Physiologie

Der folgende Text besteht aus zusammengefassten Aussschnitten des Arbeitsbuchs für den Diplomkurs Sportmassage der TRISANA Massagefachschule (» www.trisana.ch). Detailliertere Ausführungen und Bilder sind im Arbeitsbuch nachzulesen.

1. Die Kontraktion des Skelettmuskels

Damit sich ein Skelettmuskel kontrahiert, muss er von einer Nervenzelle (Neuron) einen Reiz erhalten. Dieser besondere Typ von Nervenzelle heisst Motoneuron.

Die motorische Einheit

Eine motorische Einheit wird aus einem Motoneuron und der von ihm innervierten Gruppe von Muskelfasern gebildet. Ein einzelnes motorisches Neuron versorgt also viel Muskelfasern. Bei Muskeln, die einer äusserst präzisen Steuerung bedürfen, z.B. den Augenmuskeln, nilden weniger als zehn Muskelfasern eine motorische Einheit. In anderen Muskeln sind bis zu 2000 Muskloefasern in einer motorischen Einheit zusammengefasst.

Alles-oder-Nichts-Regel

Nach der sogenannten Alles-oder-Nichts-Regel kontrahiert sich jede Muskelfaser einer motorischen Einheit maximal, sobald ein ausreichend starker Reiz die motorische Endplatte erreicht. Es gibt also keine halb Kontraktion einer motorischen Einheit. Es kommt jedoch in der Regel nicht zur Kontraktion aller motorischen Einheiten eines Muskels, da - von Krampfanfällen einmal abgesehen - das ZNS (Zentralnervensystem) immer nur einen Teil der motorischen Einheiten eines Muskels zur selben Zeit reizt. In der nächsten Zehntelssekunde aktiviert das ZNS die nächste motorische Einheit, so dass die zuerst gereizte sich wieder erholen kann. Die abwechselnde Aktivierung von jeweils nur einem Teil der motorischen Einheiten eines Skelettmuskels verhindert, dass der Muskel frühzeitig ermüdet. Nur so sind Dauerleistungen wie langes Stehen und Tragen von Lasten möglich.

Die Alles-oder-Nichts-Regel bedeutet aber nicht, dass sich Muskeln nicht in verschiedenem Ausmass kontrahieren können: Da sich der Muskel aus vielen Hundert motorischen Einheiten zusammensetzt, wird eine abgestufte Zusammenziehung erreicht, indem sich einmal zehn, ein andermal vielleicht zwanzig und bei maximaler Anstrengung hundert motorische Einheiten gleichzeitig kontrahieren.

Muskeltonus

Unter normalen Bedingungen sind immer einige Muskelfasern eines Muskels kontrahiert, während andere entspannt sind. Durch diese Kontraktionen wird der Muskel zwar angespannt, jedoch nicht genügend, um eine Bewegung zu erzeugen. Diese Teilanspannung des Muskels erzeugt den Muskeltonus (Muskelgrundtonus), der unter anderem die aufrechte Haltung des Körpers ermöglicht. Zum Beispiel verhindert so die Nackenmuskulatur, dass der Kopf beim Sitzen vornüberkippt, sie zieht den Kopf aber auch nicht hinten.

Isotonische und Isometrische Kontraktionen

Nach aussen hin kann eine muskuläre Kontraktion zwei Effekte haben:

* Bei einer isotonischen Kontraktion verkürzt sich der Muskel und erzeugt somit eine Bewegung. Der Muskeltonus verändert sich dabei nur wenig. Beispiele sind die Kontrakionen der Beinmuskulatur beim Gehen.
* Bei einer isometrischen Kontraktion wird der Muskel fixiert (z.B durch Antagonisten) und kann sich nicht oder nur minimal verkürzen, die Muskelspannung steigt dabei erheblich an. Obwohl hier keine Bewegung erzeugt wird, wird trotzdem Energie verbraucht. Beispiele sind das Fingerhakeln a

2. Die Energielieferanten des Muskels

Was ist ATP (Adenosintriphosphat)?

Eine Zelle kann nur leben oder überleben, wenn genügend ATP in der Zelle vorhanden ist. Leben ist an die Anwesenheit von Energie und damit von ATP gebunden - man findet es deshalb nicht nur in den menschlichen Zellen, sondern in allen Organismen der Erde.

Hauptaufgabe des ATP ist es Energie zwischenzuspeichern und im Bedarfsfall wieder abzugeben: Das ATP hat also gewissermassen die Funktion eines "Akkus" der Zelle. ATP besteht aus der Stickstoffhaltigen Base Adenin, dem Zuckermolekül Ribose und drei Phosphatgruppen. Die Bindungen zwischen den Phosphatgruppen sind sehr energiereich: Wird die dritte Phosphatgruppe unter Mithilfe von Wasser abgespalten, so wird Energie verfügbar, welche von der Zelle für Energieverbrauchende Vorgänge verwendet wird. Anschliessend muss das entstehende Adenindiphosphat (ADP) wieder regeneriert werden, wozu Energie verbraucht wird. Diese Energie stammt von der "Verbrennung" energiereicher Nährstoffmoleküle (vor allem aus Glukose und Fettsäuren) unter Verbrauch von Sauerstoff in der Zelle.

