Körperhaltung und Motorik

Funktionelle Organisation des Skelettmuskels, Kontraktionsmechanismus und -formen
 
 
© H. Hinghofer-Szalkay
Botulinumtoxin: botulum = Wurst (Botulismus meist durch verdorbene Fleischwaren verursacht)
Bungarotoxin: Nach einer Giftnatter, Bungarus multicinctus
isometrisch:
ἴσος = gleich, μέτρον = Maß, Länge
isotonisch: ἴσος = gleich, τόνος = (An-)Spannung
motorisch: movere = bewegen
Muskel: mus = Maus (musculus = Mäuslein)
Sarkomer: σαρκός = Fleisch, μέρος = Teil
Tubocurarin: Curare = südamerikanisch für Pfeilgift (ourare). Pflanzenproben wurden in Röhren (tubes) nach Europa geschifft


Ausgelöst durch Aktivität motorischer Vorderhornzellen und Freisetzung von Azetylcholin, werden im Skelettmuskel die zugeordneten motorischen Endplatten - und damit alle Muskelfasern der betreffenden motorischen Einheiten - erregt. Konzentrationserhöhung von Kalziumionen im Zytoplasma der Muskelfasern - ausgelöst durch das elektrische Signal von Aktionspotentialen - führt zur Aktivierung kontraktiler Filamente (elektro-mechanische Kopplung).

Einzelne Aktionspotentiale führen zu Einzelzuckungen (z.B. im Rahmen eines Sehnenreflexes), mehrere in knapper Folge zu tetanischer Kontraktion - dem Grundelement von Kraftentfaltung und Bewegung. Tetanische Kontraktionen entfalten mehr Kraft als Einzelzuckungen (längere Dauer, effizientere elektromechanische Kopplung).

Die Muskelkraft hängt u.a. vom Überlappungsgrad von Aktin- und Myosinfilamenten in den Sarkomeren ab. Der normale Arbeitsbereich der Muskeln umspielt die Länge, die optimale Bedingungen für die Zahl aktiver Aktin-Myosin-Querbrücken ermöglicht (etwa 2,2 µm Sarkomerlänge). Vordehnung, Durchblutung, Zustand des Energiestoffwechsels sind weitere Faktoren, welche die Muskelkraft bestimmen.

Die Verkürzungsgeschwindigkeit nimmt mit zunehmender Belastung ab. Kann sich der Muskel gar nicht verkürzen, führt er eine isometrische Kontraktion aus. Bei sehr starker Belastung wird der Muskel während der Kontraktion sogar verlängert. Hebt der Muskel ein konstantes Gewicht, kontrahiert er sich isotonisch. Ändern sich während der Aktivität sowohl Belastung als auch Länge, führt der Muskel eine auxotonische Kontraktion aus.
 
 
Übersicht Motorische Endplatte  Elektromechanische Kopplung Kontraktionsmechanismus Tetanische Kontraktion Kontraktionsformen Verkürzungsgeschwindigkeit Blockade der motorischen Endplatte Maligne Hyperthermie
  

>Abbildung: Kontraktionszyklus
Modifiziert nach einer Vorlage bei buzou.cc

Im entkoppelten Zustand (oben) können Aktin- und Myosinfäden frei aneinander vorbeigleiten; Tropomyosin blockiert die Reaktionsstellen der Myosinköpfe mit Aktin-G. Im Kontraktionszustand (unten) werden die Reaktionsstellen freigegeben - Kalziumionen binden an Troponin, in der Folge gleitet Tropomyosin in eine Position, welche die Reaktion zwischen Aktin und Myosin nicht behindert, und die Abwinkelung der Myosinköpfe zieht am Aktinfilament Kraftentfaltung, gegebenenfalls Verkürzung

Fast alle Zellen haben die Fähigkeit, sich aktiv zu verformen; dazu sind u.a. Myosin- und Aktinmoleküle erforderlich. In quergestreiften Muskelzellen haben diese eine höhere Organisation: Sie formieren sich zu Filamenten, die wiederum zu hintereinander placierten Sarkomeren angeordnet sind.

