Muskeln und Stoffwechselprozesse

Muskeln, Bewegung, Sport und Stoffwechsel

Einleitung

Alle lebenden Organismen, wie Pflanzen, Tiere und Mensch, benötigen Energie. Diese gewinnen sie durch die Aufnahme von Nährstoffen und deren Verarbeitung in verschiedenen Stoffwechselprozessen in den Zellen ihres Organismus.

Die Verteilung der Nährstoffe und des Sauerstoffes im ganzen Organismus sind daher wichtige Grundvoraussetzungen für einen funktionierenden Energiehaushalt und die Funktion der Muskeln.

Einzelthemen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Auswahlliteratur:

- Ingrid Walter : NATURA Biologie für Gymnasien Band 3 , Ernst Klett Verlag , Stuttgart (1995).
- Adolf Faller : Der Körper des Menschen , Georg Thieme Verlag , Stuttgart (1974).
- Bertelsmann Neues Lexikon in 10 Bänden , Band 6, S.491 f , Bertelsmann GmbH, Gütersloh (1996)
- InterComputer & MSPI GmbH: PC Mensch, (1991).

Muskeln (allgemein)

Im menschlichen Körper unterscheidet man den passiven Bewegungsapparat, der aus Knochen und Knochenverbindungen besteht, und den aktiven Bewegungsapparat. Der aktive Bewegungsapparat wird von der quergestreiften Muskulatur (Skelettmuskulatur) gebildet. Muskeln bestehen aus Muskelbündeln, die von fleischigem Bindegewebe umgeben sind.

Die Bauelemente eines Muskels sind einkernige, spindelförmige Muskelzellen (0,02 - 0,8 mm lang) und mehrkernige, mehrere cm lange Muskelfasern. Beide enthalten im Plasma kontraktile Myofibrillen.

“Rotes” Muskelfleisch ist fibrillenarm und erhält seine Farbe vom sauerstoffbindenden Myoglobin. “Weißes” Muskelfleisch ist besonders fibrillenreich. Je nach Feinstruktur der Fibrillen unterscheidet man glatte und quergestreifte Muskeln. Glatte Muskeln kontrahieren sich langsam und können die Kontraktion ohne erheblichen Energieverbrauch aufrechterhalten, während quergestreifte Muskeln sich schnell kontrahieren und schnell wieder erschlaffen.

Den Muskeln kommt die Aufgabe zu, Skeletteile zu bewegen oder in einer bestimmten Stellung zu halten. Das ist aber nicht die einzige Funktion der Muskulatur. Sehr wesentlich sind ihre Haltefunktion, Atmung, Schluck- bewegungen, Mienenspiel (Mimik) sowie ihre Kreislauffunktion. Außerdem schützen die Skelettmuskeln die inneren Organe.

Die Muskelmasse unseres Körpers besteht aus etwa 600 verschiedenen Muskeln. Ihr Gewicht beträgt ca.1 /3 des Körpergewichts.

Muskeltypen

- Muskeln lassen sich in verschiedene Hauptmuskelgruppen einteilen :
- Spindelförmiger Muskel
- Federförmiger Muskel
- Zweifederförmiger Muskel
- Mehrköpfige Muskeln
- Mehrbauchige Muskeln
- Schließmuskel (Sphynkter)
- lange Muskeln ( M. der Gliedmaßen)
- breite Muskeln (Rumpfmuskulatur)
- Muskeln des Rumpfes (breite Muskeln):
- Brustmuskeln
- Rückenmuskeln
- Bauchmuskeln

- Muskeln der oberen Extremitäten (Lange Muskeln) :

- Kapuzenmuskel (Schulter)
- Oberarmmuskulatur
- Unterarmmuskulatur
- Handmuskulatur

- Muskulatur der unteren Extremitäten (lange Muskeln) :

- Gesäßmuskel
- Oberschenkelmuskulatur
- Unterschenkelmuskulatur
- Fußmuskulatur

- Hals- und Kopfmuskeln (lange, breite, Schließmuskeln) :

- Kaumuskeln
- Gesichtsmuskeln
- Kopfnicker (muskel)

- Die Skelettmuskulatur läßt sich auch noch in zwei physiologische Gruppen unterteilen. Die sogenannten phasischen Muskeln neigen bei Passivität zur Abschwächung, während die tonischen Muskeln zur Verkürzung neigen.

