Muskulatur

Aufbau der Skelettmuskulatur

Unter Skelettmuskeln oder quergestreifter Muskulatur versteht man Muskelgruppen, die mittels Sehnen mit dem Skelett verbunden sind oder Bewegungen ermöglichen. Die Aktivität der quergestreiften Muskulatur kann willentlich gesteuert werden. Eine Ausnahme ist der Herzmuskel, der zwar eine quergestreifte Struktur besitzt, dessen Kontraktionen aber nicht dem Willen unterliegen.

Anatomie Muskel mit Sehne, Epimysium, Perimysium, Endomysium, Muskelfasern in Muskelbündel, Muskelfaser als Fibrille, Sarkomer mit Aktinfilament und Myosinfilament, Aktin und Myosin mit Myosinköpfchen. Ein aus Muskelgewebe aufgebauter Muskel (Musculus) ist Stütze und Motor des Körpers, ein kontraktiles Organ, das durch die Abfolge von Kontraktion und Relaxation innere und äußere Strukturen des Organismus bewegen kann. Als Muskulatur bezeichnet man ein Organsystem, das die Gesamtheit der Muskeln umfasst. Zur Skelettmuskulatur (quergestreiften Muskulatur) zählen Muskeln die am Skelett fixiert sind, sowie Muskeln, die für die Bewegung des Körpers sorgen. Fitness-Übungen kräftigen die Rückenmuskulatur, diese koordiniert den Bewegungsablauf und stabilisiert die Wirbelsäule.
Histologie quergestreifte Skelettmuskulatur. Bauelemente der Skelettmuskulatur sind große, langgesteckte und vielkernige Skelettmuskelfasern (Muskelfaser, Myocytus striatus, quergestreifte Muskelzelle, Skelettmuskelzelle). Unter einer Muskelfaser versteht man eine Untereinheit des Muskels, welche nach den Muskelfaserbündeln folgt. Die als Skelettmuskeln bezeichnet man die Muskeln, welche vor allem für die willkürlichen, aktiven Körperbewegungen zuständig sind, zum Beispiel die Bewegung der Extremitäten wie Arme und Beine. Die Skelettmuskeln gehören wie die Herzmuskulatur zur Quergestreiften Muskulatur.

Eine Muskelfaser besteht aus einer mehrkernigen Zelle, die 15 cm oder länger sein kann und mit in Längsrichtung zu Bündeln zusammengefassten Myofibrillen gefüllt sind. Jede Fibrille besteht aus Sarkomeren, der kleinsten funktionellen Struktur der Muskelfaser. Die Myofibrillen sind vom endoplasmatischen Retikulum (ER) umhüllt, das die für eine Kontraktion benötigten Calciumionen bereithält. Durch die im Sarkomer befindlichen Actin- und Myosinfilamente wird die Kontraktion der Muskelfaser ausgeführt.
Jede Muskelfaser ist von einer Bindegewebsschicht (Endomysium) umgeben und diese werden zu Bündeln, die wiederum von Bindegewebe (Perimysium) umschlossen sind, zusammengefasst. Viele dieser Bündel bilden einen Muskel, der von sehr festem Bindegewebe, der Faszie (Epimysium), umgeben ist. Am Muskelende setzt sich die Faszie in der Sehne fort.

Plastizität des Muskels

Die Skelettmuskulatur verfügt über große Kapazitäten, sich an Trainingsanforderungen und Stress anzupassen [Steinacker et al 2002]. Diese Anpassungsvorgänge an diverse externe Reize werden als Plastizität der Muskulatur bezeichnet [Steinacker et al 2002] und größtenteils über den Proteinstoffwechsel im Muskel gesteuert. Der Proteinstoffwechsel wird wiederum durch die durch Nahrung zugeführte Eiweißbestandteile sowie durch körpereigene Transportmechanismen für Aminosäuren beeinflusst [Dickinson et al 2013]. Aber auch das den Muskel umgebende Bindegewebe unterliegt solchen Anpassungen und kann die Proteinsynthese über mechanische Reize beeinflussen. Es liegt vermutlich eine enge Wechselbeziehung zwischen diesen beiden Strukturen vor [Narici et al 2007].
Bewegungsarmut, Alterungsprozesse und chronische Entzündungen führen zu einer Abnahme sowohl von Muskelmasse als auch Muskelkraft. Die energetische Situation und insbesondere die Höhe der ATP- und Kreatinphosphatspeicher sind wichtige metabolische Signale. Daher ist die Rolle von Ernährung und Erholung im Trainings- und Adaptionsprozess von entscheidender Bedeutung [Steinacker et al 2002].
Muskuläre Fitness spielt auch gesundheitlich gesehen eine wichtige Rolle. So konnte in vielen Studien belegt werden, dass das Risiko für chronische Erkrankungen wie kardiovaskuläre Erkrankungen, Schlaganfall, Bluthochdruck, Metabolisches Syndrom und Diabetes mellitus Typ 2 mit Zunahme der Muskelstärke abnimmt [Strasser et al 2018].

