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Hier finden Sie einleitendes Wissen über den Aufbau einer Muskelzelle und die Arbeitsweise während einer Kontraktion. Einen reich bebilderten Beitrag zum anatomischen Aufbau der Muskulatur finden Sie im Beitrag Aufbau der Muskulatur.

Ablauf einer Muskelkontraktion – vom Reiz zur Kontraktion

  • Vom Gehirn kommt über einen motorischen Nerv der Befehl „Muskel kontrahiere dich“.
  • Hier wird das elektrische Signal (das sogenannte Aktionspotential) des Nervs in ein chemisches Signal für die Muskelzelle umgewandelt. Diese Verbindungsstelle nennt sich motorische Endplatte.

 

Abb. 1: Schematische Darstellung der Erregungsübertragung vom Nerv zum Muskel.

Abb. 1: Schematische Darstellung der Erregungsübertragung vom Nerv zum Muskel.

  • Ausbreitung der Erregung längs der Muskelzellmembran (=Plasmalemm) und dem T-System (siehe Abb.3).
  • Übergreifen der Erregung auf das L-System (siehe Abb.3). Öffnen von Ca++ Kanälen.
  • Ca++ diffundiert aus dem L-System in das Zytoplasma der Muskelzelle und zu den Mikrofilamenten. Die Ca++ Konzentration in den Filamenten steigt um das 1000fache(!) an. Das Ca++ arbeitet hierbei als Bote in der Muskelzelle (= intrazellulärer Botenstoff) und ist zuständig für die Infoübertragung von der Zellmembran zu den Mikrofilamenten.

Erst durch die Freigabe von Ca++ in die Filamente des Muskels beginnt der Muskel, sich zu kontrahieren.

Arbeitsweise der Muskelzellen – Ablauf eines Kontraktionszyklus von Aktin/Myosin

Für eine erneute Anspannung muss wieder CA++ die Bindung zwischen Troponin und Aktin lösen (siehe Abb.6) und das Troponin vom Aktin wegziehen. Erst dann kann sich das Myosin erneut mit dem Aktin verbinden.

Solange ein Aktionspotential besteht und CA++ das Troponin vom Aktin wegzieht, solange arbeitet das Myosin unter Verbrauch von ATP.

Dieser Beitrag wurde zuletzt am 9. Jun 2018 @ 8:12 überarbeitet.

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Nichts in unserem Körper ist so komplex wie das Nervensystem. Hier einige beeindruckende Vergleiche. Die Gesamtlänge aller Nervenfaser würde ungefähr bis zum Mond und wieder zurück reichen. Die Angaben zur Gesamtmenge aller Nervenzellen schwanken erheblich und reichen von 15 Milliarden bis 100 Milliarden. Einige Experten sprechen sogar von bis zu einer Billionen Nervenzellen.

Überblick Nervensystem

Systeme des Nervensystems

Das menschliche Nervensystem teilt sich in die folgenden drei Systeme auf:

ZNS

Zentrales Nervensystem. Dieses umfasst die Nerven des Gehirns und des Rückenmarks.

PNS

Peripheres Nervensystem. Umfasst die Nerven von Haut, Sinnesorganen und Muskeln.

VNS

Vegetatives Nervensystem. Umfasst zwei Subsysteme, durch die alle Organe innerviert werden.

Untersysteme des Zentralen Nervensystems (ZNS)

Das ZNS besteht aus vielen einzelnen Regionen:

  • Großhirn
  • Zwischenhirn
  • Mittelhirn
  • Kleinhirn
  • Verlängertes Rückenmark (auch Nachhirn genannt)

Um nur einige zu nennen. Und unser Gehirn ist ein Energiefresser. Obwohl nur 2% unserer Körpermasse ausmachend, verschlingt es ca. 20% unseres täglichen Energiebedarfes!

Untersysteme des vegetativen Nervensystems (VNS)

Das vegetative Nervensystem teilt sich wiederum in die folgenden zwei Untersysteme auf:

Sympatikus

Einstellung aller Organe auf Aktion / Flucht des Gesamtkörpers.

  • Herz: Puls steigt
  • Darm: Hemmung

Parasympatikus

Einstellung aller Organe auf Erholung / Regeneration des Gesamtkörpers.

