2. Biologische Grundlagen

2.1.     Struktur und Arbeitsweisen/             Kontraktionsformen der Muskulatur

Struktur des Muskels

Ein Gesamtmuskel untergliedert sich von außen nach innen in immer feinere Untereinheiten:
Gesamtmuskel, Muskelfaserbündel (sichtbar mit dem Auge), Muskelfaser (= Muskelzelle), Myofibrille, Myofilamente (Aktin, Myosin, Titin).

 

Die Muskelfasern bestehen aus einer Vielzahl so genannter Myo-Fibrillen. Die Fibrillen selbst bestehen aus den relativ dünnen, an den „Z-Linien" miteinander verbundenen Aktinfilamenten und den dazwischen liegenden, etwas dickeren Myosinfilamenten. Diese winzigsten Strukturen, deren Anordnung aus der Abbildung hervorgeht, sind die eigentlichen Akteure bei der Muskelkontraktion.

Gleit-Filament-Theorie

Wie sie miteinander in Wechselwirkung treten, beschreibt die Gleit-Filament-Theorie. Sie fasst die Ergebnisse zahlreicher physiologischer und biochemischer Untersuchungen zu einem Erklärungsmodell zusammen. 
Myosinköpfchen und Aktinfilament haben eine hohe Affinität, d. h. sie sind bestrebt, spontan Bindung miteinander einzugehen
Unter Einwirkung von Kalzium auf das Troponin wird diese Blockierung aufgehoben, so dass sich das Myosinköpfchen an das Aktinfilament anheften kann.
Bei Zufuhr von Energie kommt es jetzt zu einer Strukturveränderung innerhalb des Myosinmoleküls, was dazu führt, dass das Köpfchen in der Weise, wie es in der Abbildung dargestellt ist, um ca. 45° „umkippt" und dabei den angehefteten Aktinfaden um ein Stückchen verschiebt. Nach dem Umkippen löst sich das Köpfchen sehr rasch vom Aktin, richtet sich wieder auf und kann sofort eine erneute Bindung mit dem Aktin eingehen, wobei die jetzige Bindungsstelle gegenüber der ersten etwas versetzt liegt.
Dieser Zyklus „Brückenbildung und Verschiebung heften, Umkippen, Lösen, Aufrichten“ zwischen Aktin- und Myosinfilament wird in Sekundenbruchteilen mehrfach durchlaufen. Die Myosinköpfchen arbeiten dabei nicht synchron, während die einen ziehen, richten sich die anderen auf. Die Aktinfilamente werden aufeinander zubewegt, das Sarkomer verkürzt sich. Bei Tausenden von Sarkomeren, die in der Muskelfaser hintereinanderliegen, führt dies zu einer deutlichen Verkürzung des gesamten Muskels

Titin - ein drittes Filament im Sarkomer

Neben dem Aktin und Myosin haben die Molekularbiologen MARUYAMA, WANG ein drittes Filament, das Titin, entdeckt, das die Myosinfilamente mit den Z-Scheiben verbindet.
Die Titinfilamente arbeiten als molekulare Federn. Durch sie entsteht die Ruhespannung des Muskels. Ferner kann durch sie die Elastizitätsverhalten des Muskels bei Dehnungen im Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus erkärt werden („Gummibandeffekt“).
Die Dehnungsspannung einzelner Titinmoleküle nimmt im Verlauf von Dehnungen in ganz ähnlicher Weise ab wie diejenige kompletter menschlicher Muskeln. Deshalb ist es in einem Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus wichtig, die Zeit zwischen der Dehnung und der Verkürzung möglichst kurz zu halten.

 

 

2.1. Arbeitsweisen des Muskels

 

Drei wesentliche Arbeitsweisen der Muskulatur können voneinander unterschieden werden:

1. die konzentrische Arbeit, d.h. die Muskulatur kontrahiert, verkürzt sich.
2. die exzentrische Arbeit, d.h. die Muskulatur gibt gegen einen Widerstand nach.
3. die statische Arbeit, d.h. die Muskulatur behält ihre Länge gegen einen Widerstand bei.

Aufgabe:
Analysiere die obige Abbildung! Wie arbeitet jeweils der Armstrecker (Musculus triceps brachii) in den drei wiedergegebenen Abbildungungen?