Muskeln
sind nicht nur mechanisch aktiv (Wirkungsgrad bis ≈20%, die restlichen ≥80% der umgesetzten Energie werden als Wärme frei), sondern wirken auch als Sinnesorgane (Kraft, Dehnung, Schmerz) und sind Stoffwechselorgane (Glykogen als Energiespeicher, Proteinsynthese,..) sowie auch endokrin aktiv (Myokine - Skelettmuskelzellen produzieren hunderte verschiedener Faktoren, die zum Teil belastungsabhängig in die Blutbahn abgegeben werden - Wachstumsfaktoren, Zytokine u.a.).

Insgesamt verfügt der menschliche Körper über ≈640 Muskeln, die ≈200 Knochen stützen und bewegen. (Allein am Stirnrunzeln sind über 40 Muskeln beteiligt, etwa 300 sind für das stabile aufrechte Stehen notwendig.)
 
Die Muskulatur macht 35-50% des Körpergewichts aus, je nach Trainingszustand. Sie stabilisiert den Körper (Stehen, Sitzen..) und generiert Bewegung und Kraftentfaltung.
Jeden Tag leistet die Muskulatur einer erwachsenen Person ≈3.106 N (entspricht dem Anheben des Körpergewichts um ≈4 km - bei intensiver sportlicher Betätigung ist die Kraftausbeute entsprechend höher).

Die Durchblutung der Skelettmuskulatur beträgt bei körperlicher Ruhe insgesamt ≈15% des Herzminutenvolumens und kann bei extremer Aktivierung bis zu ≈20fach ansteigen und den größten Teil der Herzleistung für die muskuläre Perfusion beanspruchen.



 

<Abbildung: Motorische Endplatte und Recycling von Azetylcholin
Nach einer Vorlage bei http://www.78stepshealth.us

Die dargestellten Vorgänge spielen sich im Millisekundenbereich ab

  Steuernde Nervenimpulse werden an der motorischen Endplatte auf Muskelzellen übertragen (<Abbildung): Motoneuronen setzen hier Azetylcholin frei. Dieses wirkt auf nikotinische (ionotrope) Rezeptoren an der Muskelzelle.

Bei entsprechender Menge summieren sich Endplattenpotentiale zu einem Aktionspotential (mehrfache Redundanz: auch bei Reduktion auf ≈30% der üblicherweise freigesetzten Menge an Azetylcholin ist der Effekt noch überschwellig). Dies löst elektromechanische Kopplung und Kontraktion aus.

Die Folge der Vorgänge im Einzelnen (<Abbildung):



Ein an der motorischen Vorderhornzelle generiertes Aktionspotential läuft entlang des motorischen Axons zur präsynaptischen Membran →
 
   → Die Depolarisierung öffnet Ca++-Kanäle in der Membran der Axonverzweigung (präsynaptisch)
 
   Ca++-Ionen strömen in das Axon ein ([Ca++] extrazellulär um drei Zehnerpotenzen höher als intrazellulär)

   → Ca++-Ionen initiieren Bewegung von synaptischen Vesikeln zur präsynaptischen Membran
 
   → Vesikel fusionieren mit der präsynaptischen Membran und entleeren Azetylcholin in den synaptischen Spalt (Exozytose). Dieser Vorgang kann durch das bakterielle Botulinustoxin - Peptide, welche verschiedene Phasen der Exozytose von Azetylcholin blockieren - gehemmt werden, was u.a. zu Muskellähmung führt und potenziell tödliche Folgen haben kann (Lebensmittelvergiftung). Das Toxin hat auch medizinische Anwendungen zur gezielten Inaktivierung von Muskeln (z.B. Botox)
 
   → Azetylcholin diffundiert zur postsynaptischen Membran und bindet an muskarinische Rezeptoren - diese sind an Ionenkanäle (ROCs: Receptor operated channels) gekoppelt, in diesem Fall Natriumkanäle. Die postsynaptische Membran ist gefaltet, was ihre Oberfläche und damit die Zahl an ROCs erhöht
 
