Muskelphysiologie: Kurze Beschreibung

Von Dr. Gianfranco De Angelis

Es ist entmutigend zu sehen, wie Instruktoren und Personal Trainer "empirische" Erklärungen zu verschiedenen Themen abgeben: Muskelmasse (Hypertrophie), Kraftzuwachs, Widerstand usw., ohne auch nur grobe Kenntnisse der histologischen Struktur und der Muskelphysiologie zu haben.

Nur wenige verfügen über mehr oder weniger fundierte Kenntnisse der makroskopischen Anatomie, als ob es ausreichen würde, zu wissen, wo sich der Bizeps oder der Brustmuskel befindet, und verstehen die histologische Struktur und noch weniger die Biochemie und Physiologie der Muskeln falsch. Ich werde versuchen, so weit wie möglich eine kurze und einfache Behandlung des Themas zu ermöglichen, die auch dem Laien der biologischen Wissenschaften zugänglich ist.

Histologische Struktur

Muskelgewebe unterscheidet sich von anderen Geweben (Nervengewebe, Knochengewebe, Bindegewebe) durch eine offensichtliche Eigenschaft: Kontraktilität, dh Muskelgewebe kann sich kontrahieren oder seine Länge verkürzen. Bevor wir sehen, wie es sich verkürzt und welche Mechanismen es hat, wollen wir uns mit seiner Struktur befassen. Wir haben drei Arten von Muskelgewebe, die sich sowohl histologisch als auch funktionell unterscheiden: skelettgestreiftes Muskelgewebe, glattes Muskelgewebe und Herzmuskelgewebe. Der hauptsächliche funktionale Unterschied zwischen den ersten und den beiden anderen besteht darin, dass die beiden anderen unabhängig vom Willen sind, während der erste vom Willen bestimmt wird. Das erste sind die Muskeln, die die Knochen in Bewegung bringen, die Muskeln, die wir mit Hanteln, Hanteln und Maschinen trainieren. Der zweite Typ wird durch die Muskeln der Eingeweide wie die Muskeln des Magens, des Darms usw. gegeben. die, wie wir jeden Tag sehen, nicht vom Willen kontrolliert werden. Der dritte Typ ist der kardiale: Sogar das Herz besteht aus Muskeln, tatsächlich ist es in der Lage, sich zusammenzuziehen; Insbesondere ist sogar der Herzmuskel gestreift, so ähnlich wie der Skelettmuskel, jedoch ein wichtiger Unterschied, dessen rhythmische Kontraktion unabhängig vom Willen ist.

Der gestreifte Skelettmuskel ist derjenige, der für freiwillige motorische Aktivitäten und somit für sportliche Aktivitäten verantwortlich ist. Der gestreifte Muskel besteht wie alle anderen Strukturen und Apparate des Organismus aus Zellen; Die Zelle ist die kleinste Einheit, die in der Lage ist, unabhängig zu leben. Im menschlichen Körper gibt es Milliarden von Zellen, und fast alle von ihnen haben einen zentralen Teil, den so genannten Kern, umgeben von einer gallertartigen Substanz, die als Zytoplasma bezeichnet wird. Die Zellen, aus denen der Muskel besteht, werden als Muskelfasern bezeichnet : Sie sind längliche Elemente, die in Längsrichtung zur Muskelachse angeordnet und in Streifen zusammengefasst sind. Die Hauptmerkmale der gestreiften Muskelfaser sind drei:

Es ist sehr groß, die Länge kann einige Zentimeter erreichen, der Durchmesser beträgt 10-100 Mikrometer (1 Mikrometer = 1/1000 mm.). Die anderen Körperzellen sind mit einigen Ausnahmen mikroskopisch klein.
Es hat viele Kerne (fast alle Zellen haben nur einen) und wird daher ein "mehrkerniges Synzytium" genannt.
Es erscheint quergestreift, dh es zeigt einen Wechsel von dunklen und hellen Bändern. Die Muskelfaser weist in ihrem Zytoplasma längliche Formationen auf, die in Längsrichtung zur Achse der Faser und damit auch zur Achse des Muskels angeordnet sind und als Myofibrillen bezeichnet werden. Wir können sie als längliche Schnüre betrachten, die innerhalb der Zelle angeordnet sind. Myofibrillen sind auch quer gestreift und sie sind diejenigen, die für die Streifen der gesamten Faser verantwortlich sind.
Nehmen wir eine Myofibrille und studieren sie: Sie hat dunkle Bänder, die als Bänder A bezeichnet werden, und helle Bänder, die als I bezeichnet werden. In der Mitte von Band I befindet sich eine dunkle Linie, die als Linie Z bezeichnet wird. Der Abstand zwischen einer Linie Z und der anderen wird genannt Sarkomer, das das kontraktile Element und die kleinste funktionelle Einheit des Muskels darstellt; In der Praxis wird die Faser verkürzt, weil ihre Sarkomere verkürzt sind.