Antwort:
Die Muskulatur arbeit genauso wie in obiger Reihenfolge angegeben. In Bild 1 konzentrisch, in Bild 2 exzentrisch und in Bild 3 statisch.

Isometrisches und isotonisches Krafttraining

Im Zusammenhang mit dem Krafttraining wird auch von isometrischem krafttraining und isotonischem Kraftraining gesprochen.

Isometrisches Krafttraining
ist Krafttraining gegen einen festen Widerstand, d.h. die Muskel arbeitet statisch. Äußerlich sichtbar ist nichts, die Länge des Muskels bleibt gleich (iso = gleich, metrisch = die Länge betreffend).

Isotonisches Kraftraining
ist ein dynamisches Krafttraining, d.h. der Muskel arbeitet dynamisch, arbeitet konzentrisch bzw. exzentrisch und die Länge des Muskels verändert sich. Was jedoch gleich bleibt, ist der Widerstand gegen den der Muskel arbeiten muss (iso = gleich, tonisch = die Spannung betreffend).

2.2. Motorische Einheit, zentrales und         peripheres Nervensystem,         Dehnungsreflex

Motorische Einheit

Alle Muskelfasern, die von einem motorischen Nerv über eine motorische Endplatte innerviert werden.

 

Funktionelle Einheiten des Muskels:

- kontraktiles Element (Aktin, Myosin),
- parallel-elastisches Element (Bindegewebshüllen um die   Muskelfaser, die Muskelfaserbündel und den Gesamtmuskel =   Sarkolemm, Perimysium, Fascie),
- serien-elastisches Element (Sehnen, Titinfilamente).

Erläuterung zum parallel-elastischen Element:
Jede Muskelfaser ist mit einer elastischen Bindegewebshaut überzogen, ebenso die einzelnen Faserbündel. Auch der Muskel als Ganzes ist noch einmal von einer besonders straffen, silbrig-weißen Bindegewebshaut umgeben. Dieses Bindegewebe schützt und verbindet die verschiedenen Funktionseinheiten des Muskels. Doch es hat daneben eine andere wichtige Aufgabe: Durch seine Elastizität sorgt es dafür, dass der Muskel nach einer Dehnung wieder in seine Ruhelage zurückkehrt.

 

 

2.3. Dehnungsreflex

In Bearbeitung!

2.4. Rekrutierung und Frequenzierung

In Bearbeitung!

 

2.5. Wichtige Muskeln des Menschen

1. Trapez-/Kapuzenmuskel (Musculus trapezius)
Funktionen: der obere Teil zieht die Schultern nach oben, der mittlere nähert die Schulterblätter der Wirbelsäule, der untere senkt die Schultern und dreht das Schulterblatt.

2. Breiter Rückenmuskel (M. latissimus dorsi)
Funktion: Ansatz am Oberarmknochen, zieht den Arm zum Rumpf.

3. Großer Brustmuskel (M. pectoralis major)
Funktion: Ansatz am Oberarmknochen, bewirkt u.a. das Heranziehen des Oberarms zur Brustmitte.

4. Abdominal-Muskeln (Bauchmuskeln):
Gerader Bauchmuskel (M. rectus abdominis), äußerer und innerer schräger Bauchmuskel (M. obliquus externus/internus abdominis).
Funktionen: Beugen und Drehen den Rumpf
Querer Bauchmuskel (M. transversus), Funktion: Bauchpresse.

5. Rückenmuskulatur (M. erector spinae, Sammelbegriff für mehrere Muskeln)
Funktion: Rückenstrecker, Aufrichtung und Schutz der Wirbelsäule.

6. Deltamuskel (dreieckiger Schultermuskel, M. deltoideus)
Funktion: Abduktion und Adduktion der Arme.

7. Dreiköpfiger Oberarmmuskel (M. triceps brachii)
Funktion: Streckung des Armes.

8. Zweiköpfiger Oberarmmuskel (M. biceps brachii)
zweigelenkig, Supinator des Unterarms.

9. Oberarmmuskel (M. brachialis),
Funktion: Armbeuger, eingelenkig, am besten zu trainieren, wenn die Hand nach unten zeigt.

