Die Muskulatur
Als Muskulatur wird das Organsystem bezeichnet, welches sämtliche Muskeln des Körpers umfasst. Der menschliche Körper besitzt etwa 600 Muskeln, die zusammenarbeiten und für die Statik des Skeletts sowie für Bewegungen zuständig sind. Ungefähr 30 zusätzliche Muskeln sorgen für die Passage von Nahrung durch den Verdauungstrakt, für die Blutzirkulation sowie für spezifische Organfunktionen. Basierend auf funktionellen und strukturellen Unterschiede werden die Muskeln in drei Muskeltypen unterteilt:
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Skelettmuskulatur
Anders als die anderen Muskeltypen kann die Skelettmuskulatur, auch quergestreifte Muskulatur genannt, bewusst gesteuert werden. Sie ist zuständig für Bewegungen und für die Statik. -
Glatte Muskulatur
Glatte Muskeln sind vorwiegend in den inneren Organen zu finden (z.B. Darmmuskulatur) und werden durch das Nervensystem automatisch gesteuert. -
Herzmuskulatur
Der Herzmuskel ist ähnlich der Skelettmuskulatur quergestreift, kann jedoch wie die glatte Muskulatur nicht bewusst gesteuert werden.
Im Folgenden werde ich mich auf die Skelettmuskulatur beziehen. Wie oben erwähnt kann nur dieser Muskeltyp bewusst kontrolliert und durch gezielte Trainingsreize zum Wachstum stimuliert werden.
Aufbau der Skelettmuskeln
Die menschliche Skelettmuskulatur besteht zu etwa 70 – 80% aus Wasser, zu 15 – 20% aus Protein und zu etwa 3 – 5% aus Elektrolyten. Diese Zusammensetzung variiert je nach Trainingszustand und Ernährungsform.
Das Muskelgewebe besteht grundsätzlich aus Muskelzellen, auch Muskelfasern genannt. Jeweils bis zu zwölf Muskelfasern werden durch feines Bindegewebe zu Muskelfaserbündel zusammengefasst. Der Muskel besteht aus einer Vielzahl von Muskelfaserbündel. Er wird wiederum von einer elastischen Hülle aus Bindegewebe (Faszie) ummantelt.
Die Muskelfasern sind aus einer Vielzahl von Myofibrillen zusammengesetzt, welche aus hunderten von hintereinandergeschachtelten Baueinheiten mit gleichem inneren Aufbau, den sogenannten Sarkomeren, bestehen. Im Sarkomer findet die eigentliche Muskelkontraktion statt. Die Sarkomere sind hauptsächlich aus den drei Proteinen Aktin, Myosin und Titin aufgebaut. Die dickeren Myosinfilamente sind parallel angeordnet. Zwischen ihnen ragen die dünneren Aktinfilamente. Aufgrund elektrochemischer Signale agieren diese beiden Proteine miteinander und die Aktin- und Myosinfilamente schieben sich ineinander. Dies führt zu einer Verkürzung des Muskels und macht somit die Kontraktion aus.
Einteilung der Muskelfasertypen
Ein Muskel besteht – abhängig von seiner Funktion sowie der genetischen Veranlagung – aus verschiedenen Arten von Muskelfasern. Zwar gib es je nach Betrachtungsweise sehr viele Zwischenstufen, meist wird aber zwischen den nachfolgenden Typen von Muskelfasern unterschieden:
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Typ I. Rote Muskelfasern. ST-Fasern (Slow-Twitch-Oxidative-Fibres)
Die langsam kontrahierenden Muskelfasern sprechen verzögert auf Reize an, haben aber eine längere Kontraktionszeit. Dabei ermüden sie nur sehr langsam, leisten aber weniger Kraft. Die Roten Muskelfasern verfügen über eine hohe Anzahl an Mitochondrien. Diese sind für die aerobe Energiebereitstellung, also die Verbrennung von Glucose und Fettsäuren unter genügend Sauerstoff zuständig. Ihre rote Farbe haben diese Muskelfasern durch ihren hohen Myoglobingehalt. Der Glykogengehalt ist relativ niedrig. - Typ IIA/C. Weisse Muskelfasern. FTO-Fasern (Fast-Twich-Oxidative-Fibers) Die FTO-Fasern können schneller als die Roten Muskelfasern kontrahieren und eine hohe Kraft leisten, verfügen aber ebenfalls über eine hohe Ermüdungsresistenz. Die Energiebereitstellung erfolg dabei ebenfalls aerob, also mit Sauerstoff.
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Typ IIB. Weisse Muskelfasern. FT-Fasern (Fast-Twitch-Glycolytic-Fibres)
Diese Muskelfasern werden auch als FG-Fasern (Fast-glycolytic-Fibres) bezeichnet. Sie können schnell reagieren und ermöglichen kräftige Kontraktionen. Allerdings ermüden diese Muskelfasern sehr schnell. Die Energiegewinnung geschieht dabei fast immer anaerob. Aufgrund ihres niedrigen Myoglobingehaltes ist ihre Farbe hell. Die FT-Fasern verfügen über eine niedrige Anzahl an Mitochondrien, aber über einen hohen Glycongengehalt.
