Muskelmechanik und Energiequellen der Kontraktion

Die Frage, ob ein Patient von der Beatmung entwöhnt werden kann, ist zu einem großen Teil eine Frage der Muskelmechanik und der Energiebereitstellung. Das Zwerchfell muss eine Last über Stunden bewältigen, es arbeitet dabei in einem bestimmten Bereich seiner Kraft-Längen-Kurve, und es braucht dafür einen fortlaufend regenerierten Vorrat an Adenosintriphosphat. Fehlt eine dieser drei Bedingungen, so scheitert der Spontanatmungsversuch, obwohl Lunge und Kreislauf zunächst unauffällig erscheinen.

Dieselben Größen bestimmen den Verlauf der kritischen Krankheit. Der Intensivpatient verliert Muskelmasse mit einer Geschwindigkeit, die im Alltag nicht vorkommt. Wer Rekrutierung, Frequenzierung, Ruhedehnung und Energiefluss verstanden hat, beurteilt Kraft nicht als Eigenschaft des Patienten, sondern als Ergebnis einer Rechnung mit mehreren veränderbaren Posten. Das ist die Grundlage für Lagerung, Mobilisation, Ernährung und für die Deutung einer erhöhten Kreatinkinase.

Anders als Herzmuskelzellen und ein Teil der glatten Muskelzellen sind die Fasern des Skelettmuskels elektrisch nicht miteinander verbunden. Jede Faser wird ausschließlich über ihr eigenes Motoneuron erregt; wird der Nerv durchtrennt, so ist der Muskel gelähmt, obwohl er selbst intakt ist. Ein Motoneuron bildet mit allen von ihm versorgten Fasern die motorische Einheit. Deren Größe ist der Aufgabe angepasst: In der mimischen Muskulatur versorgt ein Neuron etwa fünfundzwanzig Fasern, im Kaumuskel weit über tausend. Die Fasern einer Einheit liegen nicht beieinander, sondern verteilt über einen Teil des Muskelquerschnitts, sodass ihre Kontraktion die Kraft gleichmäßig auf die Sehne überträgt.

Die Zahl der Einheiten bestimmt die Feinheit der Steuerung. Die äußeren Augenmuskeln verfügen über etwa zweitausend Einheiten, ein kleiner Handmuskel über etwa hundert. Unterschieden werden langsam zuckende Fasern, die ermüdungsresistent sind und eine hohe Dichte an Kapillaren und Mitochondrien, viel Myoglobin und einen kräftigen oxidativen Stoffwechsel besitzen, und schnell zuckende Fasern, die glykogenreich sind, rasch hohe Kraft entwickeln und rasch ermüden. Eine motorische Einheit enthält immer nur einen Fasertyp, weil das Neuron den Typ prägt; bei dauerhaft veränderter Beanspruchung lassen sich die Typen ineinander umbauen.

Für die Abstufung der Kraft stehen dem Nervensystem zwei Stellgrößen zur Verfügung. Die erste ist die Rekrutierung: Es werden mehr oder weniger Einheiten eingesetzt, und zwar geordnet von den kleinen, langsamen zu den großen, schnellen Einheiten. Die zweite ist die Frequenz der Aktionspotenziale in jeder einzelnen Einheit. Im Ruhetonus werden die Einheiten wechselweise und ungleichzeitig erregt, weshalb keine Einzelzuckungen sichtbar sind, sondern eine gleichmäßige Spannung entsteht. Diese Arbeitsteilung erklärt auch, warum die Antwort eines einzelnen Muskels am Nervenstimulator nicht die Kraft des ganzen Körpers abbildet; die Grundlagen der neuromuskulären Überwachung stehen in Unterkapitel 5.

Ein einzelnes Aktionspotenzial setzt in der Skelettmuskelfaser stets die maximal mögliche Menge Calcium frei und löst damit eine maximale Einzelzuckung aus. Dennoch führt ein Einzelreiz nicht zur größtmöglichen Verkürzung, denn das Calciumsignal ist zu kurz, um das Filamentgleiten bis in die Endstellung zu tragen. Die Erschlaffung beginnt, bevor die Verkürzung abgeschlossen ist. Nur wenn während der laufenden Zuckung ein weiterer Reiz eintrifft, setzt sich das Gleiten fort.