   → ROCs öffnen, Natriumionen strömen ein (extrazelluläre Konzentration um eine Zehnerpotenz höher als intrazelluläre)
 
   → Einströmendes Natrium depolarisiert die Muskelzelle an der postsynaptischen Membran (Generatorpotential)
 
   → Bei Erreichen der Reizschwelle entsteht ein Aktionspotential, dieses läuft die Muskelfaser entlang (VOCs: Voltage operated channels) und in die transversalen Tubuli
 
   → Die Depolarisation triggert die elektromechanische Kopplung

Parallel erfolgen Abbau (Azetylcholinesterase) und Wiederverwertung (Recycling) des Azetylcholins - ohne das Enzym käme es zu Dauerentladung und Refrakterität der motorischen Endplatte (schlaffe Lähmung).

Der Übertragungsmechanismus ist auf hohe Effizienz und kurze Zeiten ausgelegt: Die motorische Faser enthält ≈3.106 synaptische Vesikel, ein Aktionspotential bringt - Ca++-vermittelt - etwa 300 davon (100-500) zur Exozytose - also ≈0,01% des Bestandes.
 
         Über Blockade der motorischen Endplatte s. weiter unten.


Transmitterhältige Vesikel wandern auch ohne Erregung des Motoneurons langsam zum synaptischen Spalt und öffnen sich dort hin und wieder. Diese Exozytose einzelner Vesikel führt zu jeweils geringen Depolarisationsereignissen an der Muskelfaser, die direkt an der Endplatte messbar sind - Miniatur-Endplattenpotentiale (>Abbildung).


>Abbildung: Miniatur-Endplattenpotentiale (MEPP)
Ableitung von einer Muskelfaser direkt an der motorischen Endplatte. Das präsynaptische "Platzen" einzelner Vesikel setzt Azetylcholin frei, Ergebnis sind kleine Depolarisierungsereignisse an der Muskelfaser

Jedes Vesikel enthält ≈104 Azetylcholinmoleküle, das macht ≈3.106 freigesetzte Moleküle je Aktionspotential. Davon binden etwa 2.106 für 1-2 ms an Rezeptoren (davon gibt es pro Muskelfaser ≈3.107) und werden dann von Azetylcholinesterase im synaptischen Spalt zu Cholin und Azetat abgebaut (ein Molekül Azetylcholinesterase kann pro Sekunde über 104 Moleküle Azetylcholin abbauen).

Reuptake: E
twa die Hälfte des Cholins wird von der Nervenfaser wieder aufgenommen (Cholin-Carrier, ein Solute-carrier-Transporter, experimentell durch Hemicholinium blockierbar).

Denervierungs-Hypersensibilität: Ohne die Ausschüttung von Azetylcholin aus motorischen Nervenfasern exprimiert die Muskelzelle zusätzliche Rezeptoren (bis 20-fache Zahl), die sich über die ganze Oberfläche der Muskelfaser ausdehnen. Bleibt die Aktivierung der Endplatte für längere Zeit aus, degeneriert die Muskelfaser.
 

<Abbildung: Botulinumtoxin verhindert Azetylcholinfreisetzung
Nach Rowland LP, Stroke, spasticity, and botulinum toxin. N Engl J Med 2002; 347: 382-3

Links: Normaler Vorgang, rechts: Botulinumvergiftung. Für die Exozytose des Azetylcholins ist ein funktionierender SNARE-Mechanismus nötig. Botulinumtoxin wird von Rezeptoren aufgenommen, die leichte Kette in das katalytische Zytosol verlagert, und für die Exozytose benötigte Proteine werden gespalten; die Freisetzung von Azetylcholin bleibt aus, der Muskel ist gelähmt

     Die Freisetzung des Azetylcholins kann z.B. durch Botulinumtoxin (Botox: Handelsname für neurotoxische Proteine) und das Schlangengift ß-Bungarotoxin gehemmt werden (<Abbildung). Botulinum - aus dem Bakterienstamm clostridium botulinum - ist eines der stärksten bekannten Gifte, es hemmt die Erregungsübertragung von Nervenzellen, führt zu Muskelschwäche (bis Atemlähmung) und Störungen des autonomen Nervensystems.

