WP1502 Muskelermüdung

WP1502 Muskelermüdung
Veranstaltung PS Biomechanik
Autor Maximillian Flick, Dennis Oldenburg
Bearbeitungsdauer ca. 30 min
Vsl. Fertigstellung 18.09.2015
Seite in Bearbeitung

Definition

Zu allererst wollen wir die allgemeine Ermüdung definieren, um von dieser dann genauer auf die physiologische Ermüdung bzw. die Muskelermüdung einzugehen. Die allgemeine Ermüdung beschreibt eine reversible Abnahme von psychischer und/oder physiologischer Leistungsfähigkeit. Sie kann als ein subjektives Empfinden des Betroffenen wahrgenommen werden, so zum Beispiel führt akuter Schlafmangel zu einem Zustand der Erschöpfung und der Schlaffheit. Sie kann jedoch auch objektiv durch Messungen festgestellt werden. Man unterscheidet allgemein zwischen der psychischen Ermüdung des Zentralnervensystems (ZNS) und der physischen Ermüdung der Muskulatur. In diesem Wiki soll es vor allem um die zweite Form gehen, die Ermüdung der Muskulatur.

Um euch ein besseres Verständnis über die Muskelermüdung zu liefern möchten wir euch zunächst erstmal diesen Begriff nochmal genauer definieren. Die physiologische Ermüdung kann allgemein oder lokal beschrieben werden. Dies ist abhängig von der beteiligten bzw. ermüdeten Muskulatur, man spricht ab ungefähr 1/7 der Gesamtmuskulatur von einer allgemeinen Muskelbetätigung. Die Ermüdung tritt dann auf, wenn Arbeit des Körpers, wie sie zum Beispiel beim Sport verrichtet wird, die Homöostase stört. Homöostase ist der innere Gleichgewichtszustand des Organismus. Bei der physischen oder auch periphere Ermüdung genannt, kommt es zu einem Überwiegen der Stoffwechselabbauprozesse. Die energiereichen Verbindungen werden verbraucht, das im Muskel vorhandene Glykogen wird aufgebraucht, es kommt zur Anhäufung von Laktat und in der Zelle selbst nimmt das Kalium ab. Es kann ebenfalls zu einer Transmitterermüdung kommen. Hauptsächliche Anzeichen der Ermüdung sind nachlassende Muskelleistung bzw. ist eine Aufrechterhaltung der Leistung nur mit Unterstützung von Hilfsmitteln oder zusätzlichen Leistungsreserven möglich oder einer Veränderung des motorischen Programms und zur Folge hat die Ermüdung eine Abnahme der koordinativen Fähigkeiten, der Konzentration und der Aufmerksamkeit.


verfasst von Dennis Oldenburg

Muskelermüdung auf zellulärer Ebene

In diesem Abschnitt wollen wir klären, warum der Muskel überhaupt ermüdet und möchten dabei ein bisschen genauer in den Körper hineinschauen. Die verschiedenen Ursachen für eine Ermüdung können sein:

-Verarmung der Energiereserven (besonders wichtig: Kreatinphosphat, Glykogen)

-Anhäufung von Schadstoffen im Körper und besonders im Muskel (Laktat, Harnstoff)

-Enzymhemmung durch Übersäuerung oder Konzentrationsänderungen der Enzyme

-Elektrolytverschiebung (Kalium und Calcium an der Zellmembran)

-Veränderungen an Zellorganellen (Mitochondrien und am Zellkern)

Das sind zunächst erstmal einige allgemeine Ursachen für eine mögliche Muskelermüdung. Nun werden wir genauer auf die zwei gängigsten und am häufigsten auftretenden Punkte eingehen.

1. Verarmung der Energiereserven (KP, Glykogen)

Kreatinphosphat:

Chemische Struktur

Die Hauptaufgabe des KP bei der Muskelkontraktion, ist die Resynthese des Adenosindiphosphat (ADP) zur Energiequelle unseres Körpers, Adenosintriphosphat. (ATP) KP + ADP = ATP

Die Aufgabe, welche das ATP bei der Muskelkontraktion übernimmt, soll hier nicht nochmal aufgegriffen werden, sondern hier verweisen wir auf die Grundlagenmodule „Muskel“, in denen dies genau beschrieben wird.

