Muskulatur - Anatomie & Physiologie
Gliederung
- Muskeltypen
- Anatomie eines Skelettmuskels
- Namensgebung der Skelettmuskeln
- Arbeitsgemeinschaft der Skelettmuskeln
- Histologie der Skelettmuskeln
- Aufbau der Sarkomere
- Funktion des Muskelgewebes
- Skelettmuskeln als Hebel
- Motorische Einheiten
- Ablauf der Muskelkontraktion
- Arten der Muskelkontraktion
- Muskelfasertypen
- Muskelstoffwechsel und Ermüdung
Muskeltypen
Viszerale Muskulatur
Die viszerale Muskulatur befindet sich innerhalb von Organen, wie beispielsweise dem Magen, den Gerdärmen oder Blutgefäßen. Die viszerale Muskulatur sorgt dafür, dass Substanzen in diesen Organen bewegt werden können. Diese Muskeln arbeiten unterbewusst, ohne, dass wir darüber nachdenken müssen.
Herzmuskel
Der Herzmuskel befindet sich, wie der Name schon sagt, nur im Herzen und ist dort zuständig für das Pumpen von Blut durch den Körper. Genauso wie die viszeralen Muskeln, schlägt auch der Herzmuskel unbewusst. Kontrahieren tut der Herzmuskel eigenständig, allerdings wird die Rate der Kontraktion durch Hormone und Signale vom Gehirn gesteuert. Vom Aussehen her ist das Herzmuskelgewebe gestreift. Der Grund dafür ist die Anordnung der Proteinfasern, welche das Gewebe hell und dunkel aussehen lassen. Gestreiftes Muskelgewebe deutet darauf hin, dass der Muskel sehr stark ist.
Skelettmuskeln
Die Skelettmuskeln arbeiten im Gegensatz zu den vorherigen Muskeln nicht unterbewusst. Die Kontraktion geschieht bewusst durch Signalgebung vom Gehirn. Die Funktion von Skelettmuskeln ist bekanntlich das Kontrahieren und somit das Bewegen von Körperteilen. Jeder Skelettmuskel setzt an mindestens einem, die meisten jedoch an zwei Knochen an. Viele verlaufen dabei über ein Gelenk.
Anatomie eines Skelettmuskels
Die meisten Skelettmuskeln sind mit zwei Knochen verbunden. Diese Verbindung zwischen Muskel und Knochen besteht meist aus Sehnen mit starken Kollagenfasern. Durch Verkürzung der Muskeln, wird an den Sehnen gezogen und somit die Knochen näher aneinander gebracht. Dabei wird ein Knochen bewegt, der andere bleibt in seine Position. Da hier ein sehr starker Zug auf die Sehnen entsteht, ist es nicht verwunderlich, dass diese stark verflochten in Knochen- und Muskelgewebe sind. Die Stelle am unbewegten Knochen, wo die Sehnen Muskel und Knochen verbinden, nennt man Ursprung. Die Verbindungsstelle am bewegten Knochen ist der Ansatz. Der Teil des Muskels zwischen den Sehnen nennt man Muskelbauch.
Namensgebung der Skelettmuskeln
Die Namensgebung hört sich oft kompliziert an. Sie basiert auf diversen Faktoren. Dazu zählen: Lage, Ursprung, Ansatz, Funktion, Aussehen, Richtung, Größe und Anzahl der Ursprünge.
- Lage: Oft geschieht die Namensgebung auf Grundlage der anatomischen Region des Muskels (z.B. M. rectus abdominis → Bauchregion), des Knochenbereich wo der Muskel ansetzt (z.B. M. tibialis anterior → anteriorer (vorderer) Teil der Tibia) oder auch einer Kombination aus beidem (z.B. M. brachioradialis → brachial-Region; Knochen = radius).
