrecktem Arm).

Konzentrisch

Die konzentrische (überwindend) Muskelarbeit bezeichnet die Kraftanstrengung bzw. Spannung im Muskel beim Überwinden eines Widerstandes. Dabei verkürzen sich die Muskelfasern bzw. der gesamte Muskel. Ein Beispiel dafür ist das Anwinkeln des Unterarmes beim Hanteltraining (Bizeps Curls).

Exzentrisch

Die isometrische bzw. statisch-haltenden Muskelarbeit bezeichnet die Kraftanstrengung bzw. Spannung im Muskel, beim Überwinden oder Abbremsen eines Widerstandes, der größer ist, als die Spannung im Muskel selbst. Ein Beispiel dafür ist das Hinunterführen der Hantelstange beim Bankdrücken. Die Muskelspannung (Kraft) verhindert das Herabfallen des Gewichtes.

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