Das Kreatin wird von Leber, Pankreas und Nieren gebildet und befindet sich hauptsächlich im Muskel. Es wird zu 60 % als vollständige Energieträger, also Kreatinphosphat gespeichert und zu 40% als Energievorstufe oder auch freies Kreatin genannt. Der KP-Speicher im Muskel liegt bei ca.15-20 mmol/kg Muskelmasse und ist damit 3-4 mal größer als der ATP-Vorrat. Das erklärt die größere Zahl von Muskelkontraktionen, die aus den beiden sofort verfügbaren Phosphatspeichern zusammen möglich ist. Die Reaktion der Resynthese läuft sehr schnell ab und wird durch das Enzym Kreatinkinase katalysiert. In der Ruhephase nach der Belastung wird Kreatin mit Hilfe von ATP wieder zu Kreatinphosphat umgewandelt. Das Kreatin liefert allerdings gerade mal die ersten Sekunden nach der Beginn der sportlichen Leistung Energie, danach sind die Speicher verbraucht. Wenn die sportliche Belastung nur auf eine kurze Dauer erfolgen soll, wie es zum Beispiel beim 100 Meter Sprint ist, dann ist diese Form der Energiebereitstellung besonders entscheidend.

Glykogen:

Chemische Struktur

Die Glykolyse hat ebenso wie das Kreatinphosphat die Aufgabe das ATP zu resynthetisieren und somit die sportliche Leistung aufrecht zu erhalten. Bei der Glykolyse werden die Kohlenhydrate aus den Glykogenspeichern abgebaut und in einem schnellen Prozess in ATP umgewandelt. Ein besonderes Merkmal und wichtig für die spätere sportliche Leistung ist, dass die Glykolyse mit und ohne den Einsatz von Sauerstoff arbeitet und somit entweder aerob oder anaerob ist. Dies hat allerdings keine Bedeutung für die Bilanz der Glykolyse, sondern wird zu einem späteren Zeitpunkt im Abschnitt des Laktats nochmals aufgegriffen. Weiterhin lässt sich die Glykolyse in zehn Schritte einordnen. Die ersten fünf Schritte stellen hierbei die Energieinvestitionsphase dar, die letzteren fünf Schritte die Energiegewinngungsphase.

Die Gesamtbilanz der Glykolyse:

C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P —> 2 CH3-CO-COOH + 2 NADH + H+ + 2 ATP

Wer sich mehr für den Vorgang der Glykolyse interessiert, kann dies auf den folgenden Links tun! Diese Links haben allerdings keinerlei Testrelevanz, sondern dient lediglich zur Weiterbildung und Vertiefung.

http://flexikon.doccheck.com/de/Glykolyse#Energiebilanz

https://www.youtube.com/watch?v=cRPzdkLtdBA

Warum war diese Einführung in die Energie gewinnenden Prozesse für die Muskelermüdung von Bedeutung?

Ganz einfach! Wenn die sportliche Leistung im frühen Bereich (in welchem sich die Kreatinkinase und Glykolyse befinden) zu lange und auf zu hohem Niveau aufrecht erhalten wird, dann erschöpfen diese Energiespeicher, bevor die längere Zeit in Anspruch nehmenden Energie bereitstellenden Prozesse, die vor allem auf Fette zurückgreifen anfangen können zu greifen. Die Folge ist, dass der Muskel keine Möglichkeit mehr hat ATP zu resynthetisieren, ermüdet und die sportliche Leistung muss drastisch heruntergefahren werden oder sogar abgebrochen werden.

