Teil II - Die Muskelzelle

Bau der Muskelzelle

• Unser kompletter Muskel besteht aus vielen Muskelfaserbündeln (siehe Abb.1), welche wiederum aus vielen Muskelfasern bestehen.

• Eine einzelne Muskelfaser setzt sich aus vielen einzelnen Muskelfasern, den Myofibrillen (siehe Abb.2) zusammen. In der Abbildung haben das Aktinfilament und das Myosinfilament verschiedene Farben. Unter dem Mikroskop ist diese Aufteilung auch zu erkennen. Daher der Name "quer gestreifte Muskulatur".

• Eine Myofibrille (= Muskelfaser) besteht aus vielen einzelnen Sarkomeren.

• Die Sarkomere bestehen in der Hauptsache aus zwei Einzelteilen, dem Aktinfilament und dem Myosinfilament, welche sich ineinander Verschieben können und so eine Kontraktion (Anspannung) des Muskels bewirken.

Muskelkontraktion

• a) Vom Gehirn kommt über einen motorischen Nerv der Befehl „Muskel kontrahiere dich“.
• b) Hier wird das elektrische Signal (das sogenannte Aktionspotential) des Nervs in ein chemisches Signal für die Muskelzelle umgewandelt. Diese Verbindungsstelle nennt sich motorische Endplatte.

• c) Ausbreitung der Erregung längs der Muskelzellmembran (=Plasmalemm) und dem T-System (siehe Abb.3).
• d) Übergreifen der Erregung auf das L-System (siehe Abb.3). Öffnen von Ca⁺⁺ Kanälen.
• e) Ca⁺⁺ diffundiert aus dem L-System in das Cytoplasma der Muskelzelle und zu den Mikrofilamenten. Die Ca⁺⁺ Konzentration in den Filamenten steigt um das 1000fache(!) an. Das Ca⁺⁺ arbeitet hierbei als Bote in der Muskelzelle (= intrazellulärer Botenstoff) und ist zuständig für die Infoübertragung von der Zellmembran zu den Mikrofilamenten.

Erst durch die Freigabe von Ca⁺⁺ in die Filamente des Muskels beginnt der Muskel, sich zu kontrahieren.

Arbeitsweise der Muskelzellen bei einer Muskelkontraktion

• Im Ruhezustand bindet sich Troponin an das Aktin (siehe Abb.5 ) und hemmt damit die Bindung des Aktins an das Myosin (Aktin-Myosin Bindung). An den Myosinköpfchen haftet jeweils ein ATP.

• Wenn nun ein Aktionspotential eintrifft steigt die CA⁺⁺ Konzentration auf das tausendfache an. Dieses Ca⁺⁺ bindet sich an das Troponin und zieht dieses von der Bindungsstelle (Aktin) weg.
• Somit steht das Troponin nicht mehr im Weg und das Myosin kann sich jetzt an das Aktin binden. Sofort zerfällt das ATP an den Myosinköpfchen unter Energieabgabe zu ADP und Phosphat.

• Durch die freiwerdende Energie der Phosphatabgabe des ATP, schlagen die Myosinköpfchen um und hangeln sich an dem Aktin entlang (siehe Abb.7). Die Muskelfaser verkürzt sich.

• Wenn die Myosinköpfchen umgeschlagen ist, wird das ADP von den Myosinköpfchen abgegeben und die Endstellung der Köpfe ist erreicht (siehe Abb.8).

• Die Bindung des frischen ATP mit dem Myosinköpfchen hat eine „Weichmacherwirkung“. Die Aktin-Myosin-Bindung wird gelöst und das Myosinköpfchen neu gespannt (siehe Abb.9). Ohne ATP würde ein sogenannter „stabiler Rigorkomplex“ entstehen, der Muskel wäre dann hart wie Stein und die Gelenke könnten nicht mehr bewegt werden (z. B. Totenstarre).

• Jetzt ist wieder die Ruhestellung (siehe Abb.10) von Aktin, Myosin und Troponin erreicht.

• Für eine erneute Anspannung muss wieder CA⁺⁺ die Bindung zwischen Troponin und Aktin lösen (siehe Abb.6) und das Troponin vom Aktin wegziehen. Erst dann kann sich das Myosin erneut mit dem Aktin verbinden.

