Die Muskelfaser. Aufbau, Funktion und Herstellung eines Modells

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Theoretischer Teil
2.1 Der Aufbau der Muskelfaser
2.1.1 Die Muskeltypen
2.1.2 Allgemeines
2.1.3 Die Muskelfasertypen
2.1.4 Bestandteile der Skelettmuskelfaser
2.2 Die Funktionsweise der Muskelfaser
2.2.1 Die Aufgaben der Bestandteile
2.2.2 Energieumsetzung und Muskelkontraktion

3 Praktischer Teil
3.1 Modellbeschreibung
3.2 Von der Idee zum Modell
3.2.1 Der Modellbau
3.2.2 Probleme und Lösungen

4 Zusammenfassung

5 Abkürzungsverzeichnis

6 Quellenverzeichnis
6.1 Literatur
6.2 Abbildungen

7 Anhänge
7.1 Wörterbuch
7.2 Grafiken
7.3 Bilder vom Modellbau

1 Einleitung

Jeder Tag unseres Lebens ähnelt in einer Hinsicht jedem anderen: Wir stehen, gehen, greifen oder tragen Objekte - wir bewegen uns. Aber wie ist das alles überhaupt möglich? Was geschieht eigentlich in uns und welche Vorgänge laufen für die kleinste Muskelbewegung tatsächlich ab?

Der menschliche Körper ist ein so komplexer Organismus, dass es nie möglich sein wird, die Einheit aller in ihm ablaufenden Mechanismen zu verstehen. Es ist wahrlich eine unlösbare Aufgabe, jeden einzelnen Prozess in diesem Objekt zu erfassen. Der Aufbau und die Funktion des Menschen ist so faszinierend, dass es niemals uninteressant werden kann, ihn zu begreifen.

Vermutlich weckte auch dieser Fakt das Interesse in mir, mehr über mich selbst zu erfahren. Die Muskulatur des Menschen ist viel zu kompliziert, um sie in wenigen Worten zu beschreiben. Man muss auf einzelne Strukturen und Prozesse nach und nach eingehen, um ihn Schritt für Schritt besser zu verstehen. Aus diesem Grund beschränkt sich diese Arbeit auf einen kleineren Teil in der Skelettmuskulatur, die Muskelfaser.

2 Theoretischer Teil

2.1 Der Aufbau der Muskelfaser

2.1.1 Die Muskeltypen

Jeder Muskel arbeitet anders und so gilt: Muskel ist nicht gleich Muskel. Zunächst ist zu erwähnen, dass man zwischen der glatten, der quergestreiften und der Herzmuskulatur unterscheidet.

Die voluminöseste Einheit der Muskulatur übernimmt die quergestreifte Muskulatur, auch Skelettmuskulatur genannt. Zu ihr gehören größtenteils die erkennbaren Muskelgruppen, wie bspw. die Waden-, Oberschenkel-, Bauch-, Arm-, Nacken- oder Rückenmuskulatur. Sie „sind die willkürlich steuerbaren Teile der Muskulatur und gewährleisten die Beweglichkeit des Tieres“^[1] bzw. des Menschen. Es handelt sich somit um die Muskeln, über deren Kontraktion (vgl. WbE. 1) das Säugetier selbst entscheiden kann.

Der glatten Muskulatur sind dagegen die Muskeln zuzuordnen, welche willkürlich kontrahieren und als nicht steuerbar gelten. Zu ihr gehören vor allem Muskeln, die für Vorgänge im Inneren unseres Körpers zuständig sind, wie z. B. die Darm- oder Magenmuskulatur.

Der Herzmuskel bildet, obwohl er ebenfalls in die quergestreifte Muskulatur einzuordnen ist, einen individuellen Muskeltypen, weil er sich von beiden genannten Arten unterscheidet. Er kontrahiert in einem stets ähnlichen Rhythmus und ist damit nicht willkürlich steuerbar. Ein Muskelkrampf ist nicht möglich.

In dieser Arbeit werden ausschließlich Muskelfasern der Skelettmuskulatur betrachtet.