2. Anhäufung von Schadstoffen bzw Stoffwechselendprozessstoffen (Laktat, Harnstoff)

Laktat (Milchsäure):

Wenn während einer intensiven Ausdauerbelastung der über die Atmung aufgenommene Sauerstoff nicht ganz ausreicht, um den im Muskel benötigten Energiebedarf (ATP, energiereiche Phosphate) zur Muskelkontraktion zu decken, entsteht das saure Stoffwechselprodukt Laktat. Laktat ist das Endprodukt des anaeroben laktaziden Stoffwechsels wie z.B. die anaerobe Glykolyse, bei dem dann das Pyruvat in Laktat umgewandelt wird. Der Laktatwert im Blut ist einer der Hauptindikatoren für eine objektive Beurteilung von Ausdauerleistungen. (siehe als Beispiel den „Laktatstufentest unter http://www.dr-gumpert.de/html/laktatstufentest.html“ letzter Zugriff am 18.09.2015)

ei steigender Belastung nimmt die Laktatbildung und -elimination (-beseitigung, Verstoffwechslung) zu, dabei wird irgendwann eine Intensität erreicht, bei der die Bildung gerade noch der Elimination entspricht.

Dieser Bereich von 4 mmol/l Laktat wird als:

-maximales Laktat Steady State oder

-aerobe/anaerobe Schwelle

bezeichnet.

Wenn der Laktatwert im Blut zu hoch wird, dann „blockiert“ der Muskel und die sportliche Leistung muss heruntergefahren oder abgebrochen werden. Allerdings wird das Lactat stetig im Körper abgebaut. Zum Beispiel wird es im Cori-Zyklus in die Leber gebracht und wieder zur Resynthese von Glukose verwendet. (http://static.doccheck.com/pictures.doccheck.com/images/a70/85f/a7085ff5b4b4808b39e5e4ac0e11c5a1/45071/m_1407855562.jpg letzter Zugriff am 18.09.2015)

Harnstoff:

Harnstoff ist in dem Zusammenhang vor allem als Indikator von Übertraining bzw. für ein Fehlen von Kohlenhydraten. Ohne Kohlenhydrate ist nicht mehr viel Leistung drin. Sobald die Speicher leer sind, geht unser Körper in den Notstoffwechsel und wandelt körpereigene Eiweiße aus der Muskulatur oder dem Immunsystem in Glukose um.

Wandelt der Körper eigenes Eiweiß um, entsteht Harnstoff, den man im Blut nachweisen kann. Überschreitet man einen bestimmten Harnstoffwert, sollte man die Trainingsintensität reduzieren bzw. mehr Kohlenhydrate essen.


verfasst von Dennis Oldenburg

Ermüdung

Physische Ermüdung

Die periphere oder physische (körperliche) Ermüdung ist die verminderte Kraft eines oder mehrerer Muskeln im Vergleich zu der sonst in Abhängigkeit von der individuellen körperlichen Leistungsfähigkeit zu erwartenden Kraft. Sie tritt vor allem bei einer lokalen Belastung und einem schlechten Trainingszustand auf. Die verminderte Leistungsfähigkeit ist umkehrbar und kann teilweise durch einen vermehrten Einsatz kompensiert werden.

Psychische Ermüdung

Die zentrale (ZNS) oder psychische (mentale) Ermüdung kann unabhängig von der muskulären Ermüdung auftreten und zeigt sich zumeist durch subjektive Empfindungen und eine sichtbare Verschlechterung der Bewegungskoordination. Sie tritt vor allem bei komplizierten und komplexen Belastungen auf.

Symptome

Aus sportmedizinischer Sicht lassen sich bei der Ermüdung subjektive und objektive Symptome feststellen, die für eine Einschätzung beziehungsweise Beurteilung des Ermüdungsgrades herangezogen werden. Die Korrelation zwischen den subjektiven Angaben von Ermüdung und den objektiv nachweisbaren Faktoren ist gering und hängen stark von dem Trainingszustand und der sportlichen Erfahrung der betreffenden Person ab.