Aus wiederholten Reizen entsteht deshalb eine stufenweise mechanische Summation, auch Superposition genannt. Die Calciumkonzentration im Zytosol fällt zwischen den Reizen jeweils noch etwas ab, die Kraft addiert sich aber von Zuckung zu Zuckung. Wird die Reizfolge weiter gesteigert, etwa auf zwanzig Hertz bei langsamen und auf sechzig bis hundert Hertz bei schnellen Fasern, so verschmelzen die Einzelzuckungen zur maximal möglichen Kontraktion der Einheit: zum Tetanus. Die Kraft steigt dabei gegenüber der Einzelzuckung auf etwa das Vierfache, und die zytosolische Calciumkonzentration bleibt durchgehend erhöht. Diese Tetanisierbarkeit ist ein Wesensmerkmal des Skelettmuskels und fehlt dem Herzmuskel, wie Unterkapitel 8 zeigt.

Vom Tetanus sind zwei andere Dauerzustände abzugrenzen. Die Kontraktur ist eine anhaltende Verkürzung ohne Aktionspotenziale, ausgelöst durch eine örtliche Dauerdepolarisation, etwa bei erhöhter extrazellulärer Kaliumkonzentration, oder durch eine unmittelbar im Zellinneren ausgelöste Calciumfreisetzung. Das Ausmaß der Verkürzung folgt dann nicht dem Alles-oder-Nichts-Prinzip, sondern der Höhe der Calciumkonzentration. Der Rigor dagegen ist eine Starre bei Mangel an Adenosintriphosphat, wie sie Unterkapitel 6 darstellt. Klinisch bedeutet das: Ein starrer Muskel beweist keinen überaktiven Nerv, denn Kaliumstörung, pharmakologische Calciumfreisetzung und Energiemangel führen ohne jede nervale Aktivität zum selben Bild.

Die Gesamtkraft eines Muskels setzt sich aus der aktiven Kraft der Querbrücken und der passiven Ruhedehnungskraft zusammen. Die aktive Kraft hängt davon ab, wie viele Aktin-Myosin-Verbindungen überhaupt möglich sind, und damit von der Ausgangslänge der Sarkomere. Ihr Maximum liegt bei der Ruhelänge des Muskels, das entspricht einer Sarkomerlänge von etwa 2,0 bis 2,2 Mikrometern. Verkürzt sich das Sarkomer darunter, so überlappen sich die dünnen Filamente gegenseitig und behindern einander; bei etwa 70 Prozent der Ruhelänge, also einer Sarkomerlänge um 1,65 Mikrometer, stoßen die dicken Filamente an die Z-Scheiben, und die Kraft bricht weiter ein. Wird das Sarkomer über die Ruhelänge hinaus gedehnt, so nimmt die Überlappung und mit ihr die Zahl möglicher Querbrücken ab, die aktive Kraft sinkt ebenfalls.

Die passive Kraft verhält sich gegenläufig. Ein ruhender Muskel mit ausreichend Adenosintriphosphat lässt sich zunächst mit sehr geringem Kraftaufwand dehnen; bei stärkerer Dehnung steigt der Widerstand exponentiell an. Diese Ruhedehnungskurve entsteht durch das Bindegewebe der Faszien und vor allem durch das Titin, das als elastisches Molekül in jedes Sarkomer eingebaut ist und sich auf etwa das Zehnfache dehnen lässt. Verantwortlich dafür ist ein vielfach wiederholtes Aminosäuremotiv im Bereich des I-Bandes. Bei sehr starker Dehnung entfalten sich zusätzlich kugelförmige Abschnitte der Kette, und zwar umso zäher, je schneller gedehnt wird. Titin verhält sich damit nicht wie eine reine Feder, sondern wie ein Stoßdämpfer. Von etwa 130 Prozent der Ruhelänge an trägt die Ruhedehnungskraft einen wesentlichen Teil der Gesamtkraft.

Entscheidend ist, in welchem Bereich dieser Kurve ein Muskel normalerweise arbeitet. Der Skelettmuskel bewegt sich im flachen Bereich um das Kraftmaximum, sodass Gelenkstellung und Lagerung die Kraft nur mäßig verändern. Der Herzmuskel arbeitet dagegen im ansteigenden Teil seiner Kurve, weshalb eine stärkere Füllung unmittelbar mehr Kraft ergibt; das ist der Frank-Starling-Mechanismus, der in Unterkapitel 8 behandelt wird. Klinisch fassbar wird dieser Zusammenhang am Zwerchfell: Bei Überblähung der Lunge steht die Kuppel tief und flach, die Muskelfasern sind verkürzt, und das Zwerchfell arbeitet auf dem ungünstigen Teil seiner Kraft-Längen-Kurve. Dieselbe Atemarbeit kostet dann mehr Kraft, als der Muskel aufbringen kann.

