Video: Muskelfasertypen

Herzlich willkommen zum großen „Kenhub-Wettlauf”! Heute treffen sich Athletinnen und Athleten aller Formen und Größen zum ultimativen Wettkampf. Ein echtes Spektakel voller Sportsgeist, Mut und Durchhaltevermögen erwartet euch. Unsere drei beeindruckenden Kandidaten stehen schon bereit, um ihr Können unter Beweis zu stellen. Auf die Plätze, fertig...

Und auf Bahn 1 haben wir den „Wanderer”, ein echtes Ausdauerwunder. Er ist Experte, wenn es um die Überwindung von Langstrecken geht und kann Kilometer für Kilometer durchziehen. Auf Bahn 2, direkt in der Mitte, haben wir einen durchschnittlichen Läufer, der ruhig und gelassen sein konstantes Tempo hält. Und auf Bahn 3: der Sprinter. Seht euch das an, wie er in unglaublicher Geschwindigkeit davon rauscht!

Wow! Was für ein Anblick! Vielleicht fragst du dich jetzt: Wie kann es sein, dass sie so unterschiedlich schnell sind? Die Antwort liegt nicht nur in ihren Beinen, sondern in den Skelettmuskelfasern, die sie antreiben. Diese Fasern sind der Schlüssel dazu, warum unsere Athletinnen und Athleten so unterschiedlich unterwegs sind. Und genau diese „Magie” schauen wir uns heute etwas genauer an.

Bevor wir starten, werfen wir einen kurzen Blick darauf, was dich heute erwartet. Zunächst definieren wir den Begriff „Skelettmuskelfasern”. Danach sehen wir uns an, wie sich diese Muskelfasern klassifizieren lassen, beispielsweise anhand ihrer Kontraktionsgeschwindigkeit oder ihrem Stoffwechselprofil. Anschließend besprechen wir die verschiedenen Fasertypen inklusive ihrer spezifischen Merkmale. Am Ende sehen wir uns dann noch an, wie sich unsere Muskeln durch Training anpassen, um noch leistungsfähiger zu werden.

Klingt spannend? Dann lass uns loslegen und gemeinsam in die faszinierende Welt der Skelettmuskelfasern eintauchen!

Skelettmuskelfasern, oder auch Skelettmuskelzellen, sind die Bausteine unserer Skelettmuskulatur, also der Muskeln, die wir bewusst steuern können und die größtenteils für die Bewegung unseres Skeletts zuständig sind. Diese spezialisierten zellulären Strukturen ermöglichen die komplexen und perfekt aufeinander abgestimmten Bewegungen, die unseren Körper so leistungsfähig machen. Aber Muskelfaser ist nicht gleich Muskelfaser! Jeder Skelettmuskelfasertyp ist auf eine einzigartige Weise für bestimmte Arten von Muskelkontraktionen spezialisiert. In all unseren Skelettmuskeln kommen diese verschiedenen Fasertypen in unterschiedlicher Zusammensetzung vor. Genau diese Vielfalt ermöglicht es unseren Muskeln so viele unterschiedliche Bewegungen auszuführen.

Ein spannendes Merkmal der Skelettmuskelfasern ist ihre Plastizität. Das bedeutet, dass sie ihre Größe und Funktion an äußere Ansprüche anpassen können. Dabei können sie sich sogar in einen anderen Fasertyp umwandeln, um sich an neue Anforderungen der Skelettmuskels, wie beispielsweise an regelmäßiges Training, anzupassen. Dank dieser Anpassungsfähigkeit können wir unseren Körper auf ganz unterschiedliche Belastungen vorbereiten, etwa auf lange Ausdauerläufe oder eben auf kurze, intensive Sprints.

Obwohl alle Skelettmuskelfasern eine gemeinsame Grundstruktur und ähnliche Funktionen aufweisen, unterscheiden sie sich in wichtigen Details ihrer Mikrostruktur und ihrer kontraktilen Eigenschaften. Genau diese Unterschiede sind die Grundlage für die Einteilung dieser Muskelfasern in drei Haupttypen. Bevor wir uns mit der eigentlichen Klassifikation beschäftigen, müssen wir zunächst die beiden entscheidenden Merkmale der Skelettmuskelfasern verstehen, die als Kriterien der Klassifikation dienen.

