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Percy Christensen <[email protected]>
Referat der Biologie
Zum Thema: Aufbau und Arbeitsweise der Muskeln im tierischen Körper
1. Grundlagen
Benutzte Quellen:
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Microsoft Encarta 98 CD-ROM
DTV-Atlas zur Biologie, Band 1 und 2
Umwelt: Biologie für die Sekundarstufe 1, S.176 ff.
Biologie heute, Sekundarstufe 2, S. 58 ff.
Was ist Was Band 2: Der Mensch
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Percy Christensen: Referat der Biologie, Thema: Muskeln, Seite 2 von 5, 29.09.00
Als Muskel wird ein Gewebe oder Organ bei Tieren und Menschen bezeichnet, charakteristisches
Zeichen für einen Muskel ist die Fähigkeit, sich auf einen Nervenreiz hin zusammenzuziehen
(kontrahieren), um so Bewegung zu ermöglichen.
Man unterscheidet dabei drei verschiedene Arten von Muskelgewebe:
a) glatte Muskelzellen
b) quergestreifte Muskelzellen
c) die Herzmuskulatur als Sonderfall
Muskeln können sich zwar kontrahieren, sie haben aber nicht die Fähigkeit, sich
selbständig wieder zum Erschlaffen zu bringen. Deswegen hat jeder Muskel einen
sog. Gegenspieler, der kontrahiert, falls der ursprüngliche Muskel keine Leistung
mehr bringen muß oder soll.
Der menschliche Körper hat etwa 600 Muskeln. Diese machen fast die Hälfte des
Körpergewichtes beim Erwachsenen aus. Vom Aufbau her kann man Muskeln mit
einem Bündel straff zusammengebundener Gummibänder vergleichen.
2. Aufbau eines Muskels
Jeder Muskel ist aus Myofibrillen aufgebaut, diese wiederum sind aus Aktin- und Myosinfilamenten
aufgebaut.
a) glatte Muskulatur
Die glatte Muskulatur besteht aus spindelförmigen Zellen, die jeweils einen
Zellkern besitzen. Querstreifen haben diese Zellen nicht, aber man kann ein
schwaches Längsstreifenmuster erkennen. Die Reize für die Bewegung der
glatten Muskulatur stammen aus dem autonomen Nervensystem, sind also nicht
willkürlich steuerbar. Glatte Muskeln kontrahieren sich langsam: ca.
30 Impulse/sec.
b) quergestreifte Muskulatur (Skelettmuskulatur)
Einige hundert Muskelfasern bilden zusammen ein Muskelfaserbündel. Tausende dieser Bündel
sind eingelagert in Bindegewebe mit Adern und Nerven aus dem zentralen Nervensystem (dies ist
der Grund, weshalb quergestreifte Muskeln willkürlich kontrahiert werden können; deshalb auch
der Name “willkürliche Muskulatur”) und bilden zusammen mit der alles umschließenden
Muskelhaut den eigentlichen Muskel. Dieser läuft in eine Sehne aus, die am Knochen befestigt ist.
Diese Muskelfaserbündel bestehen aus langen Fasern, die von einer
Membranhülle (dem Sarcolemm) umgeben sind. Diese Fasern wiederum
bestehen aus Tausenden von Myofibrillen, und diese sind schließlich aus
Myosin- und Aktinfilamenten aufgebaut(siehe auch beigefügtes Bild).
Quergestreifte Muskeln kontrahieren sich schneller: Bis zu 350 Impulse/sec.
c) Der Herzmuskel
Percy Christensen: Referat der Biologie, Thema: Muskeln, Seite 3 von 5, 29.09.00
Dieses Muskelgewebe bildet bei Wirbeltieren den größten Teil des Herzens. Die
Zellen zeigen Längsstreifen und ein unvollständiges Querstreifenmuster. Von
den Skelettmuskelzellen unterscheiden sie sich vor allem durch die in der Mitte
liegenden Zellkerne und durch die verzweigten und verflochtenen Fasern. Der
Herzmuskel unterliegt nicht dem Willen. Er wird vom autonomen Nervensystem
gesteuert, aber diese Impulse können seine Tätigkeit nur anregen oder
verlangsamen. Für die rhythmischen Kontraktionen des Herzens sind sie nicht
verantwortlich.
