Muskelkontraktion & Atmung: Mechanismen und Anatomie

Muskelkontraktion: Der molekulare Mechanismus

Phasen der Muskelkontraktion

• Calciumfreisetzung und Bindung

  Calcium-Ionen werden aus dem sarkoplasmatischen Retikulum freigesetzt und stehen Aktin und Myosin zur Verfügung.

• Strukturänderung des Troponins

  Die Calcium-Ionen binden an Troponin-Moleküle, wodurch sich deren Struktur ändert. Diese Änderung ermöglicht es den Myosinfilamenten, sich mit den Aktinfilamenten zu verbinden und Querbrücken zu bilden.

• Myosinkopf-Aktivität und Gleitmechanismus

  Myosinsegmente nehmen eine runde Kopfform an, die sich von der Basis der Myosinfilamente erstreckt. Dieser Kopf kann in Anwesenheit von Calcium ATP spalten und dessen Energie für den Kontraktionsprozess nutzen. Wenn die Muskelfaser aktiviert ist, initiieren Calcium-Ionen den Abbau von ATP zu ADP, wodurch Energie freigesetzt wird. Mit dieser freigesetzten Energie binden die Myosinköpfe an Aktin, beugen sich und ziehen die Aktinfilamente in Richtung der Sarkomermitte. Dieser Zyklus wiederholt sich während der Kontraktion, wobei in jedem Schritt neue Energie und Calcium-Ionen genutzt werden, was zu einer Verkürzung des Muskels führt. Beachten Sie, dass sich die Aktinfilamente während der Kontraktion zur Mitte der Myofibrille bewegen, wodurch sich der Muskel verkürzt.

Phasen der Muskelentspannung

• Deaktivierung von Acetylcholin

  Der Neurotransmitter Acetylcholin im synaptischen Spalt wird durch das Enzym Acetylcholinesterase deaktiviert.

• Calcium-Rücktransport

  Calcium-Ionen werden aktiv in das sarkoplasmatische Retikulum zurückgepumpt.

• Muskelentspannung

  Ohne die Anwesenheit von Calcium gleiten die Aktinfilamente in ihre ursprüngliche Position zurück, und es tritt Muskelentspannung auf. Diese gesamte Abfolge von Ereignissen findet in Millisekunden statt.

Muskeltonus

Selbst wenn unsere Muskeln nicht aktiv bewegt werden, befinden sie sich in einem Zustand teilweiser Kontraktion, dem sogenannten Muskeltonus. Zu jeder Zeit sind einige Muskelfasern durch Nervenimpulse angeregt und zusammengezogen. Der Muskeltonus ist ein unbewusster Prozess, der die Muskeln auf Aktion vorbereitet. Wird der motorische Nerv eines Muskels durchtrennt, entspannt sich dieser Muskel vollständig.

Nervöse Regulation der Muskelkontraktion

Die Kontraktion verschiedener Muskeltypen wird durch efferente Bahnen des peripheren Nervensystems (Nerven und Ganglien außerhalb des zentralen Nervensystems) gesteuert:

• Somatisches Nervensystem

  Besteht aus Neuronen, die Informationen in Form von Nervenimpulsen vom zentralen Nervensystem zu den Skelettmuskeln leiten und somit willkürliche Bewegungen ermöglichen.

• Vegetatives (Autonomes) Nervensystem

  Besteht aus Neuronen, die Informationen von Rezeptoren zum zentralen Nervensystem und Neuronen, die Informationen vom zentralen Nervensystem zu den glatten Muskeln und Drüsen leiten. Es ist in zwei Teile unterteilt:

  • Sympathische Division

    Beteiligt sich an den Reaktionen des Organismus auf Stresssituationen (Kampf-oder-Flucht-Reaktion).

  • Parasympathische Division

    Stellt das Gleichgewicht des Körpers in Ruhephasen wieder her (Rest-and-Digest).