Eine essentielle Eigenschaft ist die Kontraktionsgeschwindigkeit, die beschreibt, wie schnell sich eine Skelettmuskelfaser im Vergleich zu einer anderen zusammenziehen kann. Des Weiteren spielt das Stoffwechselprofil eine entscheidende Rolle, also wie die Faser ihre Energie in Form von ATP gewinnt. Dies kann je nach Fasertyp über aerobe oder anaerobe Prozesse ablaufen.

Je nach Fasertyp unterscheidet sich die Kontraktionsgeschwindigkeit deutlich. Dieser unterschiedliche „Bedarf” in ihrer Geschwindigkeit ist in erster Linie auf verschiedene Isoformen und Mengen an Myosin-ATPase zurückzuführen. Dabei handelt es sich um ein kleines Enzym mit großer Wirkung, das in der Kopfregion des Myosins sitzt. Die Myosin-ATPase ist dafür verantwortlich, ATP zu spalten, also die sogenannte ATP-Hydrolyse durchzuführen. Und genau dieser Vorgang liefert die benötigte Energie für die Muskelkontraktion. Je mehr aktive Myosin-ATPasen eine Faser besitzt, desto schneller kann sie kontrahieren. Aber um die verschiedenen Fasertypen wirklich zu unterscheiden, reicht ein Blick auf die Kontraktionsgeschwindigkeit nicht aus. Deshalb betrachten wir als zweites Kriterium das Stoffwechselprofil der Skelettmuskelfasern.

Wie bereits erwähnt, können Skelettmuskelfasern ATP entweder aerob oder anaerob erzeugen. Hinter dem Begriff „Stoffwechsel” stecken eine Reihe komplexer biochemischer Prozesse, auf die wir heute allerdings nicht im Detail eingehen werden. Wir legen den Fokus auf die wichtigsten Grundlagen, um ein Grundverständnis über Muskelfasern der Skelettmuskulatur zu erlangen! Zum Stoffwechsel solltest du wissen, dass die letzte Phase der aeroben Zellatmung als oxidative Phosphorylierung bezeichnet wird. Dieser Prozess findet in den Mitochondrien statt, den sogenannten Kraftwerken der Zelle. Und wie der Name dieser Reaktion schon andeutet, läuft sie sauerstoffabhängig ab.

Der benötigte Sauerstoff gelangt über ein fein verzweigtes Netz aus Kapillaren zu den Skelettmuskelfasern. Dort wird er von einem dem Hämoglobin ähnlichen Molekül gespeichert, dem Myoglobin. Myoglobin wirkt wie ein kleiner Sauerstoffspeicher und versorgt die Muskelfaserzellen konstant mit Sauerstoff, denn diese Zellen haben einen deutlich höheren Energiebedarf als die meisten anderen Gewebe im Körper. Außerdem sorgen Myoglobin und der darin gespeicherte Sauerstoff auch für die rote Färbung des Muskelgewebes, die insbesondere bei gut durchbluteten Muskeln sichtbar ist.

Vorab ein wichtiger Punkt: Der aerobe Stoffwechsel liefert deutlich mehr ATP als der anaerobe. Während der aerobe Stoffwechsel wie eine gut geölte Maschine in einer großzügigen, gut belüfteten Küche arbeitet, ist der anaerobe Stoffwechsel eher wie ein kreativer Koch auf engstem Raum. Er ist schnell und effizient, aber verfügt nur über begrenzte Mittel und kommt ohne Sauerstoff aus. Dieser Prozess wird als anaerobe Glykolyse bezeichnet. Dabei handelt es sich um einen komplexen biochemischen Prozess, allerdings schauen wir uns nur das Wichtigste an!