     Das Pfeilgift Curare (eine Mischung pflanzlicher Alkaloide) kann dazu verwendet werden, Beutetiere zu lähmen (Südamerika): Curare blockiert die Rezeptoren für Azetylcholin an der motorischen Endplatte, indem es an sie bindet, ohne die ROCs (Receptor operated channels) zu öffnen (kein Natriumeinstrom, keine Depolarisierung). Das führt u.a. zu Paralyse der Atemmuskulatur, das Opfer erstickt.

Die Tatsache, dass man das vergiftete Fleisch schadlos verzehren kann, liegt am hohen pK-Wert des Hauptbestandteils Tubocurarin : die Resorption ist wegen der hohen Basizität sehr gering. (Starke Säuren - pK<3 - und starke Basen - pK>10 - werden im Darm so gut wie nicht resorbiert.)
  Nichtdepolarisierende peripher wirkende Muskelrelaxantien blockieren ebenfalls die nikotinischen Azetylcholinrezeptoren an der Endplatte: Sie verhindern den sonst bei Aktivierung motorischer Vorderhornzellen erfolgenden ROC-bedingten Natriumeinstrom (und damit die Erregung der Muskelfaser). Sie werden in der Anästhesie verwendet, um im Rahmen chirurgischer Eingriffe reflektorische Muskelverspannungen auszuschalten. Da auch die Atemmuskulatur von der Muskelparalyse betroffen ist, muss künstlich beatmet werden.

Antagonisten
wie Neostigmin hemmen die Azetylcholinesterase, dadurch steigt die Konzentration des Azetylcholins im synaptischen Spaltraum rasch an und die Muskelfaser kann wieder aktiv werden (Narkose-Ausleitung, Curarevergiftung..). Da der cholinesterase-antagonisierende Effekt auch an parasympathischen Synapsen auftritt (und dadurch ihre Wirkungen erhöht), wird gleichzeitig Atropin verabfolgt - dieses blockiert nur im autonomen System, nicht an der motorischen Endplatte.




 
   
   >Abbildung: Feinstruktur einer Muskelfaser (=Muskelzelle)
Kombiniert nach Vorlagen bei Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

Myofibrillen sind von einem "Strumpf" aus sarkoplasmatischem Retikulum umgeben, aus dem bei Aktivierung der elektromechanischen Kopplung - d.h. wenn Aktionspotentiale über transversale Tubuli von der Membran an der Zelloberfläche (Sarkolemm) zu terminalen Zisternen in der Tiefe der Zelle gelangen - Kalziumionen freiwerden, in die Fibrillen diffundieren, an Troponin binden und so die Kontraktion freigeben

Unten: Mechanismus der Ca++-Freigabe aus dem sarkoplasmatischen Retikulum über L-Typ-Kalziumkanäle (
Dihydropyridinrezeptoren: DHPR) und Release-channels (Ryanodinrezeptoren)

  Elektro-mechanische Koppelung (excitation-contraction coupling): Aktionspotentiale werden entlang der Muskelfaser und durch transversale (T-) Tubuli (>Abbildung) in die Tiefe der Muskelzelle geleitet (vgl. Herzmuskelzelle).

Die transversalen Tubuli bieten eine große Oberfläche mit relativ wenig extrazellulärer Flüssigkeit. Bei repetitiver Erregung der Muskelzellen (Tetanus) reichert sich ausströmendes Kalium im T-Tubulus an und erhöht die extrazelluläre Kaliumkonzentration. Dadurch sinkt der K+-Gradient, dies würde die Muskelzelle depolarisieren und stärker erregbar machen (Annäherung an das Schwellenpotential).


Hier hilft die hohe Chlorid-Leitfähigkeit des Sarkolemms: Insbesondere durch ClC1-Kanäle besteht eine hohe Cl--Leitfähigkeit der Muskelfaser, und da das Gleichgewichtspotential (-90 mV) nahe beim Ruhepotential liegt und der
Cl--Konzentrationsgradient besonders hoch ist ([Cl-] innen 4 mM, außen 110 mM), hilft der extrazelluläre Chloridpool bei der Stabilisierung des Ruhepotentials.

