Muskelkontraktionen: Wie Neurotransmitter und chemische Reaktionen Muskeln und Knochen bewegen

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Musculus quadriceps femoris

Bei Kontraktion des M. quadriceps femoris wird das Kniegelenk und somit das Bein gestreckt.

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Eine Erklärung des Muskelsystems und der Bewegung

Wodurch bewegen sich die Knochen des menschlichen Körpers? Die mechanische Bewegung des menschlichen Körpers erfolgt durch Zusammenziehung (Kontraktion) und Erschlaffung (Relaxation) der Skelettmuskulatur. Diese Muskelkontraktionen werden durch Signale des Nervensystems ausgelöst. Der gesamte Ablauf wird als Funktionsweise der Muskelkontraktur bezeichnet und lässt sich in drei Schritte unterteilen:

(1) Ein Signal tritt vom Nervensystem in das Muskelsystem über, was chemische Reaktionen auslöst.

(2) Die chemischen Reaktionen bewirken eine Neuanordnung der Muskelfasern, wodurch sich der Muskel verkürzt--er kontrahiert sich.

(3) Sobald das Nervensignal nicht mehr vorliegt, kehrt sich der chemische Prozess wieder um und die Muskelfasern ordnen sich wiederum neu an, so dass der Muskel erschlafft (Relaxation).

Beleuchten wir die einzelnen Schritte der Muskelkontraktion etwas näher.

1. Bei Übertragung eines Aktionspotentials entlang der Nervenfasern zur Muskulatur wird eine Muskelkontraktion ausgelöst

Ablauf der Muskelinnervierung

Die Muskelkontraktion beginnt, wenn das Nervensystem ein Signal erzeugt. Das Signal, auch als Aktionspotential bezeichnet, breitet sich entlang einer bestimmten Art von Nervenzelle aus, dem Motoneuron. Als neuromuskuläre Synapse wird die Stelle bezeichnet, an der das Motoneuron eine Muskelzelle erreicht. Skelettmuskulatur besteht aus speziellen Zellen, den Muskelfasern. Sobald das vom Nervensystem stammende Signal die neuromuskuläre Synapse erreicht, setzt das Motoneuron einen chemischen Botenstoff frei. Der chemische Botenstoff, ein Neurotransmitter namens Acetylcholin, bindet an Rezeptoren auf der Außenseite der Muskelfaser. Dies leitet eine chemische Reaktion innerhalb des Muskels ein.

2. Es wird Acetylcholin freigesetzt, das an Rezeptoren auf der Muskelmembran bindet.

Kontrahierter Zustand der Sarkomere

Wenn das Acetylcholin an Rezeptoren auf der Muskelfasermembran bindet, beginnt ein mehrstufiger Molekularprozess innerhalb der Muskelfaser. Die Eiweiße im Inneren der Muskelfaser sind langen Ketten angeordnet, die miteinander in Wechselwirkung treten können, um durch die Änderung ihrer Anordnung sich zu verkürzen bzw. zu erschlaffen. Wenn das Acetylcholin die Rezeptoren auf den Membranen der Muskelfasern erreicht, öffnen sich Kanäle in der Membran und es beginnt der Prozess, durch den sich ein erschlaffter Muskel kontrahiert:

  • Durch die geöffneten Kanäle strömt Natrium in das Zytoplasma der Muskelfaser.
  • Der Einstrom des Natriums sendet auch ein Signal an den Muskel, mit der Freisetzung der gespeicherten Kalziumionen zu beginnen.
  • Die Kalziumionen diffundieren in die Muskelfaser.
  • Die relative Anordnung der Eiweißketten zueinander innerhalb der Muskelzellen ändert sich, was zur Kontraktion führt.

3. Muskelfasern erschlaffen, sobald das vom Nervensystem übermittelte Signal nicht länger anliegt

Erschlaffter Zustand der Aktin- und Myosinfilamente

Wird das Motoneuron, das den Signalimpuls an die Muskelfasern schickt, nicht länger stimuliert, stoppt auch die chemische Reaktion, durch die sich die Eiweiße der Muskelfasern neu anordnen. Dies kehrt die chemischen Prozesse in den Muskelfasern um und der Muskel erschlafft.

Externe Hilfe

Eine Strukturbeschreibung der Skelettmuskulatur und den dicken und dünnen Filamenten der Sarkomere. Universität von Houston: Institut für Gesundheit und menschliche Leistung. http://grants.hhp.coe.uh.edu/clayne/6397/unit3.htm

Eine Aufarbeitung der wissenschaftlichen Hinweise, die für die Gleitfilamenttheorie sprechen. Universität von Tennessee in Knoxville: Institut für Umweltmodellierung. http://www.tiem.utk.edu/~gross/bioed/webmodules/muscles.html

Anatomie & Physiologie von Visible Body bietet eine umfassende Behandlung jedes Körpersystems in einer geführten, visuell ansprechenden Präsentation.