  • Herz: Puls sinkt
  • Magen-Darm: angeregt

Hier ein Beispiel einer Reizverarbeitung unseres Organismus und der daraus folgenden Reaktion am Beispiel einer dampfenden Pizza:

Abb. 1: Schema einer Reizverarbeitung unseres Organismus

Abb. 1: Schema einer Reizverarbeitung unseres Organismus

  1. Eine Person nimmt mit den Sinnesorganen Augen und Nase (sensible Nerven) folgendes wahr: Augen → „Pizza“, Nase → „riecht gut“. Diese beiden Sinneseindrücke werden über somato-sensible Nerven an den zuständigen Bereich des Zentralen Nervensystems (ZNS) gemeldet und dort verarbeitet.
  2. Zur gleichen Zeit melden die Eingeweiderezeptoren -> „Magen leer“. Über viscero-sensible Nerven gelangt diese Meldung zeitgleich an das ZNS und wird dort ebenso verarbeitet.
  3. Als Reaktion auf diese Reize erfolgt vom ZNS aus folgendes:
  4. Über viscero-motorische Nerven gelangt ein Nervenimpuls vom ZNS an Eingeweide, Drüsen und Muskeln: Die Speicheldrüse produziert vermehrt Speichel, der Magen knurrt und bildet vermehrt Magensaft.
  5. Über somato-motorische Nerven gelangt ein Nervenimpuls vom ZNS an die Skelettmuskulatur von Arm, Hand und Mund: Die Hand greift nach der Pizza, der Mund öffnet sich um ein Stück abzubeissen.
  6. Über motorische Nerven gesteuert, wird die Pizza verspeist.

Infoleitung entlang der Nervenzellen

Schema des Ladezustands einer Nervenzelle im Ruhezustand.

  • Die Diffusionskraft an der Zellmembran ist größer als die Kraft der elektrischen Anziehung
    ( Fdiff > Fel. Anz )
  • Da in der Membran einige K+ Poren offen sind, diffundieren einige K+ Ionen nach draussen.
  • Außerhalb der Nervenzelle befinden sich mehr positiv geladene Ionen.
  • Innerhalb der Nervenzelle befinden sich mehr negativ geladene Ionen.
  • Dadurch entsteht ein Ladungsunterschied von -70 mV.

 

Abb. 2: Schema des Ladezustands einer Nervenzelle im Ruhezustand.

Reizarten

Ein Reiz ist ein Signal aus der Umwelt, welcher eine Reaktion auslöst. Es gibt verschiedene Reizarten.

Reizart Beispiel
Mechanisch Druck, Vibration.
Thermisch Wärme, Kälte.
Chemisch Geruch, Geschmack, Überträgerstoffe an Synapsen, Hormone, O2, CO2, ph-Wert.
Akustisch Lauter Knall (z. B. Überschallknall).
Optisch z. B. Fotos oder Dias von Reisen etc.
Elektrisch Stromschlag, statisch aufgeladene Gegenstände.
Noxe – Gewebezerstörend (Schmerz) Verbrennungen, Schürfwunden, etc.

Rezeptorarten

Reize werden von den Rezeptoren aufgenommen und in einen elektrischen Impuls ( = Erregung) umgewandelt.

Rezeptorart Reizart
Mechanorezeptoren Taktil (Druck, Zug, Vibrationen), Akustisch, Gleichgewicht
Thermorezeptoren Kälte, Wärme
Chemorezeptoren Säure, Laugen, etc.
Photorezeptoren Licht
Nocizeptoren Schmerz

Rezeptorpotenzial

Durch einen Reiz werden Na+ Poren in der Membran geöffnet. Na+ strömt ein → Depolarisation (= Erregung) evtl. Umpolarisation (Abb.3).

Abb. 3: Schematische Darstellung eines Rezeptorpotentials.

Abb. 3: Schematische Darstellung eines Rezeptorpotentials.

Das Rezeptorpotential bildet den Reiz ab: je stärker und länger der Reiz, desto größer und länger die Depolarisation.

Weiterleitung der Erregung vom Reizort zum ZNS

Abb. 4: Erregungsweiterleitung in einer Nervenzelle.

Abb. 4: Erregungsweiterleitung in einer Nervenzelle.

  • Potentialabhängige NA+ Kanäle sind zu, solange das Membranpotential in ihrer Nähe unter -50mV liegt (z.B. -70 mV).
  • Sobald das Membranpotential durch Depolarisation über -50 mV (d.h. über der Schwelle) liegt, gehen die potentialabhängigen NA+ Kanäle auf
  • NA+ strömt ein -> Depolarisation + Umpolarisation auf bis zu +40 mV.
  • Auf den NA+ Einstrom folgt mit kurzer zeitlicher Verzögerung ein K+ Ausstrom → Repolarisation.
Abb. 5: Ablauf eines Aktionspotential im Detail.