3. Die Energiegewinnung

Obwohl ATP als unentbehrlicher Energielieferant für Muskelkontraktionen vorhanden ist, enthalten die meisten Muskelfasern nur für 5 bis 6 Sekunden Daueraktivität genügend ATP. Sodann greift die Skelettmuskelfaser auf das Energiereiche Kreainphosphat zurück. Mit Hilfe der Spaltung von Kreatinphosphat können die ATP-Speicher rasch wieder gefüllt werden. Damit hat der Muskel für maximale Arbeitsbelastung Energie für ca. 15 Sekunden. Dauert die Muskelarbeit länger an, so erschöpft sich auch der Kreatinphosphatvorrat, und es muss Glukose (Traubenzucker) als Energieträger verstoffwechselt werden. Im Skelettmuskel wird Glukose in seiner Speicherform Gykogen gelagert. Bei Bedarf kann dieses Glykogen durch die Glykogenolyse zu Glukose gespalten werden, die dann als Energielieferant zur Verfügung steht. Die Glukose kann jedoch nicht direkt für die Regeneration des ATP herangezogen werden. Zuvor muss sie weiter zerlegt werden im sogenannten Zitronensäurezyklus:

Aerobe Energiegewinnung

Bei ausreichenden Sauerstoffverhältnissen (abhängig von der Intensität der Muskeltätigkeit und der Durchblutung) erfolgt dieser Abbau durch Verbrennung, wobei diese für den Muskel rückstandfrei erfolgt. Es entstehen nur Kohlendioxid und Wasser, welches abgeatmet wird oder für andere physiologische Prozesse brauchbar ist. Diesen Vorgang nennt man aerobe Energiegewinnung, da für seinen Ablauf Sauerstoff in ausreichender Menge vorhanden sein muss. Man spricht hier von Glykolyse (Zuckerzerlegung) und Lipolyse ("Verbrennung" von Fettsäuren).

Die Fettsäuren werden an einer bestimmten Stelle in den Kohlenhydratstoffwechsel eingeschleust und mit den Kohlenhydraten zusammen "verbrannt". Der Nachteil der Fettverbennung ist, dass sie hauptsächlich bei relativ geringen Belastungsintensitäten zur Verfügung steht, da sehr viel Sauerstoff benötigt wird. Die gespeicherte Energiemenge ist bei Fetten allerdings doppelt so hoch wie bei Kohlenhydraten. Deshalb spielt der Fettstoffwechsel bei langen Ausdauerbelastungen wie z.B. Mountain Bike- oder Laufmarathons eine grosse Rolle. Durch die Verwendung von Fetten bei der Energiegewinnung kann eine Ausdauerleistung viel länger aufrecht erhalten, als wenn nur Glukose verwendet werden würden. Ausserdem können die Glukosevorräte geschont werden, um z.B. bei Sprints eine hohe Leistung zu erbringen.

Anaerobe Energiegewinnung

Steht nicht ausreichend Sauerstoff pro Zeiteinheit zur Verfügung, weil die Intensität der Muskelarbeit so gross ist, dass die Durchblutung nicht mehr mithalten kann (Gewichtheben, Sprint), kann der Muskel auch ohne Verwendung von Sauerstoff aus Kohlenhydraten und Fetten Energie gewinnen. Diesen Vorgang nennt man anaerobe Glykolyse (Zuckerzerlegung). Dabei entstehen jedoch aus dem gleichen Zuckermolekül (Glukose) nur 5% (=2 ATP) von der Energiemenge, die bei der aeroben Glykolyse gewonnen wird (36 ATP). Somit ist diese Form der Energiegewinnung unwirtschaftlich. Ausserdem entsteht bei der Zerlegung des Zuckers Milchsäure (Laktat), die den Muskel bei entsprechender Anhäufung zur Aufgabe der Muskelarbeit zwingt.

4. Organfunktion bei körperlicher Arbeit

Bei schwerer Muskelarbeit muss bis zu 5000 mal mehr Sauerstoff zur Muskulatur transportiert werden als in körperlicher Ruhe. Gleichzeitig muss auch für den Abtransport der vermehrt anfallenden Stoffwechselprodukte Kohlendioxid und Laktat gesorgt werden. Beides erfordert eine verstärkte Organdurchblutung der Muskulatur sowie entsprechende Anpassungsmechanismen im Herz-Kreislaufsystem und der Atmung.

Weitstellung der Gefässe

Die stark vermehrte Durchblutung der Muskulatur wird durch eine Weitstellung der Muskelgefässe erreicht. Auslöser für diese Weitstellung sind die kleinsten Blutgefässe (Arteriolen und Kapillaren) und zurückfliessenden Stoffwechselprodukte, die in den ersten Minuten körperlicher Arbeit anfallen.

Steigerung der Herzarbeit

Durch den enormen Blutbedarf der Muskulatur muss die Herzarbeit um ein vielfaches ansteigen. Erreicht wird dies sowohl durch eine erhöhte Herzfrequenz, die von 70 Schlägen in Ruhe bis zu etwa 180 Schlägen pro Minute ansteigen kann, als auch durch eine ca. 50%ige Steigerung des Herzschlagvolumens. Dadurch pumpt das Herz statt des Ruhewertes von 5 Litern pro Minute beim Untrainierten bis zu 20 Liter und beim Ausdauersportler bis zu 32 Liter Blut pro Minute in den Körperkreislauf.

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