Mutationen der ClC1-Kanäle führen zu angeborenen Myotonie-Formen, die auf Übererregbarkeit und mangelnde Steuerbarkeit der Muskulatur zurückzuführen sind.

An den Triaden (Kontakt T-Tubulus - terminale Zisternen, >Abbildung) erfolgt die Aktivierung des sarkoplasmatischen Retikulums:


  Die (spannungsgesteuerten) Ca++-Kanäle (L-Typ) in der Membran des T-Tubulus werden als Dihydropyridinrezeptoren (DHPR) bezeichnet, die ihnen direkt gegenüber liegenden Ca++-Kanäle in der Membran des sarkoplasmatischen Retikulums als Ryanodinrezeptoren (RyR, Ca++ release channels). Die DHPRs sind an den Triaden besonders zahlreich und fungieren als Spannungssensoren: Bei Erregung kommt es zu einer Konformationsänderung der DHPRs, was wiederum zur Öffnung der RyR führt - Kalziumionen können in das Sarkoplasma ausströmen.
 
  Kalziumionen diffundieren zu den kontraktilen Filamenten, in denen Troponin als Ca++-Rezeptor fungiert, und Troponin schaltet die Wechselwirkung von Aktin- und Myosinfäden ein - es kommt zur Kontraktion.
 
  Anschließend wird Kalzium unter Verbrauch von ATP wieder ins sarkoplasmatische Retikulum zurückgepumpt (SERCA: sarco/endoplasmic reticulum Ca++-ATPase), Aktin- und Myosinfäden lösen sich voneinander, der Muskel erschlafft.



Ein einzelnes Aktionspotential bewirkt eine Einzelzuckung. Das kann im Rahmen eines Muskelspindelreflexes vorkommen, wie bei Auslösung des Patellarsehnenreflexes, ist aber ansonsten nicht die physiologische Kontraktionsform des Skelettmuskels. Normalerweise senden die Vorderhornzellen Aktionspotential-Salven mit mehr oder weniger hoher Frequenz über die Fasern der motorischen Einheiten, und es kommt zur Summation der einzelnen Impulse (tetanische Kontraktionsform) - der Muskel kontrahiert sich im Rahmen eines "Tetanus" (gemeint ist hier die physiologische Kontraktion, nicht der durch Exotoxine des Bakteriums Clostridium tetani verursachte Wundstarrkrampf).
 


  
 
<Abbildung: Animation des Kontraktionsmechanismus
Quelle: San Diego State University College of Sciences


Im Ruhezustand (Muskel schlaff) umschlingen Tropomyosinfäden das Aktinfilament und bedecken die Aktin-Bindungsstellen der ATP-beladenen Myosinköpfchen. Wird die Zelle erregt, werden Ca++-Ionen freigesetzt, und diese binden an Troponin C, was die räumliche Struktur des Troponinkomplexes ändert: Troponin I wird zur Bindung an Aktinmoleküle aktiviert. Troponin T bindet an Tropomyosin und unterstützt die Positionierung an das Aktin.


 
Ca++ aktiviert weiters die ATPase-Aktivität der Myosinköpfchen, das angelagerte ATP wird gespalten (die ATP-ase benötigt Mg++ als Kofaktor). Bindet Myosin an Aktin, wird das am Myosinköpfchen liegende Phosphat (Pi) und dann ADP freigesetzt und die mechanische Energie des "gespannten" Myosins in Kontraktionsenergie umgesetzt ("Kraftschlag").

Die ATP-Spaltung führt dazu, dass der Myosinkopf wegklappt (90° zu 45°-Position) und an einer anderen Stelle erneut an das Aktinfilament bindet; ADP wird durch ein neurs ATP ersetzt. Bis zu 100 solcher Zyklen können pro Sekunde erfolgen.