Zur Gruppe der phasischen Muskeln zählen:

- Bauchmuskeln - innerer Oberschenkelstreckmuskel
- Gesäßmuskeln - oberer Rückenstrecker

Zur Gruppe der tonischen Muskeln gehören:

- Brustmuskulatur - Adduktoren der Hüfte
- Nackenmuskulatur - Wadenmuskulatur
- unterer Rückenstrecker - Unterarmbeuger
- Hüftbeuger

Beim Sport sollte man darauf achten, daß phasische Muskeln eher gekräftigt, und tonische Muskeln eher gedehnt werden, um ein muskuläres Gleichgewicht zu erreichen.

Sport und ATP

Bei sportlichen Leistungen, wie z.B. Langstreckenlauf, werden unsere Muskeln über längere Zeit stark belastet. Da sie ihre Energie aber aus dem ATP in den Zellen ziehen, und dieses nur in geringen Mengen vorhanden ist, muß unser Körper es schnell nachproduzieren. Dies tut er über drei nacheinanderfolgende Prozesse: ð In den ersten 25 Sekunden wird durch Kontraktion verbrauchtes ATP sofort mit Hilfe vom Kreatinphos- phat regeneriert.

Kreatinphosphat : Energiereiche Substanz, die in Muskelzellen vorliegt. Sie reagiert mit dem, durch Kontraktion freiwerdenden ADP zu ATP und Kreatin.

- Gleichzeitig aktivieren die, durch die Muskelkontraktion freiwerdenden, Calziumionen die Enzyme des
- Glycogenabbaus, welche fest in Muskeln und Leber gespeichert sind.

Nun müssen mehrere Transport- (Stoffwechsel-) Schritte durchzogen werden, bis das Glycogen im Muskel eine ausreichende Konzentration erreicht hat, um durch Gärungs- und Atmungsvorgänge die ATP Versorgung sichern zu können.

Am Anfang der sportlichen Betätigung muß eine erhöhte Sauerstoffzufuhr erst aufgebaut werden (s. Sauerstoffschuld) und deshalb wird in dieser Zeit die Glucose durch Brenztraubensäure (BTS) zu Milchsäure. Dieser Prozess ist in Bezug auf die ATP Gewinnung zwar nicht sehr effektiv, doch leistet er in den ersten Minuten den entscheidenden Teil der ATP Produktion.

Nach 60 - 90 Sekunden hat sich der Puls von 70 (Ruhepuls) auf 175 Schläge in der Minute (bpm) gesteigert und so die Sauerstoffaufnahme auf bis das 10 fache vergrößert und stellt so die benötigte O² Menge sicher.

die Muskelkontraktion

Ein Muskel ist in der Lage sich zusammenzuziehen und so einzelne Gliedmaßen zu bewegen. Diesen Vorgang nennt man Kontraktion.

Da der Muskel sich nur zusammen ziehen kann, braucht er einen Gegenspieler, der ihn wieder dehnt. Man bezeichnet ein solches Paar als Agonist (Beuger) und Antagonist (Strecker).

- Chemische Kontraktion: Eine Muskelfaser besteht aus mehreren Myofibrillsträngen ; in diesen

Myofibrillen findet die eigentliche Kontraktion statt. Hierdrin existieren zwei wesentliche Filamente: das Aktin und das Myosin. Sie sind die Auslöser der Kontraktion. Das Myosin hat jeweils ca. 500 Myosinköpfchen, die sich mit dem Aktin für kurze Zeit verbinden und die beiden Stoffe bis zu 10 nm ineinander verschieben können. Diese Reaktion kann aber nur stattfinden, wenn ein hoher Ca² + Ausstoß, oder die Anlagerung von ATP an die ATP Bindungsstellen der Myosinköpfchen erfolgt.