Subjektive

  • Gefühl der Erschöpfung
  • Augenflimmern
  • Ohrensausen (Tinnitus)
  • Atemnot (Dyspnoe)
  • Übelkeit (Nausea)
  • Abgeschlagenheit
  • Teilnahmslosigkeit (Apathie) gegen äußere Reize
  • Muskelschmerz (Myalgie)

Objektive

  • Nachlassende Muskelkraft
  • Verlängerte Refraktärzeit
  • Ansteigende Reizschwelle
  • Verminderte Reflexantworten
  • Muskelzittern (Tremor)
  • Koordinationsstörungen
  • Elektrolytverschiebungen, Laktatanstieg, pH-Wert-Änderungen,
  • Glykogenverarmung, Hormonspiegelabnahme
  • Veränderungen der Hirnstromaktivität (EEG)
  • Konzentrations- und Aufmerksamkeitsminderung,
  • Verschlechterung der Wahrnehmungsfähigkeit

(Wikipedia, o. D. , Abs. 1-4)


verfasst von Maximillian Flick

Motorische Einheiten

Ermüdungsarten es gibt zwei Arten von Ermüdung. Beide sind von der beanspruchten Zeit abhängig. Die Psychologische Ermüdung bei der das Gehirn den Körper nicht länger erlaubt bestimmte Aktionen auszuüben und die Physiologische Ermüdung die stattfindet, wenn die physiologischen Stoffwechselfunktionen nicht mehr ausreichend Energie bereitstellen können. Erst durch die Information des Zentralen Nervensystems (ZNS) kontrahieren die Muskelfasern und durch die Entstehung der Kraft erfolgt die Bewegung. Die Grundlegende funktionelle Einheit des Muskels wird als motorische Einheit bezeichnet. Die Motorische Einheit besteht aus Muskelfasern und den Neuronen der quergestreiften Muskulatur. Die Anzahl der motorischen Einheiten hängt von der Größe und der Funktion des Muskels ab. Ein elektrischer Impuls wird vom Gehirn zu den Motoneuronen und den Muskelfasern geleitet. Überschreitet der Impuls einen bestimmten Schwellenwert entsteht ein Aktionspotenzial und der Muskel kontrahiert in der entsprechenden motorischen Einheit und aktiviert diese Einheit. Für eine spezielle Bewegung ist die Aktivierung mehrere motorischer Einheiten nötig, wobei davon ausgegangen wird, dass diese Muskelfasern dieser mehreren motorischen Einheiten sich alle gleich Verhalten. Eine Generierung und Aufrechterhaltung von Kraft wird durch eine allmähliche Verstärkung der motorischen Einheiten erreicht. Bei einer langanhaltenden Muskelkontraktion, treten Ermüdungserscheinungen aufgrund der unzureichenden Sauerstoff und Glykogen Versorgung der Muskel auf. Die Folge ist ein erhöhter Milchsäureanteil im Blut und den Muskeln, sowie eine Erhöhung des Schwellenwertes, welcher überschritten werden muss, um die Aktionspotentiale weiter zu leiten. Treten bei einigen Einheiten Ermüdungserscheinungen auf, so gleichen andere Einheiten dies soweit wie möglich aus, während sich die geschwächten Einheiten erholen. Hält die Ermüdung jedoch weiterhin an, kann es zu einem kritischen Punkt kommen, an dem die Bewegung nicht fortgesetzt werden kann und die motorische EInheit komplett ermüdet. Die motorischen Einheiten, die in eine Aufgabe involviert sind, können drei Zustände annehmen. Sie sind im Ruhezustand, aktiviert oder ermüdet. Die Klassifizierung der motorischen Einheiten erfolgt in 3 Typen. Hierbei beachtet man die Eigenschaften der Muskelfasern, die die motorischen Einheiten stimulieren. EInfacher ausgedrückt, in wie weit diese fähig sind zu kontrahieren und zu metabolosieren. Zu den Charakteristika der Muskelzuckenden gehört die Kraft und die Geschwindigkeit der Muskelfaserverkürzungen. Ebenso ist hier charakteristische Spannung und eben auch die Ermüdbarkeit von Bedeutung.