- Ursprung und Ansatz: Die Namensgebung auf Grundlage von der Verbindung zum bewegten oder stillstehendem Knochen ist ebenfalls bekannt (z.B. M. sternocleidomastoideus → verbindet Sternum und Clavicula zum Warzenfortsatz des Schädels). Kennt man also die Namen der Knochen, lassen sich auch diese Muskeln leicht finden.
- Funktion: Besonders in Bereichen, wo viele Muskeln die gleiche Größe Region und Aussehen haben, werden die Muskeln nach ihrer Funktion benannt, so zum Beispiel im Unterarm. Hier gibt es die Gruppe der Mm. flexor (für die Unterarm-Flexion zuständig) oder den M. supinator (für die Supination des Handgelenks und der Finger zuständig).
- Aussehen, Richtung, Größe: Als Beispiel für die Benennung nach dem Aussehen dient der delta-förmige M. deltoideus. Um ähnliche Muskel in gleicher Region zu unterscheiden, wird auch die Größe in den Namen gepackt, wie zum Beispiel bei den Mm. gluteus maximus, medius und minimus. Neben Größe und Aussehen, kann auch die Richtung ausschlaggebend sein, in die der Muskel verläuft (z.B. M. rectus abdominis (vertikal), M. transversus abdominis (quer/horizontal), Mm. obliquus abdominis (diagonal)).
- Anzahl der Ursprünge: Eine letzte Benennungsmöglichkeit ist die Anzahl der Punkte, an denen der Muskel entspringt. Manche Muskeln haben mehrere Ursprünge an unterschiedlichen Stellen am Knochen oder sogar an unterschiedlichen Knochen. So ist ein Muskel mit zwei Ursprüngen ein Bizeps-, einer mit drei Urspüngen ein Trizeps- und ein Muskel mit vier Ursprüngen ist ein Quadriceps-Muskel
Arbeitsgemeinschaft der Skelettmuskeln
Ein Muskel arbeitet in der Regeln nie allein. Zum einen könnten wir dann viel weniger Kraft aufbringen und zum anderen wären die Bewegungen sehr unpräzise. Ein arbeitender Muskel wird als Agonist bezeichnet. Jeder Agonist hat auch einen Antagonist – ein Muskel, der genau die gegenteilige Bewegung ausführt. Ein bekanntes Beispiel hierfür sind Bizeps (beugt den Arm) und Trizeps (streckt den Arm). Je nach dem, ob nun Beugung oder Streckung des Arms durchgeführt wird, ist immer der eine Muskel der Agonist und der andere ist der Antagonist. Neben Agonisten und Antagonisten gibt es dann noch Synergisten. Das sind Muskeln, die die Agonisten bei der Durchführung der Bewegung unterstützen und stabilisieren. Meistens befinden sich die Synergistenmuskeln nahe den Agonisten und auch an den selben Knochen.
Histologie der Skelettmuskeln
Die Zellmembran von Muskelfasern stellt das Sarkolemma dar. Es fungiert als Leiter von elektrochemischen Signalen und stimuliert auf diese Weise die Muskelzellen. An das Sarkolemma schließen sich T-Tubuli an, welche die elektrochemischen Signale dann in die Mitte der Muskelfasern weitergeben. Dann gibt es noch das Sarkoplasmatische Reticulum. Dieses dient als Speicher für Ca2+ Ionen, welche für die Muskelkontraktion benötigt werden. Eine weiteres wichtiges Zellorganell sind die Mitochondrien, die Kraftwerke der Zelle. In ihnen werden Zucker abgebaut, um daraus Energie in Form von ATP zu generieren. Die kontraktilen Strukturen in den Muskelzellen sind die Myofibrillen. Sie bilden den Großteil der Muskelfaserstrukturen und bestehen aus vielen Proteinfasern, die in sich wiederholenden Untereinheiten angeordnet sind, den Sarkomeren.
