Muskelphysiologie 1/2

1. Motorische Einheit

2. Elektromechanische Ankopplung

3. Kontraktion, Kraftentwicklung und Ermüdung

4. Relaxationsphase

5. Tetanisierende Kontraktion

1. Muskelanatomie

Was ist eine motorische Einheit?

→ Eine multipolare Nervenzelle im Vorderhorn des Rückenmarks mit all den von ihr innervierten Skelettmuskelfasern.

Eine kleine motorische Einheit regelt die Grobmotorik, eine große die Feinmotorik.

Was ist die elektromechanische Ankopplung?

→ Die Umwandlung von Erregung (chemisch; AP) in Kontraktion (mechanisch).

2. Ablauf einer Kontraktion

(hier vereinfacht geschrieben, inspiriert von diesem Video)

Eine Sache, die zum Verständnis hier wichtig ist, ist das Muskelzellen chemische Energie umwandeln in mechanische Energie (also Bewegung).

Ich spreche jetzt von quer gestreifter Muskulatur. Ein quer gestreifter Muskel ist ähnlich aufgebaut wie ein dickes Seil, bestehend aus vielen kleinen Fasern in Bündeln (Faszikel) usw, sh. Anatomie.

Eine Muskelzelle besteht aus Sarkomeren und diese wiederum aus Aktin- und Myosinfilamenten. Voneinander abgetrennt sind die Sarkomere durch die sogenannte "Z-Scheibe". Wenn ein Muskel kontrahiert werden also die Z-Scheiben angenähert. Soweit, so gut.

Wie genau kommt es nun zur Kontraktion? Wenn ein Muskel entspannt ist, berühren sich die Aktin- und Myosinfilamente eines Sarkomeres nicht. Sie (vor allem das Myosin!) "wollen" es aber (Ich nutze vermenschlichte Sprache hier fürs Verständnis, es gibt ja mehr als genug Quellen wo es streng auf biochemischer Ebene erklärt wird 😊).

Aktin wird allerdings von Troponin und Tropomyosin blockiert/ beschützt. Das liegt zwischen den Aktin- und Myosinfilamenten. Dh. die müssen da irgendwie weg bevor Myosin andocken kann.

Ihr erinnert euch vielleicht daran, dass man ATP (Adenosintriphosphat) auch als "Währung" bezeichnen kann, das gilt auch hier. ATP ist chemische Energie und wird hier gebraucht um in mechanische Energie umgewandelt zu werden. Neben Zellkernen haben Muskelzellen auch Mitochondrien und eine spezielle Form von Endoplasmatischen Retikuli, das Sarkoplasmatisches Retikulum. Diese haben Calcium Pumpen in den Zellwänden.

Wenn du deinen Arm bewegen möchtest, kommt ein Impuls vom ZNS, der bis zur motorischen Endplatte gesendet wird. Am Muskel wird dann Acetylcholin ausgeschüttet (ein bahnender Neurotransmitter!) und durch die Erregung strömt Natrium ein. Auch wenn wir hier schon im Muskel sind und nicht mehr im ZNS, geht es immer noch um ein Aktionspotential (AP). Es gelten also die Bedingungen der Erregungsphysiologie. Dieses AP wird über das (leitende) Sarkolemm weitergeleitet. Das Sarkolemm beherbergt auch das T-Tubulus-System, welches die Erregung in die Tiefe des Muskels leitet. Wenn die Erregung an der einzelnen Muskelzelle ankommt, wird Calcium ausgeschüttet.

Das bringt uns zurück zu Aktin, Myosin und dem Troponin-Tropomyosin-Komplex der im Weg steht (alles was im Sarkomer abläuft, bezeichnet man auch als “Elementare Kontraktion”). Troponin verbindet sich jetzt nämlich mit dem Calcium und verändert dadurch seine Form. Das führt dazu, dass auch Tropomyosin "aus dem Weg geräumt" wird. Wenn ein Myosinfilament jetzt in Kontakt mit ATP gekommen ist, kann es nun an ein Aktinfilament andocken. Wenn ATP in Kontakt mit Myosin kommt, spaltet sich ein Phosphat Teilchen ab und die freigelegte Energie führt dazu, dass das Myosinfilament sich "aufdehnt" und mit hoher Spannung an Aktin andockt (noch sind ADP und das Phosphat Teilchen am Myosin dran). Diese Energie wird dann freigesetzt und das Filament wird angenähert, bis die Z-Scheiben sich annähern. Um sich wieder vom Aktin zu lösen, muss Myosin erneut mit ATP in Kontakt kommen. Ab hier wiederholt sich das ganze, neues ATP führt zu einem erneuten Aufdehnen von Myosin und Annähern der Z-Scheiben. Wer es noch genauer wissen will, dem kann ich den Eintrag "Muskelphysiologie" von Lecturio empfehlen.

4. Die Relaxationsphase:

Wenn die Bewegung ausgeführt wurde, kommt kein Impuls mehr vom ZNS (bzw es wird gehemmt, zB mit GABA). Das heißt, es kommt keine Erregung/ kein AP am Sarkolemm an. Dementsprechend wird auch nichts zur Zelle geleitet.

Ohne die Ausschüttung von Calcium (das “alte” wird verstoffwechselt und aus dem Zytoplasma wieder rausgepumpt) kommt es auch nicht zur Ausschüttung von ATP.

Ohne ATP kann es nicht zur Brückenbindung kommen, dh. das Sarkomer geht in seine Ruhestellung zurück.

5. Tetanisierende Kontraktion

Das Gegenteil der tetanisierenden Kontraktion ist der Ruhetonus, oder auch: das Minimum an elementarer Kontraktion. Diese Ruhespannung läuft unwillkürlich und existiert sogar beim Schlafen. Wir kennen das aus der Neuro als "Posturale Kontrolle", dh. auch die Equilibriums-, Stell- und Stützreaktion. Ein Tetanus ist demnach ein Maximum an elementarer Kontraktion. Nur Skelettmuskel ist tetanisierbar, Herzmuskulatur nicht (aufgrund der langen Refraktärzeit). Unter maximaler Muskelarbeit verstehen wir willkürliche maximale Anspannung (ohne autonom geschützte Reserven wie bei einer lebensbedrohlichen Situation). Auf physiologischer Ebene handelt es sich hier um eine Dauerdepolarisation. Bei sehr hohen AP-Frequenzen kann der Muskel nicht mehr relaxieren. Der Begriff "Fusionsfrequenz" oder "Verschmelzungsfrequenz" bezeichnet die niedrigste Frequenz, die einen Tetanus auslöst bzw. am Übergang zwischen unvollständigem und vollständigem Tetanus.