Nun wollen wir sehen, wie die Myofibrille hergestellt wird, das ist die sogenannte Muskel-Ultrastruktur. Es besteht aus Filamenten, von denen einige große als Myosinfilamente, andere dünne als Aktinfilamente bezeichnet werden. Die großen passen so mit den dünnen zusammen, dass das Band A durch das dicke Filament gebildet wird (deshalb ist es dunkler), das Band I wird stattdessen durch den Teil des dünnen Filaments gebildet, der nicht an dem schweren Filament haftet (der durch das dicke Filament gebildet wird) dünnes Filament ist leichter).

Kontraktionsmechanismus

Nachdem wir die histologische Struktur und die Ultrastruktur kennen, können wir den Mechanismus der Kontraktion erwähnen. Bei der Kontraktion fließen die leichten Filamente zwischen den schweren Filamenten, so dass die Bänder I an Länge verlieren; so nimmt auch die Länge des Sarkomers ab, dh der Abstand zwischen einem Z-Band und dem anderen: daher tritt die Kontraktion nicht auf, weil sich die Filamente verkürzt haben, sondern weil sie die Länge des Sarkomers verringert haben. Durch Verringern der Länge des Sarkomers wird die Länge der Myofibrillen verringert. Da die Myofibrillen die Faser bilden, wird die Länge der Faser verringert, und folglich wird der Muskel, der aus Fasern besteht, verkürzt. Offensichtlich wird Energie benötigt, damit diese Filamente fließen können, und diese wird durch eine Substanz bereitgestellt: ATP (Adenosintriphosphat), die die Energiewährung des Körpers darstellt. ATP entsteht durch die Oxidation von Lebensmitteln: Die Energie, die Lebensmittel haben, wird an das ATP weitergegeben, das sie dann an die Filamente abgibt, damit sie fließen. Damit eine Kontraktion stattfinden kann, ist auch ein anderes Element erforderlich, das Ca ++ -Ion (Calcium). Die Muskelzelle hält große Vorräte in ihrem Inneren und stellt sie dem Sarkomer zur Verfügung, wenn die Kontraktion auftreten muss.

Muskelkontraktion aus makroskopischer Sicht

Wir haben gesehen, dass das kontraktile Element das Sarkomer ist. Wir untersuchen nun den gesamten Muskel und untersuchen ihn aus physiologischer Sicht, jedoch makroskopisch. Damit sich ein Muskel zusammenzieht, muss ein elektrischer Reiz an ihm ankommen: Dieser Reiz kommt vom motorischen Nerv, ausgehend vom Rückenmark (wie es natürlich geschieht); oder es kann von einem motorischen Nerv stammen, der reseziert und elektrisch stimuliert wird, oder indem der Muskel direkt elektrisch stimuliert wird. Stellen Sie sich vor, Sie nehmen einen Muskel: Ein Ende ist an einen festen Punkt gebunden, das andere Ende hängen wir an ein Gewicht. an diesem Punkt stimulieren wir es elektrisch; Der Muskel zieht sich zusammen, das heißt, er verkürzt sich und hebt das Gewicht. Diese Kontraktion wird als isotonische Kontraktion bezeichnet. Wenn wir stattdessen den Muskel mit beiden Enden an zwei starre Stützen binden, wird der Muskel beim Stimulieren an Spannung zunehmen, ohne sich zu verkürzen. Dies wird als isometrische Kontraktion bezeichnet. In der Praxis ist dies eine isotonische Kontraktion, wenn wir die Stange im Kreuzheben nehmen und anheben. Wenn wir es mit einem sehr hohen Gewicht beladen und gleichzeitig versuchen, es zu heben, bewegen wir es nicht, auch wenn wir die Muskeln maximal zusammenziehen. Dies wird als isometrische Kontraktion bezeichnet. In der isotonischen Kontraktion haben wir eine mechanische Arbeit ausgeführt (Arbeit = Kraft x Verschiebung); Bei der isometrischen Kontraktion ist die mechanische Arbeit Null, weil: Arbeit = Kraft x Verschiebung = 0, Verschiebung = 0, Arbeit = Kraft x 0 = 0