Aufbau der Sarkomere
Die Sarkomere setzen sich aus zwei Arten von Proteinfasern zusammen: dicke und dünne Filamente. Die dicken Filamente bestehen aus miteinander verbundenen Myosin-Einheiten. Myosin ist das Protein, was die Muskelkontraktion bewirkt. Die dünnen Filamente bestehen aus drei verschiedenen Proteinen. Zum einen aus Actin, welches eine Art Helix-Struktur hat und Bindungsstellen für Myosin besitzt. Bei einer Kontraktion ist Myosin an diese Stellen gebunden und zieht das Actinfilament in Richtung Sarkomermitte. Das zweite Protein ist Tropomyosin. Tropomyosin ist eine lange Proteinfaser, die sich um das Acitinfilament windet und die Myosin-Bindungsstellen bedeckt. Als letztes gibt es noch Troponin, welches eng an Tropomyosin gebunden ist und dieses während einer Kontraktion von den Myosin-Bindungsstellen weg bewegt.
Funktion des Muskelgewebes
Dem Muskelgewebe kommen im Grunde vier Funktionen zu. Durch Kontraktion ist die Muskulatur dazu in der Lage, Körpereinheiten zu bewegen. Und nicht nur für Bewegung, sondern auch zur Stabilisierung und für die Körperhaltung ist die Muskulatur zuständig. Das Bewegen gilt nicht nur Körperteilen, sondern beispielsweise auch Substanzen wie Blut oder Nahrung, die durch Herzmuskel und viszerale Muskeln im Körper bewegt wird. Die letzte Funktion der Muskulatur ist das Produzieren von Wärme. Muskelkontraktionen führen zur Wärme-Abgabe. So kommt übrigens auch unsere natürliche Körperwärme zustande, durch viele kleine Muskelkontraktionen. Bei Muskelkontraktionen über dem Normallevel (durch Sport) steigt unsere Körpertemperatur an.
Skelettmuskeln als Hebel
Die Skelettmuskeln bilden zusammen mit den Knochen und den Gelenken sozusagen Arbeitsgemeinschaften. Zu dritt bilden sie Hebelsysteme, wobei jeder seine Aufgabe hat, um ein Objekt zu bewegen. Der Knochen wirkt als Hebel, das Gelenk als Drehpunkt und die Muskeln als antreibende Kraft.
Motorische Einheiten
Motorische Einheiten sind die Nervenzellen, die die Skelettmuskulatur steuern. Dies funktioniert per Signalübertragung vom Gehirn. Die motorische Einheit erhält das Signal und stimuliert dann die Muskelzellen. Jede motorische Einheit ist mit mehreren Muskelzellen verbunden. Je nach dem welche Aufgabe ein Muskel hat, werden mehr oder eben weniger Muskelfasern mit einer motorischen Einheit gesteuert. Je feiner und präziser ein Muskel arbeiten muss, desto weniger Muskelfasern werden von einer Motoreinheit kontrolliert. Im Gegensatz dazu werden in großen Muskeln, die viel Kraft aufbringen müssen (z.B. Arme, Beine) viele Muskelzellen von einer Motoreinheit gesteuert. Da es jedoch auch viele Fälle gibt, in denen wir zwar diese großen Muskeln benötigen, die bewegte Last aber eher gering ist (z.B. Aufheben eines Stiftes), kann unser Gehirn festlegen, wie viele motorische Einheiten aktiviert und somit wie viele Muskelfasern stimuliert werden, um dadurch die aufgebrachte Kraft zu regulieren.
Ablauf der Muskelkontraktion
Bis es zu einer Muskelkontraktion kommt, erfolgen mehrere Schritte.