2.1.2 Allgemeines

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Grober Aufbau eines Muskels

Ein Skelettmuskel besteht, wie Abb. 1 in vereinfachter Weise zeigt, aus mehreren Muskelfaserbündeln. Um den gesamten Muskelstrang, das heißt die Muskelfaserbündel und die dazwischen verlaufenden Nervenfasern, Arterien und sonstigen Blutgefäße, zusammenzuhalten, wird er von einer Muskelhaut, der sog. Fascie, welche aus Bindegewebe besteht, umgeben. Die individuellen Muskelfaserbündel umschließen jeweils bis zu zwölf einzelne Muskelfasern und werden durch verschiedene Schichten (vgl. WbE. 2) miteinander verbunden. Das kleinste in der oberen Abbildung mit bloßem Auge erkennbare Element zeigt die Einheit im Skelettmuskel, welche in den folgenden Kapiteln analysiert wird, die Muskelfaser.

Sie stellt ein zylindrisches Gebilde dar, das in der Regel den gesamten Muskel durchzieht und somit 0,1 bis maximal 30 cm lang ist. Sie besitzt einen Durchmesser von 10-100 µm und kann in viele weitere Untereinheiten und Bestandteile, wie bspw. das Sarkoplasma, zerlegt werden (vgl. Kapitel 2.1.4).^{[2] [3]}

2.1.3 Die Muskelfasertypen

Von Muskel zu Muskel gibt es Unterschiede in^{[4] [5] [6]} der Anzahl an enthaltenen Muskelfasern, in der Länge und Größe dieser, deren Zusammenspiel, Blut- und Sauerstoffzufuhr und vielem mehr. Eine wichtige Rolle im Bezug auf die Maximalkraft und die Ausdauer eines Muskels spielt die Verteilung der Muskelfasern in ihm.

Man unterscheidet grundsätzlich zwischen zwei Typen von Muskelfasern, wobei in Skelettmuskeln immer beide Arten vorhanden sind und nur das prozentuale Verhältnis zueinander unterscheidet, an welche Situationen der jeweilige Muskel besser angepasst ist:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Vergleich Muskelfasertypen

- Typ-I-Muskelfasern, auch „rote“ oder ST-Fasern (slow-twitch) genannt, kontrahieren langsamer, sind durchschnittlich dünner als andere Fasern und sind auf Dauerbelastungen ausgelegt. Sie verfügen über viele Mitochondrien (vgl. WbE. 3), wodurch eine hohe Ermüdungsresistenz und damit ein großes Ausdauerpotential entsteht. Zur optimalen Versorgung der Mitochondrien trägt der relativ hohe Myoglobingehalt (vgl. WbE. 4) und eine ebenfalls hohe Dichte der Blutkapillaren (→ Energieversorgung) bei. Die gewonnene Energie kann bei zyklischen Bewegungen, wie dem Laufen oder Radfahren, aufgrund guter Durchblutung sofort genutzt werden. Der größte Anteil der Typ-I-Muskelfasern befindet sich daher in ständig beanspruchten Muskelgruppen, wie z. B. den Beinen, dem Rücken oder dem Bauch, d.h. der Haltemuskulatur.

- Typ-II-Muskelfasern, auch FT -Fasern (fast-twitch) genannt, kennzeichnen sich durch eine dickere Struktur und schnelleres Kontrahieren. Sie lassen sich in drei Subkategorien unterteilen:

- Die Typ-IIx-Muskelfaser (früher auch IIb-Fasern genannt) entspricht der „typischen“ FT-Faser. Aufgrund des geringeren Myoglobingehalts erscheint sie heller und wird daher auch „weiße“ Muskelfaser genannt. Während die Fasern des Typs I ausdauernd arbeiten, sind diese Fasern auf schnelle Bewegungen mit hoher potentieller Kraftentwicklung ausgelegt ( → Schnellkraft).
- Die Typ-IIa-Muskelfaser ist eine Art Übergangsfaser zwischen dem Typ I und IIx. Ihre Eigenschaften schwanken zwischen denen dieser beiden.
- Die Typ-IIc-Muskelfaser bildet einen „unpräzisen“ Fasertypen, der die Fähigkeit besitzt, seine Eigenschaften zu ändern. Er kann die Form der Typ-I- und der Typ-IIx-Faser annehmen und wird daher auch als Intermediärtyp bezeichnet.

