Grundlagen der Muskelphysiologie

Zelluläre Organisation

Beim Bau jeder Struktur, sei es eine Brücke oder ein Protein, sind drei Elemente erforderlich:

• Bau Materialien
• Energie
• Baupläne

Das gilt auch für biologische Systeme:

• Proteine sind das Baumaterial. Sie geben Zellen, Geweben, Organen und lebender Materie Form und Substanz.
• Kohlenhydrate werden in Energie umgewandelt, um den zellulären Aufbauprozess anzutreiben. Wenn mehr Energie verfügbar ist als für ein Projekt benötigt wird, werden die Kohlenhydrate in Fette umgewandelt, um langfristig Energie zu speichern.
• Schließlich liefern Nukleotide im Zellkern die Baupläne für das Projekt.

Eine Zelle – vereinfacht

Obwohl eine Zelle hunderte von Organellen und Teilen hat, konzentrieren wir uns hauptsächlich auf vier Zellbestandteile.

• Mitochondrien – Dies ist das Kraftwerk, das in allen Zellen vorkommt. Es ist wie eine winzige Batterie. Es wandelt Kohlenhydrate in nutzbare Energie für den Aufbau um.
• Zellkern – Das Zentrum der Zelle ist voller DNA und RNA, den nukleotidischen Bauplänen.
• Ribosomen – Das sind winzige Fabriken oder biologische Roboter, die RNA aus der Kernbibliothek lesen. Das Ribosom liest die RNA wie ein Laufband, verarbeitet sie und gibt eine Kette von Aminosäuren aus, um spezifische Proteine zu bilden. Im menschlichen Körper gibt es über 500.000 einzigartige Proteine.
• Endoplasmatisches Retikulum – Das ER bildet ein Autobahnsystem durch die Zelle. Es ist ein komplexes Röhrensystem, das Proteine durch die Zelle transportiert. In Muskelzellen wird es als sarkoplasmatisches Retikulum bezeichnet.

Organisation in lebenden Systemen

Die einzelne Zelle ist die Grundeinheit lebender Materie. Eine Gruppe von Zellen, die dieselbe Funktion erfüllen, nennt man Gewebe. Verschiedene Gewebearten, die zusammenarbeiten, um eine Funktion zu erfüllen, werden als Organ bezeichnet. Gruppen von Organen, die zusammenarbeiten, bilden ein System. Mehrere Systeme zusammen bilden einen Organismus.

Muskelzellen

Tiere haben drei Arten von Muskelzellen.

• Quergestreifte Muskeln sind die willkürlichen Muskeln, die an Knochen ansetzen. Wir steuern diese Muskeln bewusst. Unter dem Mikroskop erscheinen sie gestreift.
• Glatte Muskeln sind die unwillkürlichen Muskeln, die nicht bewusst gesteuert werden. Sie reagieren auf Hormone, ionische Verbindungen, Signale benachbarter Zellen und das autonome Nervensystem. Glatte Muskulatur findet sich in allen Hohlorganen (z. B. Magen, Gebärmutter, Blase, Darm) und allen Blutgefäßen.
• Herzmuskulatur kommt nur im Herzen vor. Obwohl die Herzfrequenz auf Reize reagieren kann, zieht sich die Herzmuskulatur unabhängig zusammen, solange sie lebt.

Alle drei Muskeltypen haben einige Gemeinsamkeiten. Alle Muskeln enthalten zwei Proteine, Aktin und Myosin, die Querbrücken bilden und die Muskelkontraktion und -entspannung bewirken. Aufgrund ihres hohen Energiebedarfs besitzen alle Muskelzellen viele Mitochondrien. Calcium (Ca²⁺) erleichtert die Kontraktion in allen Muskelzellen. Das sarkoplasmatische Retikulum verfügt über T-Tubuli, die Calcium über die Länge der Muskelzelle verteilen. An der neuromuskulären Verbindung (wo eine Nervenzelle auf einen Muskel trifft) findet ein elektrisches Ereignis an der Muskeloberfläche statt, das die Freisetzung von Calcium und die anschließende Muskelkontraktion auslöst.

Skelett- und Herzmuskeln bestehen aus grundlegenden kontraktilen Einheiten, den Sarkomeren. Sarkomere verleihen diesen Muskeln ihr charakteristisches quergestreiftes Aussehen.

Sarkomereinheiten sind innerhalb eines Muskels hintereinander angeordnet, wie hier gezeigt.