• Typ I

Zu den motorischen Einheiten von Typ I zählen die langsam zuckenden mo- torischen Einheiten. Deren Kontraktionsgeschwindigkeit ist gering, ebenso die Kraftgenerierung. Während der Kontraktion ermüden sie sehr langsam oder gar nicht.

• Typ IIa

Diese motorischen Einheiten zucken relativ schnell und sind zu mittelmäßiger Kraftproduktion fähig. Gleichzeitig besitzen sie eine große Widerstandskraft gegenüber Ermüdungserscheinungen. Sie liegen zwischen den beiden anderen Typen.

• Typ IIb

Schnell zuckende motorische Einheiten gehören zu Typ IIb. Sie besitzen hohe Kraftkapazitäten, sind jedoch schnell ermüdbar. Somit produzieren sie schnell große Kraft, können diese allerdings nicht lange aufrecht erhalten. Erfolgt eine geringe Anregung durch das Gehirn, so werden lediglich die langsam zuckenden motorischen Einheiten von Typ I mit einer geringen Aktivierungsschwelle angeregt. Wird größere Kraft benötigt, so wirkt die Anregung auf alle drei Typen, wobei zunächst die motorischen Einheiten von Typ I angesprochen werden, dann die von Typ IIa und zuletzt die Einheiten von Typ IIb.

Damit die eigenen physiologischen Grenzen nicht überschritten werden hat die Muskelermüdung einen Schutzmechanismus, der bei stark ermüdenter Muskelfähigkeit eine Reduktion der Muskelleistung bewirkt. So bleiben dem Körper, ist er dem Tod ausgesetzt, Reservekapazitäten übrig (Henning, 2006, S. 52-55).


verfasst von Maximillian Flick

Die Entstehung einer Muskelermüdung und ihre Folgen

Die Entstehung einer Muskelermüdung ist abhängig von der Bereitstellung von Energiestoffen und oder Sauerstoff. Ebenso entsteht eine Muskelermüdung dann, wenn ein Ausgleich während der entstehenden Ermüdung bei einer Kontraktion mit der einsetzenden Erholung in der Muskelpause aus verschiedenen Gründen nicht mehr stattfinden kann. Bei überschreiten der Dauerleistungsgrenze durch eine zu große Bewegungsgeschwindigkeit oder Arbeitsintensität erfolgt eine zunahme der Muskelermüdung.(Schnauber, 1979, S. 73)

Forscher der Universität Zürich entdeckten, dass die Nervenimpulse, die bei einer ermüdenden Aufgabe auftreten, dass primäre motorische Areal, wie bei einer Schmerzinformation hemmen. Somit spielt bei der Muskelermüdung das Gehirn eine wichtige Rolle (Universität Zürich, o. D. , Abs. 3).

Der Entstehung eines Krampfes als Folge einer Muskelermüdung versucht man seit Mitte der 1990er Jahre auf die Spur zu kommen. Damals war man der Meinung Krämpfe treten durch Hitze oder zu wenig Flüssigkeitszufuhr auf. Heute, sehen die Forscher den Grund bei der Reizübertragung von Nerven auf den Muskel. Also im neuromuskulären Bereich. Die Muskelermüdung führt dazu, dass das Golgi- Sehnenorgan in seiner hemmenden Funktion eingeschränkt wird. Durch Messung der Muskelspannung löst das Glogi-Sehnenorgan eine Minderung der Spannung aus. Bei Ermüdung wird aber gleichzeitig die Muskelspindel, die den Dehnungsreflex auslösen können aktiviert. Der Dehnungsreflex antwortet auf eine Überdehnung mit einer unwillkürlichen Kontraktion des Muskels. Dies bedeutet bei Muskelermüdung funktioniert der Mechanismus für die Entspannung des Muskels nicht mehr. Der Mechanismus der Anspannung hingegen überreagiert und es entsteht folglich ein Krampf (Goldmann, o. D. , Abs. 2, 10, 11).

