Isometrische und Isotonische Muskelkontraktion: Wie arbeitet deine Muskulatur?

Claudia Fröhlich, Fitness, 11. Februar 2020

Beweglichkeit

Isometrische und Isotonische Muskelkontraktion: Wie arbeitet deine Muskulatur?

Was bedeutet eigentlich Muskelkontraktion? Der Begriff „Kontraktion“ wird von den lateinischen Begriffen „con-“ und „trahere“  abgeleitet, welche so viel bedeuten wie „zusammen“ und „ziehen“. Eine Muskelkontraktion beschreibt somit, vereinfacht gesagt, das Zusammenziehen bzw. Anspannen von Muskelgewebe. 

Doch so einfach wie es vielleicht zuerst klingt, ist es leider nicht. Hinter der Kontraktion von Muskelgewebe steckt ein komplexer chemischer und mechanischer Prozess. Wie eine Muskelkontraktion im Detail abläuft und in welche verschiedenen Arten der Kontraktion man unterscheiden kann, erfährst du in diesem Artikel.

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Was ermöglicht Muskelzellen eine Muskelkontraktion?

Um die Kontraktion von Muskeln verstehen zu können, lohnt es sich, sich den Aufbau des quergestreiften Muskelgewebes noch einmal in Erinnerung zu rufen. Die Zellen des Muskelgewebes (Muskelfasern) sind grundsätzlich wie jede andere Zelle des menschlichen Organismus aufgebaut und bestehen aus diversen Zellorganellen (u.a. Zellkern, Zellplasma, Zellmembran). Anders jedoch als in „gewöhnlichen“ Zellen, liegen In den Muskelfasern Eiweißstrukturen (Myofibrillen), welche aufgrund ihrer speziellen Bauweise die Grundlage der Muskelbewegung bilden. 

Myofibrillen bestehen aus hunderten kleinen Baueinheiten, den Sarkomeren. Ein Sarkomer ist die kleinste funktionelle Einheit der Muskulatur und setzt sich aus fadenförmigen Proteinmolekülen (Myofilamente u.a. Aktin, Myosin und Titin) zusammen. Diese Myofilamente sind erregbar und tragen dazu bei, dass ein Muskel sich unter Energieaufwand aktiv zusammenziehen (Kontraktion) und passiv entspannen (Relaxation) kann.

Wie ist der Ablauf einer Muskelkontraktion?

Wie soeben beschrieben sind die Myofilamente Aktin und Myosin ein wesentlicher Bestandteil der Muskelkontraktion. Aber wie kannst du dir diese Proteinmoleküle vorstellen? Ein Aktinfilament besteht aus kugelförmigen Eiweißmolekülen, welche spiralförmig angeordnet sind. Du kannst dir dies sinnbildlich wie zwei Perlenketten vorstellen, welche umeinandergewickelt sind. Ein Myosinfilament besteht aus hunderten Myosinmolekülen. Sie sind regelmäßig angeordnet und bestehen aus einem Schaft-, Hals- und Kopfbereich. Die Myosinköpfe ragen aus dem Filament hervor und besitzen eine Bindungsstelle für den zur Muskelkontraktion benötigten Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) und eine für Aktin.

Die Aktinfilamente sind an sogenannten „Z-Streifen“ befestigt, welche gleichzeitig die Begrenzung eines Sarkomers darstellen. Aktin und Myosin sind modellhaft schichtweise angeordnet. So liegt zwischen Aktinfilamenten immer ein Myosinfilament. Eine Muskelkontraktion läuft nach diesem Muster (vgl. „Filamentgleittheorie“) in folgenden Schritten ab:

  1. Ruhestellung: Um eine Muskelkontraktion zu erzeugen, müssen die Proteinmoleküle Aktin und Myosin ungehindert miteinander agieren können. Im Ruhezustand des Muskels werden die Proteinmoleküle Aktin und Myosin durch sogenannte Begleitproteine (u.a. Tropomyosin) an einer Interaktion gehindert. Die Begleitproteine legen sich um das Aktinfilament und bedecken somit die Kontaktstellen zwischen Aktin und Myosin.  Der Muskel ist entspannt.
  2. Aufrichtung der Myosinköpfe und Querbrückenbildung: Durch einen Nervenimpuls werden Calciumionen freigesetzt, welche in die Muskelzelle einströmen. Das Adenosintriphosphat (ATP), welches sich am Myosinkopf befindet, wird in Adenosindiphosphat (ADP) und einen Phosphatrest (P) gespaltet. In Folge dieser Spaltung richtet sich der Myosinkopf von 45° auf 90° auf. Des Weiteren binden die Calciumionen die Begleitproteine und legen die Kontaktstellen von Aktin und Myosin frei und es entsteht eine Querbrückenbildung zwischen den beiden Proteinmolekülen.
  3. Kraftschlag des Myosinkopfes: Der Phosphorrest (P) und das Adenosindiphosphat (ADP) am Myosinkopf werden freigegeben. Diese hat zur Folge, dass der Myosinkopf wieder in seine Ausgangsposition von 90° auf 45° zurückkehrt. Während dieser „Ruderschlagbewegung“ des Myosin werden die Aktinfilamente von rechts und links in die Mitte des Sarkomers gezogen und die Aktinfilamente gleiten zwischen die Myosinfilamente. Die Muskelfaser verkürzt sich. Während eines Zyklus verkürzen sich die Muskelfasern lediglich um ca. 1%. Für eine deutliche Längenveränderung muss dieser also einige Male durchlaufen werden.
  4. Lösen der Querbrücken und Wiederholung: An die frei gewordene Stelle des Myosinkopfes bindet sich ein neues Adenosintriphosphat (ATP) und löst die Querbrückenbindung zwischen Myosin und Aktin wieder auf. Sind noch genügen Calciumionen in der Zelle vorhanden, wiederholt sich dieser Zyklus beliebig oft.
  5. Rückkehr in die Ruhestellung: Sind nicht mehr ausreichend Calciumionen in der Muskelfaser vorhanden, kehrt diese in ihre Ruhestellung zurück. Die Begleitproteine umschlingen wieder das Aktinfilament und der Muskel erschlafft (Relaxation).

Isometrische und Isotonische Muskelkontraktion

Anhand des Verhältnisses zwischen Muskellänge und -spannung kann man diverse Arten der Muskelkontraktion unterscheiden: 

Isometrische Muskelkontraktion

Die Isometrische Kontraktion beschreibt eine statische Muskelarbeit. Das heißt, ein Muskel wird angespannt, ohne, dass er seine Länge verändert. Es findet keine Bewegung statt (Haltearbeit). Ein gutes Beispiel hierfür ist das „Bewegen“ eines zu schweren Gewichtes. Zwar spannen deine Muskeln an, eine Bewegung kommt jedoch nicht zustande. 
Das heißt, du könntest deine Muskulatur trainieren, ohne dich zu bewegen? Vollkommen richtig! Aber keine Bewegung heißt nicht, keine Anstrengung. Spätestens nach den ersten Sekunden „Planking“ oder „Wall Sit“ wirst du es verstehen! 😉

Isotonische Muskelkontraktion

Die Isotonische Kontraktion beschreibt das genaue Gegenteil der isometrischen Kontraktion. Bei der dynamische Muskelarbeit verändert der Muskel sein Länge, ohne, dass sich seine Spannung ändert. Wenn du beispielsweise mit einer Hantel trainierst, bleibt die Spannung des Muskel aufgrund des gleichbleibenden Gewichtes identisch, während sich die Länge des Muskels durch die Bewegung verändert. 