  Ein Tetanus (eine Dauerkontraktion) ist die physiologische Kontraktionsform des Skelettmuskels. Er entsteht durch mehrere, rasch aufeinanderfolgende Aktionspotentiale der motorischen Vorderhornzellen der dabei aktiven motorischen Einheiten. Die Ca++-Freisetzung bei der elektromechanischen Kopplung addiert sich (Summation). Das bewirkt eine kontinuierliche Anregung des kontraktilen Apparats und erzeugt mehr Kraft als eine Einzelzuckung.

Bei welcher Reizfrequenz der Tetanus "vollständig" ("glatt") ist, hängt von der Muskelfaser ab: Ein langsamer Skelettmuskel erzeugt ihn schon bei ≈30 Nervenimpulsen pro Sekunde, ein äußerer Augenmuskel braucht dazu ≈350 Aktionspotentiale in der Sekunde.

Wie effizient die Ausbeute einer Kontraktion ist, hängt von der Länge der Faser ab: Im Sarkomer müssen aktivierbare Aktin-Myosin-Querbrücken vorliegen - zwischen ≈1 µm und ≈4 µm kann die Sarkomerlänge betragen, um Kraft zu entwickeln (spätestens ab 4 µm Sarkomerlänge überlappen Aktin- und Myosinfilamente nicht mehr, daher kann sich die Faser nicht kontrahieren); bei ≈2 µm ist die Kraftausbeute am höchsten (>Abbildung). Die Kraftentwicklung (aktiv) kann bis zu 40 N/cm2 betragen (im glatten Muskel bis zu 60 N/cm2); passiv sind Muskelfasern bis zu einer Spannung von ≈100 N/cm2 belastbar.
 
Der Bizeps einer gut trainierten erwachsenen Person kann etwa 50 kg Gewicht heben (Querschnitt ≈10 cm2).
 


    
    
>Abbildung: Sarkomerlänge vs. Kraftausbeute
Nach einer Vorlage in slidingfilament.webnode.com

(1), Überlappung zwischen Myosin- und Aktinfilamenten, nicht alle potentiellen Aktomyosinreaktionen kommen zur Geltung; Myosinfilamente stoßen zudem unter 1,3 µm Sarkomerenlänge gegen die Z-Streifen

(2), optimale Sarkomerlänge von 2,1-2,2 µm - alle Aktomyosin-Reaktionsplätze ausgenützt

(3), Myosinfilament wird zusehends aus der Reihe der Aktinfäden herausgezogen, Zahl der Aktomyosin-Reaktionsstellen - und damit die Kraftausbaute - nimmt ab

(4), bei ≥3,6 µm Sarkomerenlänge sind die Filamentreihen gänzlich auseinandergezogen - der Muskel ist überdehnt und erzeugt keine Kraft mehr

Im Normalbereich (1,6 - 2,6 µm Sarkomerlänge) sind mindestens 80% der maximal verfügbaren Kraftausbeute verfügbar

  Kontraktionsformen:

  Bleibt die Länge des Muskels während der Kontraktion gleich, so spricht man von isometrischer Kontraktion (z.B. isometrische Übungen). Eine isometrische Kontraktion leistet keine physikalische Arbeit nach außen, da kein Weg zurückgelegt wird (daher ist auch der Wirkungsgrad per definitionem Null)

  Bleibt die Belastung während seiner Verkürzung gleich, so nennt man die Kontraktion isotonisch (z.B. Heben eines Gewichts). Bei dieser Kontraktionsform nimmt die Länge des Muskels ab, es wird also ein Weg zurückgelegt und Arbeit geleistet (Wikungsgrad bis ≈25% möglich)
 

  Ändern sich sowohl Länge als auch Spannung (was meist der Fall ist), heißt die Kontraktion auxotonisch. Die meisten alltäglichen Muskelkontraktionen sind in diesem Sinne kombiniert
 
  Kontraktionen, die zunächst aus einer rein isometrischen und dann einer rein isotonischen Phase bestehen, heißen Unterstützungszuckungen (wie beim Anheben eines schweren Gewichts)
 
  Kontraktionen, die zunächsat aus einer rein isotonischen und dann einer rein isometrischen Phase bestehen, nennt man Anschlagszuckungen (wie beim Boxen gegen einen Sandsack)
 