Solange ein Aktionspotential besteht und CA⁺⁺ das Troponin vom Aktin wegzieht, solange arbeitet das Myosin unter Verbrauch von ATP.

Energiebereitstellung im Muskel

Die Energiebereitstellung im Muskel erfolg normalerweise aerob. Nur im Notfall, bei Sauerstoffmangel, ist sie anaerob. Für die Anfangsphase der Muskelkontraktion, solange der nutritive Reflex noch nicht greift, besitzt die Muskelzelle einen zusätzlichen Energiespeicher, damit sie nicht anaerob arbeiten muss: das Kreatinphosphat.

Anaerob-alactazider Stoffwechsel

Kreatinphosphat zerfällt zu Kreatin und Phosphat (siehe Abb.11). Die dabei freiwerdende Energie wird direkt dazu genutzt, um aus ADP und Phosphat ein ATP aufzubauen. Bei ATP-Überfluss wird der Kreatinphosphatspeicher wieder gefüllt.

Der nutritive Reflex sorgt für eine ausreichende Versorgung des Muskels mit Nährstoffen (Sauerstoff, Glucose, etc.). Über einen Teil unseres vegetativen Nervensystem (hier Sympathikus) erfolgt eine Anpassung  unseres Herz-Kreislauf-Systems.

• Die Herzfrequenz und das Schlagvolumen des Herzens steigen (= Herzminutenvolumen steigt).
• Die Gefäße der Muskulatur weiten sich (=Dilatation).
• Die Atemfrequenz steigt um mehr Sauerstoff zur Verfügung zu haben.

Statische Muskelarbeit

Die statische Muskelarbeit ist eine sogenannte Haltearbeit. Sie ist im Idealfall isometrisch, d. h. die Länge des Muskels bleibt konstant. Der Ansatz des Muskels ist möglichst weit vom Gelenk (Drehpunkt) entfernt (siehe Abb.12). Arbeit mit langem Hebelarm bedeutet geringer Kraftaufwand, vergleichbar mit einer Brechstange, mit der man auch schwere Lasten leicht anheben kann, der Hebelweg jedoch nur klein ist.

In den Fasern statisch arbeitender Muskeln wie z. B. der m. brachioradialis (siehe Abb. 12), befindet sich viel Myoglobin (= roter Muskelfarbstoff) zur O₂ Speicherung. Bei statischer Muskelarbeit werden die Blutgefäße im Muskel durch die eigene Muskelmasse anhaltend zusammengedrückt. Dadurch kommt es zu einer Minderdurchblutung und zu einem Sauerstoffmangel, der zum Teil durch Sauerstoff aus dem Myoglobin behoben werden kann.

Bei sehr langer statischer Arbeit kommt es durch den Sauerstoffmangel zu einer anaeroben Energiegewinnung. Laktat sammelt sich im Muskel an und dieser übersäuert.

Bei weiterem Energiemangel entsteht eine Stoffwechselstörung in der Muskelzelle. Dadurch kommt es zu einem Reparaturversuch innerhalb des Muskels und Eiweiß lagert sich ab. Diese Ablagerungen sind Myogelosen (Narben im Muskel).

Dynamische Muskelarbeit

Die dynamische Muskelarbeit verrichtet in der Hauptsache unser gesamter Bewegungsapparat. Sie ist im Idealfall isotonisch, d. h. die Spannung des Muskels bleibt konstant, während seine Länge sich verändert. Da durch wechselnde Bedingungen immer leichte Schwankungen in der Spannung der Muskulatur stattfinden, ist die dynamische Muskelarbeit in Wirklichkeit auxotonisch. Der Ansatz des Muskels sollte möglichst nahe am Gelenk sein (siehe Abb.12), so dass durch eine kleine Kontraktion ein möglichst großer Bewegungsausschlag entsteht.

Muskelfasern dynamisch arbeitender Muskulatur enthalten wenig Myoglobin, da auf eine kurze Anspannungsphase direkt eine Entspannungsphase folgt, in der die Sauerstoffschuld wieder aufgehoben wird.

Gerne stehe ich Ihnen bei Interesse oder auch Fragen zur Verfügung. Hier können Sie unverbindlich Kontakt mit mir aufnehmen.

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