Einfluss von Alter und Bewegungsarmut

Ab einem Alter von 40 Jahren nimmt die Muskelmasse und-stärke jährlich um ca. 1% ab. Die interindividuellen Unterschiede können allerdings beträchtlich variieren, je nach individuellem Alterungsprozess und physischer Aktivität. Dabei kommt es zu Veränderungen in der Muskelarchitektur (Abnahme der Anzahl an Muskelfasern sowie Muskelgröße, Veränderung des Verhältnisses der Fasertypen), mechanischer Eigenschaften des umgebenden Bindegewebes und der Blutversorgung. Bei Bewegungsarmut oder Immobilisation verändern sich Muskelgröße und umgebendes Bindegewebe wobei die Anzahl der Muskelfasern konstant bleibt. Durch den Alterungsprozess nimmt dagegen zusätzlich auch die Anzahl der Muskelfasern ab [Strasser et al 2018]. Die Kombination von Alter und Bewegungsarmut führt verstärkt zu Muskelverlust und endet nicht selten in einem Teufelskreis. Der alterungsbedingte Verlust an Muskelmasse und -kraft wird als Sarkopenie bezeichnet [Robinson et al 2017].

Einfluss von Bewegung

Durch Krafttraining kann die Muskelmasse und -stärke, durch Ausdauertraining die kardiovaskuläre Fitness gestärkt werden. Krafttraining führt zu einer gesteigerten Proteinsynthese im Muskel und zur Aktivierung und Bildung von Muskelvorläuferzellen, den sog. Satellitenzellen, die neue Muskelfasern bilden können. Ausdauertraining führt zu einer besseren Blutversorgung und Energieverwertung, vor allem von Fett [Strasser et al 2018]. Die Kombination von beiden Trainingsarten liefert gesundheitlich gesehen die besten Ergebnisse.

Einfluss von Ernährung

Für die Synthese von Muskelzellen sind Eiweiß bzw. Aminosäuren notwendig, die Zufuhr kann zu einem limitierenden Faktor werden. Daher wird vor allem für Ältere eine höhere Proteinzufuhr empfohlen, da diese generell schlechter auf diese Maßnahme ansprechen als Jüngere [Strasser et al 2018, Robinson et al 2017]. Die Proteinzufuhr nach einem Training kann die Bildung von muskulärer Masse verstärken, ohne entsprechendes Training bleibt dieser Effekt jedoch aus. Für die Förderung von Muskelregeneration und Proteinsynthese werden 20 bis 25g, bei Älteren sogar 40g Protein nach einem Krafttraining empfohlen. Diese Mengen sind jedoch sehr hoch, daher ist es vermutlich sinnvoller, eine proteinreiche Mahlzeit 90 bis 120 Minuten vor dem Training und ein Proteinhydrolysat unmittelbar nach dem Training einzunehmen [Strasser et al 2018]. Proteinhydrolysate sind schneller für den Körper verfügbar als eine proteinreiche Mahlzeit [Manninen 2006]. Zudem sollte zusätzlich auf eine ausgewogene Ernährung geachtet werden, die weitere Nährstoffe wie Vitamin D, Antioxidantien, omega-3-Fettsäuren zuführt und einen Ausgleich der säurebildenden Eigenschaften von Protein bewirkt (Gemüse und Obst). Eine Mischkost wie die sog. Mediterrane Diät scheint diesen Anforderungen gerecht zu werden [Robinson et al 2017].