Bei der Kontraktion und/oder Entspannung der Skelettmuskulatur leiten efferente Nervenfasern des somatischen Nervensystems Nervenimpulse zu bestimmten Bereichen der Hirnrinde, die die Einleitung willkürlicher Muskelbewegungen steuern. Die Aktivität der glatten oder unwillkürlichen Muskulatur (Herzmuskel, Drüsen im Körper) wird durch die efferenten Nervenfasern des vegetativen Nervensystems reguliert. Diese Fasern sind in den verschiedenen Spinalnerven gruppiert und stellen die Verbindung zum Rückenmark her. In Abstimmung mit dem zentralen Nervensystem (Gehirn und Rückenmark) steuert das Nervensystem die Vitalfunktionen des Körpers.

Anatomie des Atmungssystems

Das Atmungssystem ist für den Gasaustausch zwischen dem Körper und der Umwelt verantwortlich. Es besteht aus verschiedenen Organen und Strukturen:

• Nasenlöcher

  Zwei Öffnungen in der Nase, die den Eintritt von Sauerstoff in den Körper und die Abgabe von Kohlendioxid in die Umgebung ermöglichen.

• Nasenhöhle

  Der innere Bereich der Nase, ausgekleidet mit einer Schleimhaut, die die Luft befeuchtet. Sie enthält auch Haare, die die Atemluft filtern und Schmutz sowie Staub daran hindern, die Lunge zu erreichen.

• Mundhöhle

  Auch als oral Cavity bezeichnet, ist der Raum vor dem Rachen, durch den Nahrung aufgenommen wird und der auch als alternativer Atemweg dienen kann.

• Pharynx (Rachen)

  Ein muskulöser Schlauch im Nacken, der sowohl der Atmung als auch der Verdauung dient. Hier passieren Luft und Nahrung.

• Kehlkopf (Larynx)

  Das Organ, das die Stimme produziert und die Stimmbänder enthält. Er ist ein notwendiger Durchgang für Atemgase und ermöglicht den Luftstrom in die Luftröhre und Lunge. Beim Schlucken verschließt er sich, um den Eintritt von Nahrung in die Atemwege zu verhindern.

• Trachea (Luftröhre)

  Ein im Hals gelegenes Rohr, das sich vom Kehlkopf bis zu den Bronchien erstreckt. Sie ist der Hauptatemweg zur Lunge und verzweigt sich in zwei Hauptbronchien.

• Bronchien

  Weitere luftleitende Teile, die von der Luftröhre zu den Alveolen (dem Ort des Gasaustauschs) reichen. Sie verzweigen sich in einen rechten und einen linken Hauptbronchus.

• Lunge

  Die Lungen sind die Hauptorgane der Atmung, in denen die Hämatose stattfindet – ein Prozess, bei dem rote Blutkörperchen Sauerstoff aufnehmen und Kohlendioxid abgeben. Sie sind durch die Rippen geschützt und befinden sich im Brustkorb auf beiden Seiten des Herzens, getrennt durch das Mediastinum (der Raum zwischen ihnen).

• Thorax (Brustkorb)

  Besteht hauptsächlich aus den Rippen und dem Brustbein, die die Lunge und das Herz schützen und deren ordnungsgemäße Funktion gewährleisten.

• Zwerchfell (Diaphragma)

  Ein dünner, flacher Muskel, der den Brustkorb vom Bauchraum trennt. Dieser Muskel ist aktiv an der Atmung sowie an phonatorischen und Verdauungsfunktionen beteiligt.

Das Atemzentrum

Das Atemzentrum besteht aus mehreren Gruppen von Neuronen, die bilateral in der Medulla oblongata und im Pons lokalisiert sind. Diese Neuronen steuern den Grundrhythmus der Atmung, der sich an die Anforderungen des Körpers anpassen kann. Es besteht aus drei Hauptgruppen von Neuronen:

1. Dorsale respiratorische Gruppe
2. Ventrale respiratorische Gruppe
3. Pneumotaktisches Zentrum