Die Wirkungsweise von glatten und quergestreiften Muskeln kann man gut am
Auge erkennen: Mit Hilfe der willkürlichen, also quergestreiften Muskeln
beherrscht man die Bewegungen des Auges, man kann in die Richtung blicken,
in die man sehen will. Man kann jedoch nicht die Muskeln bestimmen, die die
Pupille verengt oder erweitert: Dieser Muskelring besteht aus unwillkürlichen,
also glatten Muskeln.
3. Wirkungsweise eines Muskels
Der Grundbaustein aller Muskeln ist die Myofibrille, ein winzig kleines, fadenähnliches Gebilde, das
aus kompliziert gebauten Proteinen besteht. Jede Muskelzelle oder Muskelfaser enthält mehrere
Myofibrillen, die sich ihrerseits aus regelmäßig angeordneten dicken und dünnen Myofilamenten
zusammensetzen. Ein dickes Myofilament enthält jeweils mehrere hundert Moleküle des Proteins
Myosin. In den Filamenten befinden sich zwei Stränge des Actins, eines anderen Proteins. In den
Myofibrillen liegen Reihen aus abwechselnd angeordneten dicken und dünnen Myofilamenten, deren
Enden ineinander greifen. Wenn der Muskel sich zusammenzieht, gleiten diese Filamentreihen mit
Hilfe von Querverbindungen, die wie Sperrklinken wirken, aneinander vorbei. Die Energie für die
Bewegung erzeugen dicht gepackte Mitochondrien in der Umgebung der Myofibrillen.
Actin ( Molekulargewicht: 42000) setzt sich aus kugelförmigen Proteinen zusammen,
die zusammengenommen wie Perlenketten aneinandergereiht sind, zwei solcher
Perlenketten ergeben umeinander gewunden ein Actinfilament. An den
Actinfilamenten sitzen in ca. 40 nm Abstand voneinander Troponinmoleküle auf.
Diese Anordnung ergibt eine rillenförmige Ausbuchtung entlang des Actinfilaments.
Dagegen ist Myosin (Molekulargewicht: 500 000) ein langes Molekül, an dessen Ende
eine Art Köpfchen sitzt; 150-360 Myosinpaare bauen ein Myosinfilament auf. Ein
Myosinfilament ist etwa 10 nm lang, die Länge variiert. Das Myosinmolekül ist
unterteilt in Kopf, Hals und Schwanz – in der Art wird es als leichtes Myosin
bezeichnet, falls der Schwanz fehlt oder nur teilweise vorhanden ist, als schweres
Myosin.
Bei einem Nervenreiz verbinden sich die terminalen Bläschen der longitudinalen
Tubuli des sarkoplastischen Retikulums und die transversalen Tubuli zu der sog.
Triadenstruktur. Aus dieser Struktur werden dann Ca2+ - Ionen freigesetzt, deren
Konzentration sich innerhalb von 20 ms um das 500fache erhöht.
Dieses Calcium verbindet sich mit den auf den Actinfilamenten aufsitzenden
Troponinmolekülen. Dadurch verformt sich das Troponin, und wird in die Rillen
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zwischen den Actinproteinen gedrängt. Normalerweise verhindert aber das Troponin,
das sich das Myosin mit dem Actin verbindet, da das Troponin jetzt aber nicht mehr
da ist, kann das Myosin Myosinquerbrücken bilden. Dabei verliert es ADP und
Phosphat, das noch aus dem letzten Kontraktionszyklus vorhanden ist.
Jetzt kommt der oben schon beschriebene Vorgang in Gang: Die Myosinköpfe
verbinden sich mit den Aktinfilamenten, die Köpfchen des Myosins knicken ab und
das Actinfilament gleitet ca. 10 nm weiter (Gleitzyklus).
Nach der Kontraktion wird das Ca2+ unter ADP-Verbrauch in die longitudinalen Tubuli
zurückgepumpt. Wenn dabei die ADP-Konzentration unter einen Minimalwert fällt
(etwa durch das Absterben des Körpers) kommt es zur Totenstarre, weil sich die
Myosinfilamente nicht mehr von den Aktinfilamenten lösen.