Eigenschaften der Proteinhydrolysate

Effekte auf den Muskelaufbau wurden vor allem für Hydrolysate aus Molkeprotein, die reich an verzweigtkettigen Aminosäuren wie Leucin sind, untersucht. Leucin und ev. seine Metaboliten α-Ketoisocaproat (α-KIC) und β-Hydroxy-β-methylbutyrat (HMB) können die Proteinsynthese im Muskel stimulieren, den Proteinabbau hemmen und spielen auch eine Rolle im Energiehaushalt [Duan et al 2016]. Kollagenpeptide die von Natur aus einen geringeren Gehalt an verzweigtkettigen Aminosäuren haben sind bisher nur wenig untersucht. Dennoch konnte in einer Studie gezeigt werden, dass sowohl Muskelmasse als auch Muskelstärke durch die Verabreichung Bioaktiver Kollagenpeptide in Verbindung mit Krafttraining gegenüber Placebo gesteigert werden konnte [Zdzieblik et al 2015]. Eine Erklärung für die Wirksamkeit dieser Kollagenpeptide könnte sein, dass Kollagenpetide eine bessere Stickstoffbilanz als Molkeprotein aufweisen [Hays et al 2009]. Zudem sind Kollagenpeptide reich an Glycin und Arginin, aus denen im Körper Kreatinphosphat, eine wichtige Energiequelle für Muskelarbeit, gebildet wird [Berdanier 2015]. Weiterhin besitzt Glycin viele wichtige physiologische Wirkungen und kann, obwohl es keine essentielle Aminosäure ist, unter bestimmten Umständen essentiell werden [Razak et al 2017]. So haben z.B. Personen mit Übergewicht oder Diabetes einen gestörten Glycinmetabolismus [Adeva-Andany et al 2018]. Glycin ist überaus wichtig in der Stabilisierung der Kollagensuperhelix und ein Mangel kann sich in der Funktionalität von Blutgefäßen und anderen kollagenen Strukturen wie z.B. des Bindegewebes äußern [Adeva-Andany 2018, Razak et al 2017]. Das enge Wechselspiel von Muskel- mit umgebenden Bindegewebe macht einen Zusammenhang plausibel. Die Anwendung von Bioaktiven Kollagenpeptiden vermindert Schmerzen an Gelenken, die durch intensives Training entstehen [Zdzieblik et al 2017]. Es wäre denkbar, dass das Trainingsergebnis durch die Zufuhr gebessert werden könnte. Diese Annahmen sind jedoch spekulativ und bedürfen weiterer Überprüfung.

Studien

Zdzieblik et al untersuchten in einer doppelblinden, randomisierten Studie den Einfluss von Bioaktiven Kollagenpeptiden in Kombination mit Krafttraining auf die fettfreie Muskelmasse und Muskelstärke bei älteren Probanden mit altersbedingtem Muskelschwund (Sarkopenie) über drei Monate [Zdzieblik et al 2015]. Eingeschlossen wurden gesunde Männer über 65 Jahre mit Sarkopenie, normalem westlichen Ernährungsverhalten und adäquater Proteinzufuhr.

53 Probanden absolvierten über 12 Wochen ein intensives Krafttraining über 60 Minuten dreimal pro Woche. 26 erhielten täglich 15 g Bioaktive Kollagenpeptide als Pulver, das in 250 ml Wasser gelöst wurde, 27 15 g Placebo (Siliziumdioxid). An Trainingstagen sollte das Pulver innerhalb einer Stunde nach dem Training, an trainingsfreien Tagen möglichst zum gleichen Zeitpunkt eingenommen werden. Nach drei Monaten konnte in allen Gruppen eine Zunahme an fettfreier Muskelmasse, Muskelkraft und Knochenmasse sowie Abnahme der Fettmasse bei nahezu unverändertem Körpergewicht erzielt werden, was auf einen ausgeprägten Trainingseffekt schließen lässt. In der Verumgruppe waren diese Effekte jedoch gegenüber der Placebogruppe signifikant höher ausgeprägt, was für einen positiven Einfluss der Kollagenpeptide spricht.

Eine Übersichtsarbeit zu nicht-medikamentösen Interventionen kommt zu dem Ergebnis, dass insbesondere Kraft- und Gleichgewichtstraining einen günstigen Einfluss auf die Vermeidung von altersbedingtem Muskelverlust (Sarkopenie) haben. Ein positiver Einfluss von zusätzlich verabreichten Nahrungsergänzungsmitteln scheint möglich. Auch scheinen solche Interventionen keinen negativen Effekt zu haben. Allerdings sieht man hier ebenfalls einen erhöhten Bedarf an weiteren, sorgfältig durchgeführten Studien [Lozano-Montoya et al 2017].

In einer systematischen Übersicht wurde untersucht, inwieweit bei Menschen über 65 Jahren mit Sarkopenie eine Nahrungsergänzung mit Eiweiß (Aminosäuren, Proteine, Molkeprotein, Kollagenhydrolysat) die positiven Wirkungen von Kraft- und/oder Ausdauertraining verstärkt [Luo et al 2017]. Es wurden Studien aus verschiedenen Ländern und Bereichen (ambulant und stationär) eingeschlossen, so dass ein möglichst umfassendes Bild bezüglich Herkunft und Lebensumstände der Teilnehmer gewonnen wurde. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass eine Nahrungsergänzung die Trainingseffekte bezüglich Muskelmasse und -stärke bei älteren Menschen mit Sarkopenie verbessern kann. Welche Produkte in welcher Dosierung beim Einzelnen für einen optimalen Effekt sorgen, muss jedoch in weiteren Studien geklärt werden, da viele Faktoren, wie z.B. die Dosierung und der aktuelle Ernährungszustand einen großen Einfluss auf die Ergebnisse haben.