Die Majorität der Typ-II-Muskelfasern liegt in den meist nur kurzfristig beanspruchten Muskeln, wie dem Oberarm, der Schulter oder der Brust, sprich der Bewegungsmuskulatur.

GA. 1 zeigt eine weitere Tabelle, die die Faserarten hinsichtlich der Kontraktionsgeschwindigkeit, der Ermüdbarkeit, dem Blutfluss und einigen spezifischeren Informationen vergleicht. Ihr lässt sich u. a. entnehmen, dass die Typ-IIb-Faser nur bei Nagetieren vorkommt.

Dennoch gilt: Jeder Skelettmuskel enthält jeden Muskelfasertypen. So besteht die Armmuskulatur zwar zu einem größeren Anteil aus den kräftigen Typ-II-Muskelfasern als aus den ausdauernden Typ-I-Fasern, doch trotzdem können wir einen etwas leichteren Gegenstand über längere Zeit halten oder tragen. Umgekehrt gilt dies u. a. auch für unsere Beine.

Jeder genannte Muskelfasertyp besteht aus den gleichen Bestandteilen, der Unterschied liegt lediglich in der Verteilung dieser.

2.1.4 Bestandteile der Skelettmuskelfaser

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Querschnitt einer Skelettmuskelfaser ^{[7] [8]}

Aufgrund dessen, dass die Muskelfaser viele Zellkerne enthält, wird sie auch Muskelzelle genannt. Die für die Steuerung der Muskelzelle verantwortlichen Zellkerne (bis zu 100 Stück) befinden sich direkt unter der „Haut“ der Muskelfaser, dem Sarkolemm . Rundum dem Sarkoplasma (vgl. WbE. 5), einer proteinhaltigen Flüssigkeit im Inneren der Muskelzelle, lagern sich folgende Komponenten an ^[9] :

- Die Muskelfibrillen bzw. Myofibrillen sind in ihrer Gesamtheit der größte Bestandteil der Muskelfaser. „Mehrere[n] 100 bis mehrere[n] 1000“ ^[10] ordnen sich mit einem Durchmesser von jeweils etwa 1 µm in Längsrichtung der Muskelzelle parallel zueinander an. ^[11] Eine Myofibrille setzt sich aus einigen aneinandergereihten Sarkomeren zusammen, welche durch sog. Z-Streifen verbunden werden und jeweils eine Länge von „etwa 1,5 µm“ ^[12] aufweisen. GA. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Sarkomers, wobei die dickeren schwarzen Balken die Z-Streifen repräsentieren. Es „besteht aus etwa 2000 dünnen Aktinfilamenten und an die tausend dicken [...] Myosinfilamenten“ ^[13] , welche ineinander verschachtelt sind.
- Das L-System bzw. Sarkoplasmatisches Retikulum ist das glatte endoplasmatische Retikulum der Muskelzelle, ein Gefüge aus kleinen Röhrchen, den longitudinalen Tubuli ( L-Tubuli ), das jede einzelne Muskelfibrille umschließt.
- Das T-System ist die Einheit der transversalen Tubuli ( T-Tubuli ), liegt quer zur Längsachse der Muskelfaser und trennt die L-Systeme voneinander. „ Die T-Tubuli erreichen die Myofibrillen im Bereich der Z-Streifen “ ^[14] , was bedeutet, dass ein L-System genau die Länge eines Sarkomers besitzt (vgl. GA. 3 zur grafischen Anschaulichkeit).