Zunächst wird ein Signal vom Gehirn aus gegeben, welches dann über die Neuronen zu den Muskeln weitergeleitet wird. Von den Motorneuronen werden anschließend Neurotransmitter an der neuromuskulären Endplatte freigesetzt, die sich dann an die Motorische Endplatte des Sarkolemma binden. Genauer gesagt, binden die Neurotransmitter an Ionenkanäle, die sich daraufhin öffnen und positiv geladene Ionen in die Muskelfaser einströmen lassen. Durch den Einstrom positiv geladener Ionen wird der Zell-Innenraum positiver. Diese Veränderung der elektro-chemischen Spannung bewirkt, dass sich weitere Ionenkanäle im Sarkolemma und den T-Tubuli öffnen.
Sobald die positiven Ionen am Sarkoplasmatischen Retikulum ankommen, werden dort Ca2+ Ionen freigesetzt und wandern in die Myofibrillen, wo sie dann wiederum an Troponin binden. Troponin ist an Tropomyosin gebunden, eine Proteinfaser, welche um die Aktinfilamente gewickelt ist. Durch Bindung der Ca2+ Ionen an Troponin, verändert Troponin seine Raumstruktur, wodurch sich Tropomyosin bewegt und die Bindungsstellen am Aktinfilament für die Myosinköpfchen freigibt, die es vorher blockiert hat.
Nun binden die Myosinköpfchen am Actinfilament, “klappen ein” und ziehen dadurch am Actinfilament. Dafür wird Energie benötigt, die in Form von ATP (Adenosin-triphosphat) bereitgestellt wird. Die Actinfilamente werden in Richtung des Sarkomer-Zentrums gezogen. Die Filamente verändern dabei nicht ihre Länge. Da sie an die Z-Scheiben gebunden sind und dieser Vorgang auch in den anderen Sarkomeren abläuft, verkürzt sich also der Muskel insgesamt – die Kontraktion.
Die Kontraktion wird so lange beibehalten, bis die Muskelzellen nicht mehr durch Neurotransmitter stimuliert werden. Sobald dies nicht mehr der Fall ist, wird die Kontraktion automatisch aufgehoben. Ca2+ löst sich wieder von Troponin, Troponin und Tropomyosin gehen wieder in ihre ursprüngliche Position zurück, die Myosinköpfchen lösen sich von den Actinfilamenten und diese begeben sich ebenfalls wieder in ihre Ursprungsposition. Der Muskel wird also wieder verlängert.
Arten der Muskelkontraktion
Eine Muskelkontraktion kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Die Stärke und Dauer der Kontraktion wird durch zwei Faktoren beeinflusst: die Anzahl der Impulse vom Nervensystem und die Anzahl beteiligter Motorneuronen. So führt ein einzelner Impuls eines Motorneurons lediglich zu einer flüchtigen, schwachen Kontraktion. Werden aber mehrere Signale schnell hintereinander gesendet, kommt es zum Phänomen der zeitlichen Summation. Diese vielen Signale werden addiert und ergeben wenigere, starke Signale. Die Stärke und Dauer der Kontraktion ist damit weitaus höher. Eine Muskelkontraktion ist allerdings nicht gleichzusetzen mit Bewegung. Neben der bekannten isotonischen Kontraktion, die für Bewegungen von Nöten ist, gibt es ebenso isometrische Kontraktionen. Hierbei wird Spannung im Muskel erzeugt, jedoch nicht genug, um ein Körperteil zu bewegen. Die isometrische Kontraktion dient dem in Position Halten von Objekten oder auch, um die allgemeine Körperhaltung zu bewahren. Als letztes gibt es noch den Muskeltonus. Das ist eine gewisse Grundspannung, die im Muskel zu jeder Zeit vorherrscht, um vor Schäden an Gelenken und Muskel durch äußere, unvorhergesehene Einwirkungen geschützt zu sein (Ausnahme: Der Muskel wurde durch irgendeinen Grund vom Nervensystem getrennt). Dazu dient diese Grundspannung auch die Körperhaltung zu bewahren.