Inwieweit eine Nahrungsergänzung mit Proteinsupplementen den negativen Einfluss von Kalorienrestriktion und verminderter Aktivität beim älteren Menschen beeinflussen kann, wurde in einer randomisierten, doppelblinden Studie an 31 Männern und Frauen im Alter von 65 bis 80 Jahren untersucht [Oikawa et al 2018]. Als Proteinsupplement bekamen 16 Personen Molkeprotein und 15 Bioaktive Kollagenpeptide in einer Dosierung von 2 Mal täglich 30g. In der ersten Woche ohne Supplementierung erhielten die Probanden eine Nahrung mit 0,8g Protein pro kg Körpergewicht, die anschließend während der Phase mit Kalorienreduktion (1 Woche) und Kalorienreduktion plus verminderte körperliche Aktivität ( 2 Wochen) mit der Supplementierung auf 1,6 g pro kg Körpergewicht erhöht wurde. Danach folgte eine 1-wöchige Erholungsphase bei bedarfsgerechter Energiezufuhr mit Supplementierung, so dass der Beobachtungszeitraum insgesamt 5 Wochen umfasste. Trotz der erhöhten Proteinzufuhr kam es in beiden Gruppen während der Phase der Energierestriktion und der Phase Energierestriktion plus verminderter körperlicher Aktivität zu einer Abnahme der fettfreien Körpermasse. Der Verlust scheint allerdings in der Kollagengruppe geringer ausgeprägt als in der Molkeproteingruppe. Leider gehen die Autoren der Studie nicht auf diese Unterschiede ein. Die Rate an Muskelproteinsynthese nahm ebenfalls in beiden Gruppen ab. Die Zunahme dieser Rate während der Erholungsphase war in der Molkeproteingruppe ausgeprägter, erreichte allerdings nicht den Ausgangswert zu Studienbeginn. Eine längere Beobachtungszeit während der Erholungsphase wäre daher sinnvoll. Die Auswirkungen auf die Muskelfunktion, ein wichtiges Kriterium für die klinische Relevanz, wurden leider nicht erfasst. Die Teilnehmer der Studie waren alle stark bis sehr stark übergewichtig, was die Aussagekraft dieser Studie weiter beeinträchtigt. Weiterhin fragwürdig ist der Sinn der sehr hohen Dosierung von Kollagenpeptiden, die einem Vielfachen der empfohlenen Dosis entspricht. Hierdurch wird möglicherweise bei einzelnen Personen keine bedarfsdeckende Versorgung an essentiellen Aminosäuren erreicht. Leider fehlen auch hier konkrete Angaben.

Zusammenfassung

Der Erhalt der physischen Leistungsfähigkeit auch im Alter ist für die Lebensqualität von großer Bedeutung und wird von vielen Faktoren beeinflusst [Tieland et al 2018]. Dabei spielt nicht nur die Muskelmasse sondern auch die Muskelfunktionalität, wie z.B. Kraft, Ausdauer, Gelenk- und Skelettstabilität eine Rolle. Als gesichert kann gelten, dass körperliche Aktivität und eine ausreichende Zufuhr von Nährstoffen und Energie essentiell sind. Da die anabole Reaktion der Muskulatur auf Aminosäuren im Alter eingeschränkt ist, wird eine höhere Proteinzufuhr empfohlen. In Zeiten reduzierter Kalorienzufuhr kann allerdings auch eine erhöhte Proteinzufuhr den Verlust an Muskelmasse nicht verhindern. Insbesondere normalgewichtige oder besser trainierte Personen reagieren darauf empfindlicher [Stokes et al 2018]. Die für den einzelnen Menschen in seiner jeweiligen Lebenssituation optimale Dosierung sowie der Zeitpunkt der Verabreichung und die Art der Proteinsupplemente bedarf weiterer Untersuchungen.

Anschauungsmaterial

Muskelgewebe, Histologie Muskelzellen der glatten Muskulatur

Die glatte Muskulatur ist das kontraktile Gewebe das vornehmlich in den Wänden aller Hohlorgane anzutreffen ist, z.B. Darm, Atemwege, Blutgefäße, Harnwege und Geschlechtsorgane.
Charakteristisch für die glatte Muskulatur ist die langgestreckte, dünne Muskelzelle (Myozyt), die keine Querstreifung aufweist. Die glatten spindelförmigen Muskelzellen enthalten langgestreckte Zellkerne, zytoplastische Organellen wie Mitochondrien, ER, Ribosomen, GOLGI-Apparat und Glykogen.
Der Großteil des Zytoplasmas wird durch Aktin-Mikrofilamente und Myosinfilamente ausgefüllt. Jede glatte Muskelzelle ist von einer Basallamina und einem Netzwerk von kleinen Bündeln von Fibrillen aus Kollagen umgeben.

Bildquellen: Frank Geisler (MediDesign)

Letzte Aktualisierung: Dezember 2022