  Maxima (Kontraktionen, an denen alle Muskelfasern teilnehmen) werden je nach ihrer Art als isometrische, isotonische, Unterstützungs- (U-) maxima bezeichnet. Beim Skelettmuskel sind Maxima durch gleichzeitige Aktivierung sämtlicher motorischen Einheiten des Muskels (Rekrutierung sämtlicher zugeordneten Motoneurone) zu erreichen; beim Herzmuskel ist jeder Herzschlag ein Maximum (funktionelles Synzytium)



<Abbildung: Aufbau eines Sarkomers
Nach: Ottenheijm CAC, Granzier H. Lifting the Nebula: Novel Insights into Skeletal Muscle Contractility. Physiology 2010; 25: 304-10

Titin verankert das Myosinfilament am Z-Streifen, Tropomodulin stabilisiert die Enden der Aktinfilamente, Nebulin befestigt Tropomodulin am Aktinfilament und verstärkt die Kontraktion durch Optimierung der Aktin-Myosin-Interaktion

Der Muskel kann Kraft entfalten, während er sich verkürzt (konzentrische Kontraktion) oder verlängert (exzentrische Kontraktion).

Eine Unterstützungszuckung erfolgt erst isometrisch, dann isotonisch (z.B. Anheben eines Koffers); eine Anschlagszuckung erst isotonisch, dann isometrisch (z.B. Boxen gegen einen schweren Sandsack).

 


Die Verkürzungsgeschwindigkeit (beim Skelettmuskel bis zu 8 m/s) ist abhängig von der mechanischen Belastung: Bei minimaler Last ist sie unabhängig von der Faserlänge maximal; mit zunehmender Belastung nimmt sie ab und hängt von der Zahl der verfügbaren Querbrücken im Sarkomer ab. Bei einer bestimmten Belastung ist die Kontraktion gerade imstande, eine Verlängerung des Muskels zu verhindern. Bei noch stärkerer Belastung wird der Muskel trotz Kontraktion gedehnt.

Bei Haltearbeit ist die Blutversorgung des Muskels durch den Druck im Gewebe reduziert. Phasische (abwechselnde) Muskeltätigkeit kann hingegen ermüdungsfrei durchgeführt werden. Zwischen Muskelkraft und Kontraktionstempo besteht folgende Beziehung: Bei geringer Belastung des Muskels ist seine maximale Verkürzungsgeschwindigkeit hoch, und nimmt mit zunehmender Belastung ab.

Die Fasern einer motorischen Einheit werden von “ihrer” Vorderhornzelle jeweils synchron angeregt, und ihre gemeinsame Entladung führt zu ein-bis dreiphasigen Summen-Aktionspotentialen, die zur Untersuchung der Muskelfunktion mittels Oberflächenelektroden (von der Haut) oder eingestochenen, isolierten Drähten (aus dem Muskel) abgeleitet werden können; das Ergebnis nennt man Elektromyogramm.

  Mit zunehmender Kontraktionsstärke nimmt die Zahl der aktivierten Vorderhornzellen und ihre Entladungsfrequenz zu; es werden immer mehr motorische Einheiten rekrutiert. Bei intensiver Kontraktion lassen sich im Elektromyogramm (EMG) die Potentiale der einzelnen Fasern nicht mehr differenzieren, sie überlagern sich zu einem Interferenzmuster. Aus dem EMG kann man die Aktivierung einzelner Muskeln bei Bewegungsabläufen ersehen und diagnostizieren, ob allenfalls eine Myopathie (Schädigung von Muskelzellen) oder Neuropathie (Schädigung von Nervenfasern) vorliegt.



  
Blockade an der motorischen Endplatte: Nikotinrezeptor-Liganden spielen in der Anästhesiologie eine wichtige Rolle, da sie die Aktivierung von Muskelfasern blockieren und so reflektorische Verspannungen der Muskulatur bei chirurgischen Eingriffen verhindern können. Solche neuromuskulär blockierenden Stoffe lagern sich an den N-Rezeptor und konkurrieren mit Azetylcholin um die Bindung. Sie zählen zur Gruppe der peripheren Muskelrelaxantien (zu diesen gehören auch Stoffe, welche die elektromechanische Koppelung blockieren - sogenannte myotrope Muskelrelaxantien).
 
