Skelettmuskelmechanik

Begriffe vertiefen

Das zentrale Nervensystem reguliert die von den Muskeln erzeugte Kraft. Die kleinste Kraftsteigerung, die ein Muskel erzeugen kann, wird als Zuckung bezeichnet und entspricht der Spannung, die eine Muskelfaser in einem einzigen Kontraktions-Entspannungs-Zyklus erzeugen kann.

Die durch eine Zuckung erzeugte Spannung hängt von mehreren Faktoren ab, darunter:

• Muskelfasertyp: Kleinere Muskelfasern erzeugen über einen längeren Zeitraum eine geringere Spannung als größere Fasern.
• Stimulationsfrequenz: Die Stimulation einer Muskelfaser, bevor sie sich vollständig entspannt hat, führt zu überlappenden Muskelzuckungen, die eine höhere Spitzenspannung erzeugen als ein einzelnes Zucken.
• Kraft-Länge-Beziehung: Übermäßig verkürzte oder gedehnte Sarkomere vor Beginn der Kontraktion erzeugen eine geringere Spannung.

Das zentrale Nervensystem aktiviert Gruppen von Fasern, die von demselben Motoneuron innerviert werden und als motorische Einheiten bezeichnet werden. Um die Muskelspannung zu erhöhen, erhöht das zentrale Nervensystem die Aktionspotentialfrequenz der neuronalen Impulse an die aktiven motorischen Einheiten (Frequenzkodierung) und aktiviert zusätzliche motorische Einheiten (Rekrutierung). Motorische Einheiten werden in der Regel nach dem Größenprinzip rekrutiert, d. h. von den kleineren zu den größeren. Diese Strategie trägt dazu bei, die erzeugte Muskelkraft fein abzustufen und gleichzeitig die Ermüdung zu begrenzen.

Die Arten der Muskelkontraktionen werden danach klassifiziert, wie sich die Muskellänge bei der Kontraktion verändert. Bei einer isometrischen Kontraktion ändert sich die Gesamtlänge des Muskels nicht. Bei isotonischen Kontraktionen kann sich der Muskel verkürzen (konzentrische Kontraktion) oder verlängern (exzentrische Kontraktion). Bei einer auxotonischen Kontraktion verändern sich sowohl die Muskelspannung als auch die Muskellänge gleichzeitig.

Inhalte verstehen

Zeitliche Summation und Tetanus

Die Summation ist ein Prozess, bei dem sich postsynaptische Potentiale gegenseitig überlagern. Wird eine einzelne Synapse wiederholt aktiviert, überlagern sich die postsynaptischen Potentiale zeitlich. Dieser Vorgang wird als zeitliche Summation bezeichnet und ist eine Folge der Frequenzkodierung. Wenn mehrere Neuronen, die auf dasselbe Ziel (einen Muskel) zulaufen, aktiviert werden, führt dies zur Aktivierung mehrerer Synapsen im Zielgewebe. Dies ist die räumliche Summation.

Eine hohe Frequenz der Aktionspotentiale führt zu einer anhaltenden Muskelkontraktion, die als tetanische Kontraktion (Tetanus) bezeichnet wird. Je nach Stimulationsfrequenz kann die zeitliche Summation zu einem vollständigen oder unvollständigen Tetanus führen.

Beim unvollständigen Tetanus treten die Aktionspotentiale in schneller Folge auf, wodurch sie sich überlappen. Da der zweite Reiz während der Entspannungsphase des vorherigen Zuckens eintrifft, überlagert sich das nächste Zucken direkt mit dem vorherigen, wodurch eine höhere Spitzenspannung entsteht (Superposition). Einzelzuckungen sind auf dem Myogramm weiterhin unterscheidbar.

Beim vollständigen Tetanus feuern die Aktionspotentiale so schnell, dass sich der Muskel nicht mehr entspannen kann. Einzelzuckungen sind auf dem Myogramm nicht mehr erkennbar, sodass es glatt erscheint. Die niedrigste Stimulationsfrequenz, bei der ein vollständiger Tetanus auftritt, wird als Verschmelzungsfrequenz oder Fusionsfrequenz bezeichnet.

Kraft-Länge-Beziehung

Da die Muskelspannung von der Überlappung zwischen Aktin und Myosin abhängt, beeinflusst die Länge des Sarkomers vor der Kontraktion die Entstehung der Muskelspannung.

Motorische Einheit

Eine motorische Einheit besteht aus einem Motoneuron und allen von diesem innervierten Muskelfasern. Das zentrale Nervensystem steuert die Muskelkraftentfaltung, indem es die Anzahl der aktiven motorischen Einheiten (räumliche Summation) und deren Erregungsfrequenz (zeitliche Summation) reguliert.

Kontraktionsformen

Muskelkontraktionen werden danach klassifiziert, wie sich die Muskellänge während der Kontraktion verändert.

Quiz starten

Teste dein Wissen über die Muskelmechanik mit diesem Quiz!

Zusammenfassung