Abb. 5: Ablauf eines Aktionspotential im Detail.

  • Es entstehen immer wieder neue Aktionspotentiale solange der überschwellige Reiz anhält (Siehe Abb. 4 Punkt 1).
  • Je stärker der Reiz, desto häufiger entstehen Aktionspotentiale (= desto höher die Aktionspotential-Frequenz, siehe Abb. 6).
Abb. 6: Zusammenhang von Reizstärke zu Membranpotential.

Abb. 6: Zusammenhang von Reizstärke zu Membranpotential.

  • In der Art einer Kettenreaktion löst die Erregung (Siehe Abb. 4 Punkt 1) ein Aktionspotential am nächsten Na+ – Kanal aus (Siehe Abb. 4 Punkt 2) usw. aus. Der Reiz wird immer weiter geleitet.
  • Die Weiterleitung erfolgt gerichtet, weil die Nervenzell-Membran direkt nach dem Aktionspotential nicht erregbar (= refraktär) ist (Pumpe muss erst etwas Ordnung schaffen).

Erregungsweiterleitung

Kontinuierliche Weiterleitung der Erregung an marklosen Nervenfasern.

Abb. 7a: marklose Nervenfaser

Abb. 7a: marklose Nervenfaser

Langsame Leitung 0,5 m – 2 m /sec. (z.B. dumpfer Schmerz, motorische Infos aus den Eingeweiden).

Abb. 7b: Kontinuierliche Weiterleitung der Erregung an einer marklosen Nervenfaser.

Abb. 7b: Kontinuierliche Weiterleitung der Erregung an einer marklosen Nervenfaser.

Saltatorische (= sprungartige) Weiterleitung der Erregung an markhaltigen Nervenfasern.

Abb. 8a: markhaltige Nervenfaser

Abb. 8a: markhaltige Nervenfaser

Schnelle Leitung 20 m – 120 m/sec. (z.B. Tastsinn, motorische Infos aus der Skelettmuskulatur).

Abb. 8b: Saltatorische Weiterleitung der Erregung an einer markhaltigen Nervenfaser.

Abb. 8b: Saltatorische Weiterleitung der Erregung an einer markhaltigen Nervenfaser.

Synapse

Definition

Die Synapse ist eine Kontaktstelle zwischen Nervenzelle → Nervenzelle, Nervenzelle → Muskelzelle und Nervenzelle → Drüsenzelle.

Übertragung der Erregung über eine Synapse

  • AP kommt am Endkopf des Neuriten der NZ1 an (= Präsynapse).
  • Ca++ strömt durch jetzt geöffnete Kanäle in die Präsynapse ein.
  • Vesikelausschüttung (=Exocytose) = Freisetzung der Überträgerstoffe (Transmitter) angeregt durch Ca++.
  • Diffusion der TM (=Transmitter) durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse.
  • Reaktion der Transmitter mit den Rezeptorproteinen der Postsnapse ( Schlüssel /Schlossprinzip).
  • Öffnen von Na+ Kanälen in der Membran der Postssynapse.
  • Rezeptorpotential → Aktionspotential.

Ende der Erregung

  • Transmitter spalten das Enzym (z.B. Acetylcholinesterase)
  • Die Bruchstücke (z.B. Acetyl + Cholin) werden wieder in die Präsynapse aufgenommen.

Neurotransmitter

Acetylcholin (Ach)

  • Motoneuron → Skelettmuskelzelle
  • Sensibles Neuron → Motoneuron und Interneuron
  • Parasympathisches N. → Organ (Herzmuskelzellen werden gehemmt, Darmmuskelzellen werden erregt).

Noradrenalin (NA)

Sympathisches Neuron → Organ (Herzmuskelzellen werden erregt, Darmmuskelzellen werden gehemmt).

Gamma-Aminobuttersäure (GaBa)

Hemmende Interneuronen des Rückenmarks → alpha-Motoneuron

Glycin

Interneuron → alpha-Motoneuron (Gehirn), hemmend

Dieser Beitrag wurde zuletzt am 9. Jun 2018 @ 21:19 überarbeitet.

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