Glucose

Glucose ist ein sehr energiereicher Stoff, der in den Zellen in Energie für den Organismus umgewandelt wird. Dies geschieht durch den Abbau der Glucose in energiearme Stoffe, wie Kohlenstoffdioxid und Wasser, und gleichzeitiger Bildung von ATP, dem Energieträger, der die eigentliche Muskelkontraktion in Gang setzt. Bei dem Abbauvorgang überträgt das ATP im ersten Schritt eine Phosphatgruppe an die Glucose, welche dann ein Wasserstoffatom an das entstehende ADP abgibt. Durch diese Reaktion “verwandelt” sich die Glucose in Glucose 6 - Phosphat, die nun ein weiteres mal phosphorisiert wird und sich in 2 C3 Moleküle des Stoffes Glycerin 3 -Phosphat spaltet. Diese beiden Teilchen übertragen nun jeweils ein Wasserstoffatom an ein NAD+ Molekül.Durch diese Redoxreaktion entsteht PEP (Phosphoenolbrenztraubensäure). Diese Reaktion ist so heftig, daß die freiwerdende Energie genutzt werden kann,um aus energiearmen ADP und Phosphat ATP zu gewinnen. (s. Schema von Glykolyse und Tricarbonsäure - Zyklus)

aerobe / anaerobe Energie

Jede Zelle benötigt ständig Energie für:

- den Aufbau zelleigener Substanzen (z.B. Myofibrillenin Muskelzellen)

- die Aufrechterhaltung der Zellfunktionen (z.B. Muskelkontraktion, Schweißbildung)

Diese Energie wird in der Zelle durch schrittweise Oxidation der Nährstoffe

- Glucose (Zucker)
- Fette (Fettsäuren)
- Proteine (Aminosäuren)

gewonnen. Dabei entstehen aus den energiereichen Nährstoffen energiearme Verbindungen wie Harnstoff, CO2 und H2O.

- Der weitaus größte Teil der Energie wird unter Verbrauch von Sauerstoff (O ), d.h. auf aerobem Wege nach der Glycolyse in den Mitochondrien der Zelle, bereitgestellt. Faßt man die Vielzahl der aeroben Energiegewinnung ablaufenden Reaktionen zusammen, so wird letztlich der Wasserstoff der Nährstoffe auf den Sauerstoff übertragen und es entstehen Wasser und Energie.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Ein Teil der in dem “ Hauptenergielieferant ” Glucose enthaltenen Energie kann unter bestimmten Be- dingungen auch ohne Sauerstoffverbrauch, d.h. auf anaeroben Wege freigesetzt werden. Bei dieser anaeroben Oxidation wird der Wasserstoff auf andere Wasserstoffakzeptoren (NAD) und nicht auf Sauerstoff übertragen.

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Wissen Sie schon, daß.

- der Mensch im Laufe eines Tages ca. 3500 Schritte (d.h. ca. 3 km) macht ? Er geht demnach theoretisch alle 2,5 Jahre die Strecke München - Hamburg und zurück.

- die Muskelmasse unseres Körpers aus etwa 600 verschiedenen Muskeln besteht ? Ihr Gewicht beträgt ca.¹ /3 des Körpergewichts.

- sich ungefähr 60 % der gesamten Muskelmasse in den unteren Extremitäten befinden ? Die Muskulatur des Rumpfes und der Kopfregion beträgt ca. 25 % , während sie in den oberen Extremitäten ca. 15 % be- trägt.

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- der Biologe ENGELHARDT und seine Mitarbeiter schon 1939 feststellten, daß der Myosinkopf ATP Bindungsstellen aufweist ? ADP und Phosphat dagegen werden vom Myosinkopf nicht gebunden.

© Stefan Paeth / Matthes Schachtner (1999)