Muskulatur
Aufbau eines Muskels
- Makroskopische Anatomie
- Muskel (Musculus): Der Muskel selbst besteht aus vielen Muskelfaserbündeln und ist das Organ, das die mechanische Arbeit durch Kontraktion leistet. Es gibt verschiedene Arten von Muskeln, darunter Skelettmuskeln (verantwortlich für willkürliche Bewegungen), glatte Muskeln (in den Wänden von Hohlorganen und Gefäßen) und Herzmuskeln (exklusiv im Herzen).
- Muskelfaszie (Fascia): Die Faszie ist eine zähe Bindegewebsschicht, die den Muskel umgibt. Sie dient dazu, den Muskel zu stützen, zu schützen und ihn von angrenzenden Muskeln und Geweben zu trennen. Sie trägt auch zur Formgebung des Muskels bei und spielt eine wichtige Rolle bei der Kraftübertragung vom Muskel auf die Sehnen und letztlich auf die Knochen.
Abb. 1: Aufbau des Muskels - Muskelbündel (Fasciculus)
- Perimysium: Das Perimysium ist eine Bindegewebsschicht, die jedes Muskelbündel umgibt und strukturelle Unterstützung bietet. Sie enthält Blutgefäße und Nerven, die die Muskelfasern versorgen. Das Perimysium trägt auch zur Verteilung der Spannung innerhalb des Muskels bei und erleichtert die Koordination der Muskelaktivität.
- Muskelbündel: Jedes Muskelbündel enthält viele Muskelfasern und ist ein wesentlicher Teil der makroskopischen Struktur des Muskels.
- Muskelfaser (Muskelzelle, Myozyt)
- Endomysium: Das Endomysium umgibt jede einzelne Muskelfaser. Diese dünne Schicht aus lockerem Bindegewebe enthält Kapillaren und Nervenfasern, die die Muskelfasern versorgen. Es spielt auch eine Rolle bei der Unterstützung und Verbindung der Muskelfasern untereinander.
- Sarkolemm: Das Sarkolemm ist die Zellmembran der Muskelfaser. Es enthält spezialisierte Rezeptoren und Ionenkanäle, die für die Muskelkontraktion essentiell sind. Es überträgt die elektrischen Signale (Aktionspotentiale) von den Nervenzellen auf die Muskelfasern und initiiert die Kontraktion.
- Sarkoplasma: Das Sarkoplasma ist das Zytoplasma der Muskelfaser und enthält Myofibrillen, Mitochondrien, und andere Organellen. Es speichert Glykogen und Myoglobin, die für die Energieversorgung der Muskelkontraktion wichtig sind.
- Myofibrillen: Fadenförmige Strukturen innerhalb der Muskelfasern, die aus den Proteinen Aktin und Myosin bestehen und für die Muskelkontraktion verantwortlich sind.
- Myofibrillen und Sarkomere
- Myofibrillen: Myofibrillen bestehen aus sich wiederholenden Einheiten von Sarkomeren und enthalten die kontraktilen Proteine Aktin (dünne Filamente) und Myosin (dicke Filamente). Diese Filamente gleiten während der Muskelkontraktion aneinander vorbei, was zur Verkürzung des Muskels führt.
- Sarkomere: Die kleinste funktionelle Einheit der Myofibrille und damit des Muskels. Sarkomere werden durch Z-Scheiben voneinander getrennt.
- Z-Scheiben: Diese Scheiben markieren die Enden eines Sarkomers und verankern die dünnen Filamente (Aktin).
- Aktinfilamente: Dünne Filamente, die an den Z-Scheiben befestigt sind und von Myosinfilamenten gezogen werden, um die Muskelkontraktion zu ermöglichen.
- Myosinfilamente: Dicke Filamente, die Kopfstrukturen besitzen, welche sich an die Aktinfilamente binden und sie während der Kontraktion ziehen.
Muskelkontraktion
Muskelkontraktion ist ein zentraler biologischer Prozess, der Bewegung ermöglicht. Sie findet in den Skelettmuskeln statt, die aus vielen Muskelfasern bestehen. Jede Muskelfaser enthält Myofibrillen, die in kleinere Einheiten namens Sarkomere unterteilt sind. Diese bestehen aus dünnen Aktin- und dicken Myosinfilamenten.
Der Gleitfilamentmechanismus beschreibt, wie Muskelkontraktion funktioniert: Ein Nervenimpuls führt zur Freisetzung von Calziumionen (Ca2+), die an das Protein Troponin binden. Dies verschiebt das Tropomyosin und legt die Myosin-Bindungsstellen am Aktin frei. Myosin bindet an Aktin, zieht es in Richtung des Sarkomerzentrums und verkürzt dadurch den Muskel. Dieser Vorgang, der als Kraftschlag bezeichnet wird, erfordert die Hydrolyse von ATP. Anschließend bindet neues ATP an den Myosinkopf, löst ihn von Aktin und versetzt ihn in die Ausgangsposition für den nächsten Zyklus.
ATP wird durch verschiedene Stoffwechselwege regeneriert: Das Kreatinphosphat-System, anaerobe Glykolyse und aerobe Zellatmung. Muskelermüdung tritt auf, wenn die Fähigkeit des Muskels, Kraft zu erzeugen, nachlässt, oft bedingt durch die Ansammlung von Metaboliten, Erschöpfung der Energiereserven oder Ionenungleichgewichte. Es gibt verschiedene Arten von Muskelkontraktionen: isotonisch (Verkürzung bei konstanter Last), isometrisch (Spannung ohne Längenänderung) und exzentrisch (Verlängerung unter Belastung).
Abb. 2: Vereinfachte Darstellung des Mechanismus der Muskelkontraktion