Welche Art der Muskelkontraktion führt nun aber zur Entfaltung der maximalen Kraft? Schnelle Bewegungen gehen oft mit einer geringen Kraftentwicklung einher. Erfolgt eine Muskelkontraktion mit einer hohen Geschwindigkeit, gleiten die Myofilamente Aktin und Myosin ebenso schnell aneinander vorbei. Um einen Muskel maximal zu verkürzen, müssen so immer wieder Querbrückenbindungen hergestellt und aufgelöst werden, welches zu einer geringen Kraftentwicklung führt. Können jedoch nahezu alle Bindungen zwischen Aktin und Myosin durch eine isometrische Kontraktion gleichzeitig eingegangen werden, kann die Entfaltung der Maximalkraft gewährleistet werden.

Konzentrische und Exzentrische Muskelkontraktion

Auch anhand der Längenänderung und der Geschwindigkeit der Längenänderung des Muskels kann in zwei verschiedene Arten der Muskelkontraktion unterschieden werden:

Konzentrische Muskelkontraktion

Die Konzentrische Kontraktion beschreibt im Grunde eine Form der isotonischen Kontraktion. Bei der Überwindung eines Gewichtes/ eines Widerstandes nähern sich Ansatz und Ursprung eines Muskels an. Man beschreibt diese Art der Kontraktion auch als „positiv-dynamisch“ oder „überwindend“.

Exzentrische Muskelkontraktion

Die Exzentrische Kontraktion hingegen wird als „negativ-dynamisch“ bzw. als „nachgebend“ bezeichnet. Während der Bewegung entfernen sich Ansatz und Ursprung eines Muskels voneinander und ein Gewicht/ Widerstand muss nicht überwunden, sondern gebremst werden. Häufig wird das Exzentrische Training unterschätzt, da sich viele Sportler vorrangig auf das Überwinden des Gewichtes, ergo die positive Phase der Bewegung, konzentrieren. Betont man die negative Phase der Bewegung deutlicher, unterstützt man jedoch nicht nur die Muskelhypertrophie und das Bindegewebe, sondern kann Überlastungssymptomen, wie z.B. das „Jumpers Knee“ (Springerknie), gezielt entgegenwirken. 

Nehmen wir den klassischen „Biceps Curl“, um beide Muskelkontraktionen noch besser zu verstehen: Konzentrisch kontrahiert deine Biceps, während du das Gewicht nach oben bewegst. Du überwindest das Gewicht und Ansatz sowie Ursprung des Biceps nähern sich an. Exzentrisch arbeitet dein Biceps hingegen beim Herablassen des Gewichtes. Du musst das Gewicht gezielt bremsen und Ansatz sowie Ursprung der Muskulatur entfernen sich voneinander. 

Wie arbeitet deine Muskulatur?

Wie du in diesem Artikel erfahren hast, beruht  die „Arbeit deiner Muskulatur“ bzw. die Muskelkontraktion aus diversen komplexen Prozessen, welche hier nur angeschnitten werden können, um ein Grundverständnis zu generieren. Je tiefer du in die Thematik einsteigst, desto klarer werden dir einige Trainings- und Ernährungskonzepte und deren Zusammenhänge erscheinen.

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Literaturverzeichnis:
Amboss (2019). Muskelgewebe. Abgerufen am 12.01.2020 von  https://www.amboss.com/de/wissen/Muskelgewebe/.

Anatomie-Online.com (2020). Physiologie Mensch – Muskelkontraktion. Abgerufen am 12.01.2020 von http://www.anatomie-online.com/Seiten/physi029.html

Faller, A.; Schünke, M. (2012). Der Körper des Menschen. Einführung in Bau und Funktion, 16., überarbeitete Auflage. Georg Thieme Verlag KG. Stuttgart. 

Pschyrembel Online (2019). Glatte Muskulatur. Abgerufen am 12.01.2020 von https://www.pschyrembel.de/Skelettmuskel/K0ELH. 

Pschyrembel Online (2019). Skelettmuskel. Abgerufen am 12.01.2020 von https://www.pschyrembel.de/Skelettmuskel/K0ELH. 

Zervos-Kopp, J. (2009). Ergotherapie Prüfungswissen. Anatomie, Biologie und Physiologie, 2. Auflage. Georg Thieme Verlag. Stuttgart.

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