Die anaerobe Glykolyse läuft extrem schnell ab! Dabei wird ATP fast 100 Mal schneller bereitgestellt als bei der oxidativen Phosphorylierung im aeroben Stoffwechsel. Dabei werden pro Glukosemolekül zwei ATP-Moleküle erzeugt. Dies ermöglicht eine kurzfristige, sauerstoffunabhängige Energiebereitstellung, zum Beispiel bei schnellen, explosiven Bewegungen. Allerdings hat diese Schnelligkeit auch ihren Preis! Als Nebenprodukt entsteht Laktat, also Milchsäure. Wenn sich Laktat im Gewebe ansammelt, kann es zu einer metabolischen Azidose kommen, da der pH-Wert sinkt und die Muskulatur so schneller erschöpft. Aus diesem Grund spielen die Unterschiede in der biochemischen Energiegewinnung, also ob die Faser eher aerob oder anaerob arbeitet, eine solch wichtige Rolle als weiteres Kriterium für die Einteilung der Skelettmuskelfasertypen.

Nachdem wir nun die Kriterien zur Einteilung der Skelettmuskelfasern kennen, schauen wir uns die verschiedenen Fasertypen genauer an.

Grundsätzlich unterscheiden wir zwischen langsam zuckenden Typ-I- und schnell zuckenden Typ-II-Skelettmuskelfasern, je nachdem wie aktiv die ATPase in den Muskelfaserzellen ist. Wie der Name schon vermuten lässt, weisen langsam zuckende Fasern eine geringe und schnell zuckende Fasern eine hohe Myosin-ATPase-Aktivität auf. Als Faustregel gilt: Je aktiver die ATPase, desto schneller kann eine Faser kontrahieren.

Erinnerst du dich an den „Wanderer” auf Bahn 1 beim großen Kenhub Wettlauf? Der Athlet, der lange Distanzen problemlos zurücklegen kann? Er konnte sich mit hoher Wahrscheinlichkeit vor allem auf seine langsam zuckenden Fasern, also die Typ-I-Fasern, verlassen. In diesen Fasern wird ATP hauptsächlich über den aeroben Stoffwechsel gewonnen, und zwar durch oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zelle. Typ-I-Fasern enthalten besonders viele Mitochondrien und können daher große Mengen an ATP produzieren. Daher eignen sie sich ideal für lang andauernde, gleichmäßige Kontraktionen, ohne dass sie schnell ermüden. Sie sind somit perfekt für Ausdauerbelastungen wie Gehen, Laufen und Radfahren.

Typ-I-Fasern haben, wie bereits erwähnt, eine eher geringe Myosin-ATPase-Aktivität und dementsprechend auch eine niedrigere Kontraktionsgeschwindigkeit. Dafür sind sie aber meist die ersten Fasern, die bei einer Muskelkontraktion rekrutiert werden. Ein weiterer Vorteil: Sie werden im Verhältnis zu ihrer Größe durch ein sehr gut ausgebautes Netz an Kapillaren versorgt. Diese feinen Blutgefäße bringen viel Sauerstoff zu den Muskelfaserzellen, den diese dann in den Mitochondrien zur Herstellung von ATP nutzen können. Zusätzlich besitzen Typ-I-Fasern viel Myoglobin, ein sauerstoffbindendes Protein, das ähnlich wie Hämoglobin in den roten Blutkörperchen funktioniert. Aufgrund dieses hohen Myoglobingehalts wirken Typ-I-Fasern in frischem Gewebe rötlich, wodurch sie auch als rote Muskelfasern bezeichnet werden. Allerdings haben sie einen relativ kleinen Durchmesser, sodass sie keine besonders hohe Spannung erzeugen können.

Kommen wir nun zu den schnell zuckenden Fasern, also den Fasern vom Typ II. Diese lassen sich weiter in zwei Untertypen gliedern: Typ IIa und Typ IIx. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der „Typ IIx“ in der deutschsprachigen Literatur häufig als „Typ IIb“ bezeichnet wird. Nach aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnissen und englischsprachigen Quellen kommen Muskelfasern des Typs IIb jedoch nicht im menschlichen Muskelgewebe vor, sondern ausschließlich bei anderen Säugetieren. In diesem Video konzentrieren wir uns also ausschließlich auf die aktuellen Bezeichnungen Typ IIa und IIx, die beiden schnell zuckenden Fasertypen, die tatsächlich im menschlichen Muskelgewebe eine Rolle spielen.

