Anatomie und Physiologie

Zwei Kriterien, die bei der Klassifizierung der Muskelfasertypen zu berücksichtigen sind, sind, wie schnell einige Fasern im Vergleich zu anderen kontrahieren und wie die Fasern ATP produzieren. Anhand dieser Kriterien lassen sich drei Haupttypen von Skelettmuskelfasern unterscheiden. Langsam oxidative (SO) Fasern kontrahieren relativ langsam und nutzen die aerobe Atmung (Sauerstoff und Glukose) zur ATP-Produktion. Schnelle oxidative Fasern (FO) kontrahieren schnell und nutzen in erster Linie die aerobe Atmung, können aber schneller ermüden als SO-Fasern, da sie auf anaerobe Atmung (Glykolyse) umschalten können. Die schnellen glykolytischen (FG) Fasern schließlich haben schnelle Kontraktionen und nutzen hauptsächlich die anaerobe Glykolyse. Die FG-Fasern ermüden schneller als die anderen. Die meisten Skelettmuskeln des Menschen enthalten alle drei Typen, wenn auch in unterschiedlichen Anteilen.

Die Geschwindigkeit der Kontraktion hängt davon ab, wie schnell die ATPase des Myosins ATP hydrolysiert, um die Kreuzbrückenwirkung zu erzeugen. Schnelle Fasern hydrolysieren ATP etwa doppelt so schnell wie langsame Fasern, was zu einem viel schnelleren Querbrückenzyklus führt (der die dünnen Filamente schneller zur Mitte der Sarkomere zieht). Der primäre Stoffwechselweg, den eine Muskelfaser nutzt, bestimmt, ob die Faser als oxidativ oder glykolytisch eingestuft wird. Wenn eine Faser hauptsächlich ATP über aerobe Wege produziert, ist sie oxidativ. Bei jedem Stoffwechselzyklus kann mehr ATP produziert werden, was die Faser widerstandsfähiger gegen Ermüdung macht. Glykolytische Fasern erzeugen ATP hauptsächlich durch anaerobe Glykolyse, bei der weniger ATP pro Zyklus produziert wird. Infolgedessen ermüden glykolytische Fasern schneller.

Die oxidativen Fasern enthalten viel mehr Mitochondrien als die glykolytischen Fasern, da der aerobe Stoffwechsel, der Sauerstoff (O2) im Stoffwechselweg verwendet, in den Mitochondrien stattfindet. Die SO-Fasern verfügen über eine große Anzahl von Mitochondrien und können sich aufgrund der großen Menge an ATP, die sie produzieren können, länger zusammenziehen, haben aber einen relativ kleinen Durchmesser und erzeugen keine große Spannung. Die SO-Fasern sind stark mit Blutkapillaren durchzogen, die sie mit O2 aus den roten Blutkörperchen im Blutkreislauf versorgen. Die SO-Fasern besitzen auch Myoglobin, ein O2-transportierendes Molekül, das dem O2-transportierenden Hämoglobin in den roten Blutkörperchen ähnelt. Das Myoglobin speichert einen Teil des benötigten O2 in den Fasern selbst (und verleiht den SO-Fasern ihre rote Farbe). All diese Eigenschaften ermöglichen es den SO-Fasern, große Mengen an ATP zu produzieren, das die Muskeltätigkeit über lange Zeiträume ohne Ermüdung aufrechterhalten kann.

Die Tatsache, dass SO-Fasern über lange Zeiträume ohne Ermüdung funktionieren können, macht sie nützlich für die Aufrechterhaltung der Körperhaltung, die Erzeugung isometrischer Kontraktionen, die Stabilisierung von Knochen und Gelenken und die Ausführung kleiner Bewegungen, die häufig vorkommen, aber keine großen Energiemengen erfordern. Sie erzeugen keine hohe Spannung und werden daher nicht für kraftvolle, schnelle Bewegungen verwendet, die große Mengen an Energie und schnelle Querbrückenzyklen erfordern.

FO-Fasern werden manchmal als intermediäre Fasern bezeichnet, weil sie Eigenschaften besitzen, die zwischen schnellen und langsamen Fasern liegen. Sie produzieren ATP relativ schnell, schneller als SO-Fasern, und können daher relativ hohe Spannungswerte erzeugen. Sie sind oxidativ, weil sie ATP aerob produzieren, einen hohen Anteil an Mitochondrien besitzen und nicht schnell ermüden. FO-Fasern besitzen jedoch kein nennenswertes Myoglobin, wodurch sie eine hellere Farbe als die roten SO-Fasern haben. FO-Fasern werden in erster Linie für Bewegungen wie das Gehen verwendet, die mehr Energie als die Haltungskontrolle, aber weniger Energie als eine explosive Bewegung wie das Sprinten erfordern. FO-Fasern sind für diese Art von Bewegung nützlich, weil sie mehr Spannung erzeugen als SO-Fasern, aber sie sind ermüdungsresistenter als FG-Fasern.

FG-Fasern nutzen hauptsächlich die anaerobe Glykolyse als ATP-Quelle. Sie haben einen großen Durchmesser und verfügen über große Mengen an Glykogen, das in der Glykolyse zur schnellen ATP-Erzeugung verwendet wird, um hohe Spannungswerte zu erzeugen. Da sie nicht in erster Linie den aeroben Stoffwechsel nutzen, verfügen sie weder über eine große Anzahl von Mitochondrien noch über signifikante Mengen an Myoglobin und haben daher eine weiße Farbe. FG-Fasern werden zur Erzeugung schneller, kräftiger Kontraktionen verwendet, um schnelle, kraftvolle Bewegungen auszuführen. Diese Fasern ermüden schnell, so dass sie nur für kurze Zeit genutzt werden können. Die meisten Muskeln besitzen eine Mischung aus den einzelnen Fasertypen. Der vorherrschende Fasertyp in einem Muskel wird durch die Hauptfunktion des Muskels bestimmt.