Wie erfolgt eine Feststellung der Muskelermüdung?

Da es bei einem ermüdenden Muskel bei jeder Aktivierung der Muskelzelle dazu kommt, dass die erzeugte Kraft abnimmt, muss die Zahl der motorischen Einheiten, die aktiviert werden, um die nach außen abgegebene Kraft konstant zu halten erhöht werden. Somit kann durch Messung der elektrischen aktivität eine Muskelermüdung festgestellt werden. Bei einer Muskelermüdung ist die gemessene elektirischen aktivität gleicher erzeugte Kraft im laufe der Zeit erhöht.(Luczak, 1993, S. 234)

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verfasst von Maximillian Flick

Muskelmodelle

Es gibt noch Muskelmodelle mit der man wissenschaftliche Arbeiten betreiben kann. Wer interesse an solchen Modellen hat kann im Internet zum Beispiel auf Google folgendes eingeben: Muskel Modell: und dann eines der unten genannten spezifischen Muskelmodelle wählen. Dort erhält man einige interessante Informationen über die genaueren Modelle und weitere Einblicke in diesen Bereich.

Die Muskelmodelle wären Hill, Huxley, Physilogisch, DM-Modell, FEM-basiert, Anatomisch, Zweischichtig, Wexler, Dynamisch nach Liu.


verfasst von Maximillian Flick

Fazit

Ermüdungsarten wird bisher nur eine Art der physiologischen Ermüdung betrachtet. Es handelt sich um die anaerobe Ermüdung, die bei großer Belastung unter Sauerstoffmangel einsetzt. Die aerobe Ermüdung sowie die psychologische Ermüdung werden derzeit vernachlässigt und sollten zukünftig in diesen Ansatz integriert werden.


verfasst von Maximillian Flick

Fragen

1. Nennen Sie die drei Zustände der motorischen Einheit und Erläutern Sie diese?
2. Welche Ursachen für eine Muskelermüdung kennen Sie?
3. Benennen Sie drei Arten der Muskelmodelle

verfasst von Maximillian Flick

Literatur

Henning, Bianca. (2006). Analyse und Vergleich von Muskelmodellen zum Einsatz in der Mehrkörperdynamiksimulation. Diplomarbeit, Technische Universität, Darmstadt.

Schnauber, Herbert. (1979). Arbeitswissenschaft. In Herbert. Schnauber (Hrsg.), (S. 73). Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg

Holger, Luczak. (1993). Arbeitswissenschaft. In Holger. Luczak (Hrsg.), (S. 234). Berlin Heidelberg New York: Springer- Verlag

Goldmann, Stephan. Muskelkrampf beim Sport - wie er entsteht und was man tun kann. Zugriff am 07. Juli 2015 unter http://www.triathlon-tipps.de/muskelkrampf_beim_sport_-_wie_er_entsteht_und_was_man_tun_kann_si_573.html

Universität Zürich. Das Gehirn schützt den Körper vor Überanstrengung. Zugriff am 07. Juli 2015 unter http://www.planet-running.net/bin/content/details.php?id=611

Wikipedia.Ermüdung(Physiologie). Zugriff am 07. Juli 2015 unter http://de.wikipedia.org/wiki/Erm%C3%BCdung_%28Physiologie%29

Wikipedia.Glykogen. Zugriff am 18.09.2015 unter https://de.wikipedia.org/wiki/Glykogen

Wikipedia.Kreatin. Zugriff am 18.09.2015 unter https://de.wikipedia.org/wiki/Kreatin

Laktatstufentest. Zugriff am 18.09.2015 unter http://www.dr-gumpert.de/html/laktatstufentest.html

Ahonen, J.; Lahtinen, T.; Sandström, M. & Pogliani, G.. (2003). Sportmedizin und Trainingslehre. 2. Auflage. Schattauer. Seite 77-78

biomechanik/projekte/ss2015/muskelermuedung.txt · Zuletzt geändert: 20.09.2015 10:35 von Dennis Oldenburg
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