Die Einstülpungen des Sarkolemms sind kleine Öffnungen in der Fibrillenhaut, durch die die Röhrchen des T-Systems verlaufen, um alle Muskelfasern zu verbinden. Diese Verbindung ist wichtig, um alle Muskelfibrillen und letztendlich auch Muskelfasern gleichzuschalten und so eine synchrone Kontraktion aller kontraktiler Einheiten, d.h. des gesamten Muskelstrangs, zu ermöglichen.

- Die terminalen Zisternen bilden die Enden der L-Systeme und trennen sie vom T-System, sodass keine direkte Verbindung besteht.
- Die Mitochondrien , Myoglobin , Glykogen und einige weitere, besonders kleine Zellorganellen und Stoffe.

GA. 4 bildet den allgemeinen Aufbau der Skelettmuskelfaser anschaulich ab. Fibrillen, Sarkolemm, Mitochondrien und die beiden genannten Systeme werden hier dargestellt.

Die Funktionen der aufgeführten Bestandteile werden in folgenden Kapitel genauer untersucht.

2.2 Die Funktionsweise der Muskelfaser

2.2.1 Die Aufgaben der Bestandteile

- Die Muskelfibrillen sind die kontraktilen Einheiten der Faser. Sie werden durch die genannten Stoffe und Systeme versorgt und gesteuert.
- Gibt eine Nervenfaser eine elektrische Erregung an das T-System ab, so leitet dieses den jeweiligen Impuls an die longitudinalen Tubuli (L-Systeme) weiter.
- In den terminalen Zisternen der L-Systeme befindet sich im entspannten Zustand eine hohe Konzentration an Calcium-Ionen (Ca2+). Die longitudinalen Tubuli ermöglichen das Freiwerden dieser. In Kapitel 2.2.2 werden das L-System und die terminalen Zisternen explizit behandelt.
- Die Mitochondrien (vgl. WbE. 3) befinden sich zwischen den einzelnen Myofibrillen und sind für die Gewinnung des Energieträgers ATP zuständig. ATP wird im nächsten Kapitel betrachtet.
- Myoglobin (vgl. WbE. 4) versorgt die Zelle mit Sauerstoff. Abb. 2 lässt erkennen, dass sich der Myoglobingehalt proportional zur Durchblutung verhält. Je mehr Myoglobin vorhanden ist, desto besser wird die Muskelfaser durchblutet.
- Glykogen (vgl. WbE. 6) speichert Energie und stellt diese der Zelle bereit.

2.2.2 Energieumsetzung und Muskelkontraktion

Die grundsätzliche Aufgabe der Muskelfaser ^{[15] [16]}ist es, c hemische in mechanische Energie umzuwandeln, um die Kontraktion zu ermöglichen . Als Voraussetzung dafür steht die primäre Energiequelle Adenosintriphosphat (ATP), ein besonders energiereiches Molekül, das in den Mitochondrien (vgl. WbE. 3) synthetisiert wird, bereit.

Zunächst erfolgt die elektrische Erregung der Muskelzelle, ein äußerst komplizierter „Prozeß [sic!], den man als elektromechanische Kopplung bezeichnet“ [Hervorh. d. d. Verf.] ^[17] . Er ist

[...]

^[1] Wikimedia Foundation Inc., 2013, Histologie

^[2] vgl. Marées/Mester, 1991, S. 47

^[3] vgl. Laube, 2009, S. 86

^[4] vgl. Weineck, 2009, S. 62-65

^[5] vgl. Behringer, 2013

^[6] vgl. Dober, 2013

^[7] vgl. DocCheck Medical Services GmbH (Hrsg.), 2013, Aufbau

^[8] vgl. Tripp, 2013

^[9] vgl. Marées/Mester, 1991, S. 47

^[10] Weineck, 2009, S. 42

^[11] vgl. Eichmann, 1998

^[12] Weineck, 2009, S. 42

^[13] Eichmann, 1998, Aufbau der Skelettmuskulatur

^[14] Laube, 2009, S. 86

^[15] vgl. Marées/Mester, 1991, S. 54-59

^[16] vgl. Laube, 2009, S. 88

^[17] Eichmann, 1998