Normalerweise aber wird innerhalb von 1-2 ms ATP nachgeliefert, dieses lagert sich an die
Myosinquerbrücke an und löst das Calcium ab, dessen Konzentration inzwischen auch wieder
gesunken ist. Dadurch spaltet es Actin und Myosin wieder voneinander, und wird selbst in ADP und
Phosphat gespalten. Währenddessen wird das Myosinköpfchen wieder in die Ausgangsstellung
zurückgebogen und der Prozeß kann wieder von vorne beginnen.
Da eine normale Zuckung den Muskel maximal um 30% verkürzt, ein Abknicken der Querbrücken das
Sarkomer aber nur um ca. 1% seiner Länge (= ca. 2-10 nm) verkürzt, muß der Gleitzyklus vielfach
durchlaufen werden, dabei addieren sich die einzelnen Zyklen von zahlreichen
hintereinanderliegenden Sarkomeren zur Gesamtkontraktion des Muskels.
Durch die Kontraktionen und die damit in Verbindung stehenden Energieumsätze entsteht im Inneren
der Zelle L(+)-Milchsäure (siehe S. 48)
4. Funktionen der Muskeln
Glatte Muskulatur findet sich in Organen, die auch aus anderem Gewebe bestehen
– z. B. enthalten Herz und Darm auch Bindegewebsschichten. Die
Skelettmuskulatur bildet meist Bündel, so daß die Muskeln ähnlich funktionieren
wie eigenständige Organe. Wenn diese Muskeln tätig sind, zeichnen sie sich oft
unter der Haut ab. Die Form der Muskelorgane hängt von ihrer Lage und ihren
Aufgaben ab. Die wissenschaftlichen Namen der Muskeln weisen auf ihre Form,
ihre Funktion oder ihre Befestigungspunkte hin: Der Trapezmuskel auf dem Rücken
hat diesen Namen, weil er die geometrische Form eines Trapezoids hat. Und der
Kaumuskel im Gesicht, wissenschaftlich Masseter genannt, hat seinen Namen nach
dem griechischen Wort masètèr (Kauer). Die Muskelfasern kann man nach ihrer
Funktion in schnelle und langsame Fasern einteilen. In den Skelettmuskeln sind
meist beide Typen vorhanden, wobei aber häufig einer überwiegt. Die schnellen
Fasern (= Quergestreifte Muskeln) sind dunkler gefärbt; sie können sich sehr
plötzlich zusammenziehen und Kraftstöße erzeugen. Die helleren (= Glatte
Muskeln) langsamen Fasern sind dafür ausdauernder.
Glatte Muskulatur ist nicht willentlich steuerbar (z.B. Kontraktion der
Geschlechtsorgane beim Orgasmus), quergestreifte dagegen schon (z.B. Laufen).
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Alle Muskeln befinden sich in einer Art Dauerkontraktion, wie sie z.B. zum Sitzen oder
zur normalen Kopfhaltung notwendig ist, dem sog. Muskeltonus.
5. Probleme der Muskeln
Durch die Energieumwandlung im Inneren des Muskels entsteht L(+) – Milchsäure
(rechtsdrehend). Falls es zu Problemen beim Abtransport der Milchsäure kommt,
kann dies Erschöpfungszustände und Krämpfe nach sich ziehen. Auch ein Mangel an
Magnesium kann zu Krämpfen und im Extremfall sogar zu Funktionsausfällen des
Muskels führen, da Magnesium zur Gewinnung von ADP aus Kreatin ebenso wie zur
Energiegewinnung aus ADP notwendig ist.
Störungen der Muskelfunktion können außerdem durch äußere Einflüsse wie
Verrenkungen, Sehnen- und Muskelentzündungen, Krankheiten wie das
Rückfallfieber, die Gicht oder Rheuma, Neuritis (=Entzündung eines peripheren Nervs
oder Gehirnnervs), Muskeldystrophie (= Rückgang der Skelettmuskeln) oder das
Ermüdungssysndrom beeinflußt werden.
Percy Christensen, 11b, Biologie-Grundkurs