Schauen wir uns jetzt die Fasern vom Typ IIa an. Sie werden auch als schnell oxidative Fasern oder intermediäre Fasern beschrieben. Dabei handelt es sich um genau die Fasern, auf die unser Athlet auf Bahn 2 hauptsächlich zählen konnte. Warum intermediär? Weil Typ-IIa-Fasern eine Art Übergangsform darstellen. Sie vereinen Eigenschaften von langsam zuckenden Typ-I-Fasern und schnell zuckenden Typ-IIx-Fasern.

Im Vergleich zu Typ-I-Fasern sind sie größer und zahlreicher vorhanden. Vor allem aber sind sie echte Allrounder. Sie nutzen hauptsächlich den aeroben Stoffwechsel, können bei Bedarf aber auch rasch auf anaerobe Prozesse umschalten, sollte der Energiebedarf plötzlich ansteigen. Diese Fasern sind resistenter gegen Ermüdung und können Kontraktionen über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten. Ihre Ausdauer kommt jedoch nicht ganz an die der Typ-I-Fasern heran.

Zudem können Typ-IIa-Fasern schneller kontrahieren und mehr Spannung erzeugen als Typ-I-Fasern. Allerdings sind sie nicht so stark und schnell wie Typ-IIx-Fasern, die wir uns gleich ansehen werden. In der Reihenfolge der Rekrutierung werden Typ-IIa-Fasern nach den Typ-I-Fasern, jedoch vor den Typ-IIx-Fasern aktiviert – also genau dann, wenn unser Körper eine gute Mischung aus Ausdauer und Kraft braucht.

Typ-IIa-Fasern enthalten im Vergleich zu Typ-I-Fasern mehr Mitochondrien und schneiden beim Myoglobingehalt und der Kapillardichte im Verhältnis zu ihrer Größe etwas schlechter ab als die Typ-I-Fasern. Dieser Unterschied in der Zusammensetzung ist auch in der Farbe der Muskelfasern sichtbar. Typ-IIa-Fasern wirken etwas heller und zeigen eine Rosafärbung, insbesondere im Vergleich zum kräftigen Rot der Typ-I-Fasern. Zusammenfassend zeigen all diese Eigenschaften, dass Typ-IIa-Fasern eine Zwischenstufe darstellen, also das „goldene” Mittelmaß zwischen Ausdauer und Schnellkraft.

Aus diesem Grund sind diese Fasern besonders nützlich, wenn lang andauernde Bewegungen durchgeführt werden sollen, die eine höhere Muskelspannung erfordern, als die, die Typ-I-Fasern liefern können, beispielsweise beim Laufen oder Schwimmen. Hier liefern Typ-IIa-Fasern genau die richtige Mischung aus Durchhaltevermögen und moderater Kraftproduktion und verschaffen unserem „Durchschnitts-Läufer” auf Bahn 2 damit einen echten Vorteil.

Kommen wir nun endlich zu unserem letzten Kandidaten auf der Rennbahn, unserem „Sprinter” auf Bahn 3. Er hat sich voll und ganz auf seine Typ-IIx-Fasern verlassen. Bei diesem Fasertyp dreht sich alles um Maximalkraft und Geschwindigkeit. Typ-IIx-Fasern gewinnen ihre Energie fast ausschließlich über den anaeroben Stoffwechsel, genauer gesagt über die Glykolyse.

Dieses Stoffwechselprofil ist insbesondere auf schnelle, hochintensive Kontraktionen ausgelegt. Doch wie so oft hat diese Schnelligkeit ihren Preis. Im Vergleich zu anderen Fasertypen ermüden Typ-IIx-Fasern deutlich schneller. Der Grund dafür liegt darin, dass bei der anaeroben Energiegewinnung die Laktatdehydrogenase Pyruvat zu Laktat umwandelt und dieses als Nebenprodukt anfällt. Dieses saure Stoffwechselprodukt senkt den pH und führt zu einer belastungsinduzierten metabolischen Azidose, die wiederum zur Erschöpfung der Muskeln beiträgt.