Wenn wir den Muskel mit einer sehr hohen Frequenz stimulieren (d. H. Mit zahlreichen Impulsen pro Sekunde), entwickelt er eine sehr hohe Kraft und bleibt maximal zusammengezogen. Der Muskel in diesem Zustand soll sich im Tetanus befinden. Tetanische Kontraktion bedeutet daher maximale und kontinuierliche Kontraktion. Ein Muskel kann sich nach Belieben ein wenig oder viel zusammenziehen. Dies ist durch zwei Mechanismen möglich: 1) Wenn sich ein Muskel nur wenig zusammenzieht, ziehen sich nur einige Fasern zusammen; Erhöhen Sie die Intensität der Kontraktion, werden andere Fasern hinzugefügt. 2) Eine Faser kann sich abhängig von der Häufigkeit der Entladung, dh der Anzahl der elektrischen Impulse, die die Muskeln in einer Zeiteinheit erreichen, mit geringerer oder größerer Kraft zusammenziehen. Durch die Modulation dieser beiden Variablen bestimmt das Zentralnervensystem, mit welcher Kraft sich der Muskel zusammenziehen muss. Kommt es zu einer starken Kontraktion, verkürzen sich nicht nur fast alle Muskelfasern, sondern auch alle mit großer Kraft. Kommt es zu einer schwachen Kontraktion, verkürzen sich nur wenige Fasern und mit geringerer Kraft.

Wir sprechen jetzt einen weiteren wichtigen Aspekt der Muskelphysiologie an: den Muskeltonus . Der Muskeltonus kann als ein kontinuierlicher Zustand leichter Muskelkontraktion definiert werden, der vom Willen unabhängig ist. Welcher Faktor verursacht diesen Kontraktionszustand? Vor der Geburt haben die Muskeln die gleiche Länge wie die Knochen, und mit der Entwicklung dehnen sich die Knochen stärker als die Muskeln, so dass diese gedehnt werden. Wenn sich ein Muskel aufgrund eines Wirbelsäulenreflexes (myotatischer Reflex) zusammenzieht, bestimmt die kontinuierliche Dehnung, der der Muskel ausgesetzt ist, einen kontinuierlichen Zustand einer leichten, aber anhaltenden Kontraktion. Die Ursache ist eine Reflexion, und da das Hauptmerkmal der Reflexe das nicht freiwillige ist, wird der Ton nicht vom Willen bestimmt. Der Tonus ist ein Phänomen auf der Basis von Nervenreflexen. Wenn ich den Nerv vom Zentralnervensystem zum Muskel schneide, wird er schlaff und verliert seinen Tonus vollständig.

Die Kontraktionskraft eines Muskels hängt von seinem Querschnitt ab und beträgt 4-6 kg.cm2. Aber das Prinzip gilt grundsätzlich, es gibt kein genaues Verhältnis der direkten Proportionalität: Bei einem Sportler kann ein Muskel, der etwas kleiner als der eines anderen Sportlers ist, stärker sein. Ein Muskel vergrößert sein Volumen, wenn er mit zunehmendem Widerstand trainiert wird (es ist das Prinzip, auf dem gewichtsbasiertes Turnen basiert); Es sollte betont werden, dass das Volumen jeder Muskelfaser zunimmt, während die Anzahl der Muskelfasern konstant bleibt. Dieses Phänomen nennt man Muskelhypertrophie.

Muskelbiochemie

Stellen wir uns nun dem Problem der Reaktionen, die in den Muskeln stattfinden. Wir haben bereits gesagt, dass für die Kontraktion Energie stattfindet; Diese Energie speichert die Zelle im sogenannten ATP (Adenosintriphosphat), das, wenn es dem Muskel Energie gibt, in ADP (Adenosindiphosphat) + Pi (anorganisches Phosphat) umgewandelt wird. Die Reaktion besteht in der Entfernung eines Phosphats. Die Reaktion, die im Muskel stattfindet, ist ATP → ADP + Pi + Energie. Es gibt jedoch nur wenige ATP-Bestände, die neu synthetisiert werden müssen. Damit sich der Muskel zusammenzieht, muss daher auch die Rückreaktion (ADP + Pi + Energie> ATP) stattfinden, damit der Muskel immer ATP zur Verfügung hat. Die Energie für die ATP-Resynthese gibt uns Nahrung: Nachdem sie verdaut und absorbiert wurden, gelangen sie über das Blut zum Muskel und geben dort ihre Energie ab, um die ATP-Form herzustellen.