Bei den an der motorischen Endplatte wirkenden neuromuskulär blockierenden Stoffen unterscheidet man
 
     Nichtdepolarisierende (stabilisierende) Muskelrelaxantien, sie blockieren durch ihre Anwesenheit die Wirkung des Azetylcholins - es sind Nikotinrezeptorantagonisten ("Curare-Typ": Hierher zählen Tubocurarin und zahlreiche einschlägige Muskelrelaxantien). Bedeutsam ist die Tastsache, dass die Wirkung dieser Stoffe durch Gabe von Cholinesteraseinhibitoren (z.B. Neostigmin) durchbrochen werden kann, indem der Abbau des freigesetzten Transmitters gehemmt wird (Decurarisierung)

     Depolarisierende Muskelrelaxantien haben auch intrinsische Aktivität, sind also Nikotinrezeptoragonisten (Succinylcholin-Typ: Suxamethonium). Nach vorübergehender Erregung der Muskelfaser bleiben sie am Rezeptor länger haften und hemmen - zumindest bei den meisten Muskeln - die weitere Übertragung an der Endplatte. Nach vorübergehenden unkoordinierten Kontraktionen kommt es zu einer schlaffen Lähmung.
 

 
Dauerdepolarisierung der spannungsabhängigen Natriumkanäle in einer ringförmigen Zone, die sich in der postsynaptischen Membran um die Endplatte herum aufbaut, macht hier das Sarkolemm unerregbar. Die Depolarisation der Endplatte kann sich so nicht auf die Muskelfaser fortsetzen.
 
Cholinesteraseinhibitoren sind beim Depolarisationsblock unwirksam, da die Endplatte ohnehin depolarisiert ist, wozu weiteres Azetylcholin nur beitragen würde.
 

>Abbildung: Ryanodinrezeptor
Modifiziert nach einer Vorlage bei Pearson Education, Inc. 2011


Maligne Hyperthermie: Ist der Ryanodinrezeptor (>Abbildung; RyR s. oben) mutiert, kann dies eine (autosomal-dominant vererbte) schwere Komplikation verursachen, falls bestimmt Muskelrelaxantien oder Inhalationsnarkotika zur Anwendung gelangen.

Dabei steigt die Körpertemperatur unter der Narkose rasch an (bis zu 0,4°C pro Minute). Ursache ist eine unkontrollierte Freisetzung von Kalziumionen aus dem sarkoplasmatischen Retikulum. Dadurch werden kalziumabhängige Vorgänge in der Muskelzelle (inklusive Kontraktion, dadurch Wärmeerzeugung) extrem angeregt, die Sauerstoffversorgung des Muskels wird infolge des hohen
O2-Verbrauchs ungenügend, der pCO2 steigt rasch an. Es kommt zu Azidose, Hyperkaliämie und Anstieg der Körpertempertur.

Ohne sofortige Behandlung ist die Letalität solcher in der Anästhesie
gefürchteten Komplikationen sehr hoch (>70%). Die Zufuhr der auslösenden Substanz muss sofort gestoppt, der Körper gekühlt und ein Hemmer des RyR (Dantrolen, ein Muskelrelaxans, verhindert die Freisetzung von Ca++ aus dem sarkoplasmatischen Retikulum) verabfolgt werden. Bei rechtzeitiger Behandlung sinkt die Letalität auf ≈5%.

Zur Abklärung einer entsprechenden Disposition kann Patienten mit positiver Familienanamnese eine kleine Muskelprobe entnommen und deren Kontraktionsverhalten zusammen mit dem geplanten Narkotikum in vitro untersucht werden. Bestätigt sich der Verdacht auf drohende maligne Hyperthermie, weicht man auf unbedenkliche Narkotika aus.

Solange sie keine Triggersubstanz verabfolgt bekommen, sind Menschen mit dieser Disposition nicht beeinträchtigt.


Eine Reise durch die Physiologie


  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.