10. Oberarm-Speichen-Muskel (M. brachioradialis)
Funktion: dreht den Unterarm in die Mittelstellung; Beugung des Armes.

11. Supinatoren des Unterarms: M. Biceps brachii, M. supinator.

12. Pronatoren des Unterarms: runder Einwärtsdreher (M. pronator teres), M. pronator quatratus.

13. Großer Gesäßmuskel (M. glutaeus maximus)
Funktion: Hüftstreckung.

14. Hüft-Lenden-Muskel (M. iliopsoas):  M. iliacus und M. psoas
Funktion: Hüftbeugung zusammen mit dem M. rectus femoris.

15. Adduktoren der Beine
großer Schenkelanzieher (M. adductor magnus), langer Schenkelanzieher (M. adductor longus), kurzer Schenkelanzieher (M. adductor brevis), schlanker Muskel (M. gracilis), Kamm-Muskel (M. pectineus).

16. Abduktoren der Beine
M. glutaeus medius, M. gluteus minimus (die kleinen Glutei), weitere Funktion: Stabilisation der Hüfte, so dass sie beim Gehen/Laufen nicht zur Schwungbeinseite abkippt!

17. Quadrizeps femoris
gerader Oberschenkelmuskel (M. rectus femoris), breiter Oberschenkelmuskel (M. vasti), besteht aus: M. vastus lateralis (liegt außen), M. vastus medialis (liegt innen), M. vastus intermedius (liegt dazwischen, direkt unter dem rectus femoris).
Funktion: Streckung des Beines.

18. Ischiocrurale Muskulatur
(ischio = Hüfte, crural = zum Unterschenkel gehörend, auch „Hamstrings“= Schinkenstrang genannt).
zweiköpfiger Oberschenkelmuskel (M. biceps femoris), halbsehniger Muskel (M. semitendinosus), Plattsehnenmuskel (Halbmembranöser Muskel, M. semimembranosus).
Funktion: Beugung des Beines.

19. Triceps surae
zweiköpfiger Wadenmuskel (Zwillingswadenmuskel, M. gastrocnemius), Schollenmuskel (M. soleus)
Funktion: Anheben der Ferse, Abdruck bei Lauf und Sprung.

 

2.6. Anatomische Begriffe

Flexion - Extension (Beugung und Streckung), Flexor - Extensor (Beuger und Strecker)

Abduktion - Adduktion (Abspreizen - Heranführen)

Pronation - Supination (Einwärtsdrehung, so dass Handfläche oder Fusssohle nach unten-außen zeigt - Auswärtsdrehung, so dass die Handfläche oder Fusssohle nach innen-oben zeigt)

Torsion (Verdrehung)

Elevation (Heben des Armes über die Horizontale)

Anteversion (Bewegung des Armes oder des Beines nach vorne), anterior = vorne

Retroversion (Bewegung des Armes oder Beines nach hinten)

caudal (fußwärts)
cranial (kopfwärts)
dorsal (hinten, zum Rücken hin gelegen)
medial (zur Mitte hin)
lateral (seitlich, außen)
ventral (bauchwärts, vorne)
palmar (handflächenwärts)
plantar (zur Fußsohle hin)

horizontal (flach, entsprechend zum Horizont)
vertikal (senkrecht, lotrecht, aufrecht)
sagittal (in Richtung der Tiefenachse verlaufend)
transversal (quer)
longitudinal (längs)

2.7. Synergisten und Antagonisten

In Bearbeitung!

2.8. Strecker- und Beugerschlingen

In Bearbeitung!

 

2.9. Stoffwechsel der Muskelzelle

Die Energiewährung des Muskels – das ATP (Adenosintriphospat)

Die bei der Verbrennung der Nährstoffe gewonnene Energie wird zunächst in einem besonderen Molekül, dem ATP, gespeichert. Das ATP wandert dann von den Zellkraftwerken (den Mitochondrien)  zu den Myofibrillen, den kleinsten Einheiten des Muskels also, in denen die Bewegung erzeugt wird. Dort gibt das ATP die gespeicherte Energie in dem Moment ab, in dem sich der Muskel zusammenzieht.