Die energetische Substanz schlechthin ist Zucker, insbesondere Glucose. Glucose kann in Gegenwart von Sauerstoff (unter aeroben Bedingungen) gespalten werden und wird, wie es zu Unrecht gesagt wird, "verbrannt"; Die Energie, die freigesetzt wird, nimmt sie vom ATP auf, während Glukose nur Wasser und Kohlendioxid enthält. Aus einem Glucosemolekül werden 36 ATP-Moleküle gewonnen. Glukose kann aber auch in Abwesenheit von Sauerstoff angegriffen werden. In diesem Fall wird sie in Milchsäure umgewandelt und es werden nur zwei ATP-Moleküle gebildet. dann gelangt Milchsäure in das Blut zur Leber, wo sie wieder in Glukose umgewandelt wird. Dieser Zyklus von Milchsäure wird als Cori-Zyklus bezeichnet. Was passiert praktisch, wenn sich der Muskel zusammenzieht? Zu Beginn, wenn der Muskel zu kontrahieren beginnt, ist die ATP sofort erschöpft und der Sauerstoff, der den Muskel erreicht, ist unzureichend, da keine Anpassungen der Herz- und Atemwege mehr vorgenommen wurden, weshalb sich die Glukose aufspaltet Abwesenheit von sauerstoffbildender Milchsäure. In einem zweiten Mal können wir zwei Situationen haben: 1) Wenn die Anstrengung auf leichte Weise fortgesetzt wird, ist der Sauerstoff ausreichend, dann oxidiert die Glukose in Wasser und Kohlenstoffanhydrit: Milchsäure wird sich nicht ansammeln und die Übung kann stundenlang fortgesetzt werden ( Diese Art von Anstrengung wird daher als aerob bezeichnet (z. B. Bottom Run). 2) Wenn die Anstrengung weiterhin intensiv ist, obwohl viel Sauerstoff den Muskel erreicht, wird viel Glukose in Abwesenheit von Sauerstoff abgebaut. daher wird sich viel Milchsäure bilden, die Müdigkeit verursachen wird (wir sprechen von anaeroben Anstrengungen; zum Beispiel von einem schnellen Lauf wie den 100 Metern). In der Ruhephase wird Milchsäure in Gegenwart von Sauerstoff wieder zu Glucose. Am Anfang fehlt uns sogar bei der aeroben Anstrengung Sauerstoff: Wir sprechen von einer Sauerstoffschuld, die bezahlt wird, wenn wir uns ausruhen; der Sauerstoff wird verwendet, um Glucose aus Milchsäure neu zu synthetisieren; Tatsächlich verbrauchen wir unmittelbar nach der Anstrengung mehr Sauerstoff als normal: Wir zahlen die Schulden ab. Wie Sie sehen können, haben wir Glukose als Beispiel für Kraftstoff angeführt, da es der wichtigste Kraftstoff für Muskeln ist. Selbst wenn Fette eine größere Energiemenge haben, benötigen Sie immer eine bestimmte Menge Glycide und viel mehr Sauerstoff, um sie zu oxidieren. Fehlen diese, kommt es zu erheblichen Störungen (Ketose und Azidose). Proteine können jedoch als Brennstoff verwendet werden, da sie die einzigen sind, die zur Bildung von Muskeln verwendet werden. In ihnen herrscht die plastische Funktion vor. Lipide haben die Eigenschaft, dass sie bei gleichem Gewicht mehr Energie als Zucker und Proteine haben: Sie werden idealerweise als Einlage verwendet. Die Glycide sind also der Brennstoff, die Proteine die Rohstoffe, die Lipide die Reserven.

Ich habe in diesem Artikel versucht, die Physiologie des Muskels so klar wie möglich zu halten, ohne dabei die wissenschaftliche Strenge zu vernachlässigen: Ich denke, ich hätte ein großartiges Ergebnis erzielt, wenn ich die Fitnessoperatoren dazu angeregt hätte, sich ernsthafter mit Physiologie zu beschäftigen, weil ich der Meinung bin, dass die Grundbegriffe der Physiologie und Anatomie müssen ein unverzichtbares kulturelles Erbe sein, um zu versuchen, diesen wunderbaren menschlichen Körper auf irgendeine Weise zu verstehen.