Muskelfasertypen
Die Skelettmuskeln lassen sich in zwei Muskelfasertypen einteilen, die auf unterschiedliche Arten Energie bereitstellen. Es gibt Typ I und Typ II Muskelfasern. Typ I Fasern kontrahieren sehr langsam und bewusst. Diese Fasern ermüden fast nie. Sie nutzen die aerobe Energiebereitstellung aus Zucker. Körperhaltung und Ausdauer sind zwei Hauptaufgaben der Typ I Fasern, weshalb auch sehr viele dieser Fasern in der Nacken- und Wirbelsäulenregion vorzufinden sind.
Typ II Fasern werden nochmal unterteilt in Typ II A und Typ II B Fasern.
Typ II A Fasern sind stärker und schneller, als Typ I Fasern. Allerdings sind sie nicht so ausdauernd wie diese.
Typ II B Fasern sind noch stärker und schneller, als Typ II A Fasern, haben jedoch auch noch weniger Ausdauer. Sie enthalten kein Myoglobin, weshalb ihre Farbe sehr viel heller ist, als die von Typ I und Typ II A Fasern. Dadurch sind sie leicht erkennbar.
Muskelstoffwechsel und Ermüdung
Je nach dem in welcher Situation ein Muskel arbeiten muss, werden unterschiedliche Energiequellen genutzt. Ist das benötigte Kraftlevel niedrig bis moderat, wird die Energie aerob, also sauertoffabhängig bereitgestellt. Hierbei wird Glukose abgebaut, wobei man aus einem Molekül Glukose 36-38 ATP erhält. Solange genug Glukose und Sauerstoff zugeführt wird, kann die Kontraktion aufrecht erhalten werden. Soll ein hohes Kraftlevel erzeugt werden, wird die Energie nicht mehr aerob mit Hilfe von Sauerstoff generiert, sondern anearob durch Milchsäuregärung. Diese Form der Energiebereitstellung ist wesentlich ineffizienter, da hierbei lediglich 2 ATP aus einem Molekül Glukose produziert werden. Unter anaeroben Bedingungen ermüden die Muskeln sehr schnell.
In den Muskelfasern sind diverse Energiemoleküle enthalten, um die Muskeln für längere Zeit arbeiten zu lassen. So befindet sich zum Beispiel Myoglobin in Typ I und Typ II A -Fasern, welches Sauerstoff gespeichert hat. Der Sauerstoff kann dann an den Muskel abgegeben werden und ermöglicht weitere aerobe Atmung, auch wenn kein Sauerstoff vorhanden ist.
Neben Myoglobin gibt es noch Kreatin Phosphat. Letztendlich benutzen Muskeln ATP, um zu arbeiten, welches dabei in ADP+P gespalten wird, wodurch Energie entsteht. Kreatin Phosphat gibt nun seine Phosphatgruppe ab, um ADP wieder in ATP umzuwandeln. Es ist nun wieder Energiepotential zur Verfügung.
Ein letzter, sehr großer Energiespeicher im Muskel ist das Glykogen. Glykogen ist ein großes Makromolekül bestehend aus vielen Glukosemolekülen, die miteinander verbunden sind. Wird Energie benötigt, wird Glukose abgespalten. Es ist sozusagen ein interner Energiespeicher.
Sobald ein Muskel keine Energie mehr zur Verfügung hat, ermüdet er und die Kontraktion löst sich. Das ist sowohl bei aerober, als auch bei anaerober Atmung der Fall. Im ermüdeten Muskel sind dann die Energiemoleküle (Sauerstoff, ATP, Glukose) sehr wenig bis gar nicht vorhanden, die Abfallprodukte wie Milchsäure und ADP sind hingegen reichlich vorhanden. Anschließend muss der Muskel dann extra viel Sauerstoff wieder in sich aufnehmen, um das Sauerstoffdefizit wieder auszugleichen. Zum einen muss er die Vorräte im Myoglobin wieder auffüllen und zum anderen benötigt die aerobe Atmung wieder Sauerstoff.