Der Anteil der unterschiedlichen Muskelfasertypen ist nicht über den gesamten Körper gleich. Beispielsweise besteht die Bauchmuskulatur zum grössten Teil aus roten Muskelfasern, während der Bizeps einen grösseren Anteil an weissen Muskelfasern enthält. Allgemein ist der Anteil an roten, langsam ermüdenden Muskelfasern, bei der Stützmuskulatur höher, als bei Muskeln, die für schnelle, kraftvolle Bewegungen ausgelegt sind.
Im Weiteren bestehen massgebliche Unterschiede von Mensch zu Mensch bezüglich der Zusammensetzung der Muskelzellen. Einerseits ist diese genetisch vorbestimmt, kann aber durch sportartspezifisches Training zu einem begrenzten Teil verändert werden.
Muskelkontraktion
Die Muskelkontraktion ist ein sehr komplexer Prozess und noch nicht vollständig wissenschaftlich ergründet. Die Wissenschaftler beschreiben diesen Vorgang in der Gleitfilamenttheorie, welche auch als Querbrückenzyklus bekannt ist. Schauen wir uns nun etwas vereinfacht an, wie eine Muskelkontraktion vor sich geht;
Wie wir im Abschnitt Aufbau der Skelettmuskeln gesehen haben, ist das Sarkomer die kleinste funktionelle Einheit eines Muskels. Indem die in ihm enthaltenen Myosin- und Aktinfilamente miteinander reagieren, kommt es zur Kontraktion.
Im erschlafften Zustand des Muskels blockieren Tropomyosinfäden die Bindungsstellen am Aktinfilament, so dass die Myosinfilamente nicht mit den Aktinfilamenten in Verbindung treten können.
Eine Muskelkontraktion wird durch einen Nervenimpuls eingeleitet, welcher über die sogenannten motorischen Endplatten von den Nervenfasern auf die Muskelfasern übertragen wird. Dieser Reiz veranlasst die Muskelzelle große Mengen an Calcium-Ionen auszustossen.
Diese Calcium-Ionen binden sich nun an die auf den Tropomyosinfäden liegenden Troponinmoleküle. Dadurch entstehen chemische Kräfte, welche das Troponin bzw. die Tropomyosinfäden, die zuvor die Bindungsstellen am Aktinfilament blockiert haben, beiseite schieben. Somit können die Myosin- und Aktinfilamente nun ungehindert miteinander reagieren. Durch die Calcium-Ionen wird im weiteren das am Myosinkopf sitzende Enzym ATP-ase aktiviert. Als Folge wird ATP (Adenosin-Tri-Phosphat) zu ADP (Adenosin-Di-Phosphat) und Phosphat gespalten und es wird die gespeicherte Energie des ATP frei. Dieser Vorgang liefert die zur Muskelkontraktion benötigte Energie. Es entsteht nun eine Bewegung im Myosinkopf (Ruderschlag). Die Myosinmoleküle greifen dabei wie kleine Widerhaken in die Aktinfäden und ziehen sie aufeinander zu. Die Filamente gleiten aneinander vorbei, es kommt zur Muskelkontraktion.
Schliesslich werden die Calcium-Ionen abgepump, wodurch die Tropomyosinfäden die Aktin-Bindungsstellen wieder blockieren können, was zu einer Erschlaffung des Muskels führt.
Kontraktionsarten
Der Begriff „Kontraktion“ ist nicht zwingend mit einer Verkürzung des Muskels verbunden. Vielmehr bezeichnet er die Entwicklung eines Spannungszustandes.
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Isometrisch
Haltend-statisch. Der Muskel entwickelt Spannung, verkürzt sich aber nicht. Es wird keine Bewegung ausgeführt. Bsp. Etwas schweres halten oder sich an die Reckstange hängen. -
Isotonisch
Der Muskel verkürzt sich, aber die Spannung bleibt unverändert. Diese Kontraktionsart kommt nur im Labor (z.B. durch Stromimpuls) und nicht im täglichen Leben vor. -
Auxotonisch
Mischform von isometrischer und isotonischer Kontraktion. Sowohl die Spannung wie auch die Länge des Muskel verändert sich. Dies ist die häufigste Kontraktionsart im Alltag. Bsp. Radfahren.
Die dynamischen Kontraktionsarten lassen sich weiter unterteilen nach:
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Konzentrisch
Der Muskel verkürzt sich und überwindet eine Last. Bsp. Aufwärtsbewegung bei Bizeps-Curls. -
Exzentrisch
Der Widerstand ist grösser als die Spannung im Muskel. Der Muskel wird dadurch gedehnt. Bsp. Abwärtsbewegung bei Bizeps-Curls.
Eine weitere Kontraktionsart bezieht sich auf die Geschwindigkeit:
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Isokinetisch
Gleichschnell. Der Widerstand wird mit gleichbleibender Geschwindigkeit übersunden.