Muskelstoffwechsel    
(Text und Tabellen aus Sportpädagogik-Online, leicht modifiziert)

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Mit Stoffwechsel (Metabolismus) bezeichnet man allgemein Auf-, Ab- und Umbauvorgänge lebendigen Gewebes. Muskelfasern benötigen  "Treibstoff", denn Bewegung erfordert bekanntlich Energie. Für den Energienachschub sind die Blutgefäße zuständig. Der Treibstoff besteht aus Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißen. Die Eiweiße werden jedoch nur im Notfall, das heißt bei Hunger oder extremer körperlicher Belastung, herangezogen, weil der Körper sich in diesem Falle selbst verzehrt. Die vom Blut gelieferten Nährstoffe enthalten zwar Energie, aber diese Energie ist chemisch gebunden und steht den Zellen nicht direkt zur Verfügung. Ebenso wie das Benzin in einem Motor müssen auch die Nährstoffe zuerst verbrannt werden, um Bewegung zu erzeugen. Das geschieht in speziellen Zellorganen, den Mitochondrien, die in jeder Muskelzelle vorhanden sind. Wegen ihrer Funktion als Energieversorger werden die Mitochondrien auch als „Kraftwerke“ der Zellen bezeichnet. Die bei der Verbrennung der Nährstoffe gewonnene Energie wird zunächst in einem besonderen Molekül, dem  Adenosintriphospat (ATP), gespeichert. Das ATP wandert dann von den Zellkraftwerken zu den Myofibrillen, den kleinsten Einheiten des Muskels, in denen die Bewegung erzeugt wird. Besonders bei Ausdauerleistungen ist die Energienachlieferung von zentraler Bedeutung.

 

Energiegewinnung in der Muskelzelle
Bedeutung des Energiestoffwechsels bei Ausdauerleistungen

1. Die anaerob-alaktazide Phase der Energiebereitstellung (rote und blaue Kurve) Zunächst zerfällt das das in den Mitochondrien vorhandene ATP. Das ATP zerfällt  bei der Muskelkontraktion in das Adenosindiphoshat (ADP) und einen Phosphatrest P. Der Körper muss dann dafür sorgen, dass neues ATP hergestellt wird. Die Energie eines weiteren Phospats in der der Muskelzelle, des Kreatinphoshats (KP),  sorgt kurzfristig dafür, dass aus ADP und P  wieder ATP entsteht (Resynthese von ATP). Man nennt dies die anaerob-alaktazide Phase der Energiebereitstellung (kein Sauerstoff erfoderlich, keine Milchsäure als Stoffwechselendprodukt).

2. Die anaerob-laktazide Energiebereitstellung (grüne Kurve) Noch bevor die Vorräte an energiereichen Phosphaten verbraucht sind, ist die nächstschnellere Variante des Energiestoffwechsels aktiv geworden, die anaerob-laktazide Energiebereitstellung durch den Abbau von Glukose. Bereits nach einigen Sekunden wird die anaerob-laktazide Energiebereitstellung genutzt. Dieser Weg wird immer dann bestritten, wenn nicht genug Sauerstoff zur Energiegewinnung zur Verfügung steht. Die benötigte Energie steht dabei schnell zur Verfügung, die Energieausbeute ist aber gering, da das Zuckermolokül nicht vollständigt zerlegt wird. Es entsteht Milchsäure (Laktat), die schnell zur Ermüdung führt, wenn sie sich verstärkt anhäuft. Die Ausbeute von 2 Molekülen ATP aus einem Molekül Glukose ist  gering; der anaerob-laktazide Stoffwechsel arbeitet also in Hinblick auf die Ausnutzung der Nahrungskohlenhydrate unökonomisch. Bei erschöpfenden Anstrengungen mit einer Belastungsdauer von etwa einer Minute wird der anaerob-laktazide Stoffwechsel ausgereizt; mit einem Anteil von maximal rund 70 %  an der Gesamtenergieproduktion wird ein Höhepunkt etwa 45 Sekunden nach Beginn der harten zusätzlichen körperlichen Belastung erreicht. Im Spitzenbereich werden bei Auslastung des anaerob-laktaziden Stoffwechsels Laktatkonzentrationen bis zu 25 mmol/liter im Blut gemessen; in dieser Hinsicht Untrainierte erreichen 7-8 mmol/l.

3. Der aerob-alaktazide Abbau von Glukose und Fett(säuren) (graue Kurve) Nur wenn genug Sauerstoff zur Verfügung steht, kann die Glucose vollständig abgebaut werden. Dieser Vorgang dauert aber deutlich länger, wie man der Grafik entnehmen kann. Die Energieausbeute ist aber deutlich größer (38 Moleküle ATP aus einem Zuckermolekül). Auf aeroben Weg können zudem auch die Fettsäuren abgebaut werden.

 

Überblick