Typ-IIx-Fasern verfügen außerdem über ein großes Glykogendepot, das quasi als zusätzlicher Booster für die Muskulatur wirkt. Dieser gespeicherte Energievorrat ermöglicht die schnelle Freisetzung von Glukose und liefert damit Energie, die für schnelle, kraftvolle Kontraktionen erforderlich ist. Werden diese Fasern morphologisch betrachtet, also in ihrer Struktur, so haben sie einen größeren Durchmesser und eine weißlichere Färbung als die Skelettmuskelfasern der anderen Kategorien. Das liegt daran, dass sie ihre Energie lediglich zu einem kleinen Teil aus der oxidativen Phosphorylierung ziehen und somit nur eine niedrige Dichte an Mitochondrien, Kapillarstrukturen und Myoglobin benötigen.

Daher sind Skelettmuskelfasern vom Typ IIx am besten angepasst, um explosive, kurze, anaerobe Anstrengungen zu bewältigen. Ob Gewichtheben, Sprinten oder Springen, bei diesen Aktivitäten übernehmen vor allem diese Fasern die Arbeit, da sie die Kraftpakete unter den Muskelfasern sind und besonders auf schnelle, intensive Kontraktionen spezialisiert sind. Daher sind sie perfekt für unseren Sprinter auf Bahn 3, der alle anderen hinter sich zurücklässt und nur ein kurzer Luftzug von ihm zurückbleibt.

Zum Abschluss unseres Kenhub-Wettlaufs werfen wir noch einen kurzen Blick darauf, wie sich Skelettmuskelfasern unter regelmäßigem Training anpassen. Aufgrund der bereits erwähnten Plastizität unserer Skelettmuskulatur, ist diese in der Lage, sich an die Art der Belastung anzupassen und so effizienter, stärker oder ausdauernder zu werden.

Werfen wir zunächst einen Blick auf das aerobe Training, also Ausdaueraktivitäten wie Laufen oder Schwimmen. Diese Aktivitäten wirken wie ein Katalysator für den oxidativen Stoffwechsel, und das sogar in allen Muskelfasertypen. Diese Verbesserung ist auf zwei wesentliche Anpassungen zurückzuführen: einmal die Zunahme an Mitochondrien in den Muskelfasern selbst und die Ausbildung eines dichten Netzes an Blutgefäßen um die Skelettmuskelfasern herum. Dieser Prozess wird auch als Kapillarisierung bezeichnet. Diese beiden Aspekte sorgen zusammen dafür, dass die Muskeln mehr Sauerstoff aufnehmen und effizienter in Energie umwandeln können.

Beim anaeroben Training, also bei kurzen, hochintensiven Aktivitäten wie Sprinten oder Gewichtheben, greifen allerdings andere Anpassungsmechanismen. Dabei werden die Muskeln nicht nur stärker, sondern es kommt auch zu Veränderungen ihrer Muskelfasereigenschaften. Anaerobes Training regt insbesondere die Expression bestimmter Myosinisoformen an, die vorwiegend in Muskelfasern vom Typ II vorkommen.

Es ist wichtig zu wissen, dass solche Anpassungen nicht über Nacht geschehen. Um spürbare Veränderungen der Muskelleistung und der Muskelfasereigenschaften zu erreichen, muss man sich an ein konsequentes Trainingsprogramm halten. Egal ob es sich um aerobes oder anaerobes Training handelt, auch hier gilt, ähnlich wie beim Erlernen der Physiologie, der Schlüssel ist Geduld, Wiederholung und Ausdauer! So lassen sich nachhaltige Veränderungen und langfristige Erfolge erreichen!

Wenn du also das nächste Mal gemütlich spazieren gehst oder einen Sprint hinlegst, wirst du dich hoffentlich daran erinnern, welche Kraftpakete da für dich arbeiten.

Vielen Dank fürs Zuschauen und bis zum nächsten Kenhub-Wettlauf!