Kontraktionen werden nach dem beschrieben, was sich ändert. Bei der isometrischen Kontraktion bleibt die Länge gleich, und die Kraft wechselt; am Herzen heißt dieselbe Form isovolumetrisch, weil dort die Muskellänge dem Kammervolumen entspricht. Bei der isotonen Kontraktion bleibt die Kraft gleich, und die Länge ändert sich; am Herzen spricht man von isobar. Ändern sich beide Größen gleichzeitig, so liegt eine auxotone Kontraktion vor, und das ist im Körper der Regelfall. Folgt einer isotonen Verkürzung eine isometrische Anspannung, so nennt man das Anschlagzuckung, in umgekehrter Reihenfolge Unterstützungszuckung; der Herzzyklus ist genau eine solche Folge aus isovolumetrischer Anspannung und Auswurfphase.

Last und Geschwindigkeit hängen streng zusammen. Je größer die zu überwindende Kraft, desto langsamer verkürzt sich der Muskel. Die maximale Kraft entwickelt er, wenn er sich überhaupt nicht verkürzt, die maximale Geschwindigkeit bei Bewegung ohne Last. Die Leistung ist das Produkt aus Kraft und Verkürzungsgeschwindigkeit und erreicht ihr Maximum daher nicht an den Rändern, sondern bei mittlerer Last. Leichte Lasten werden schneller gehoben als schwere, ohne dass sich an der Physiologie der Querbrücke etwas ändert.

Der Energieaufwand folgt nicht dem Augenschein. Bei rein statischer Haltearbeit wird nach außen keine mechanische Arbeit verrichtet, denn Kraft mal Weg ergibt null; dennoch verbraucht der Muskel Adenosintriphosphat, und die gesamte chemische Energie wird in Wärme umgewandelt. Ein Maß dafür ist das Produkt aus Muskelkraft und Haltezeit. Der Gesamtverbrauch für Arbeit und Wärme ist bei isotoner Kontraktion höher als bei isometrischer, doch ermüdet der Muskel bei Haltearbeit rascher, weil die Durchblutung unter Dauerspannung gedrosselt wird und Stoffwechselprodukte nicht abfließen. Statische Haltepositionen sind deshalb anstrengender, als sie aussehen.

Die Kontraktion wird unmittelbar aus Adenosintriphosphat gespeist, doch der Vorrat der Muskelzelle ist so klein, dass ein Sprinter damit nur zehn bis zwanzig Meter zurücklegen könnte. Die Konzentration bleibt dennoch nahezu konstant, weil sie fortlaufend nachgebildet wird. Dafür stehen drei Wege bereit, die sich in Zeitfenster, Ausbeute und Voraussetzungen unterscheiden; die Grundlagen der mitochondrialen Energiegewinnung stehen in Kachel 01.

Der erste Weg ist die Spaltung von Kreatinphosphat. Die Kreatinkinase überträgt dessen Phosphatgruppe unmittelbar auf Adenosindiphosphat, sodass sofort wieder Adenosintriphosphat entsteht. Dieser Weg braucht keine Anlaufzeit, keinen Sauerstoff und keine Transportvorgänge. Der Vorrat von etwa fünfundzwanzig Mikromol je Gramm Muskel trägt eine Höchstleistung über zehn bis zwanzig Sekunden. Dass wir dasselbe Enzym im Serum messen, ist kein Zufall: Kreatinkinase ist im Muskel in hoher Konzentration vorhanden und tritt beim Zerfall der Faser in die Zirkulation über.

Der zweite Weg ist die anaerobe Glykolyse. Sie erreicht ihr Maximum nach etwa dreißig Sekunden und baut Glykogen des Muskels bis zur Milchsäure ab, die in Lactat und ein Proton dissoziiert. Die Ausbeute beträgt drei Moleküle Adenosintriphosphat je Glucoserest aus Glykogen und nur zwei aus Blutglucose, weil dort ein Molekül für die einleitende Phosphorylierung verbraucht wird. Bei leichter Arbeit wird das Lactat unter Verbrauch von Protonen in Herz und Leber verwertet, und der anaerobe Weg wird nach etwa einer Minute vom aeroben abgelöst. Reicht dieser nicht aus, so läuft die Glykolyse daneben weiter.

Der dritte Weg ist die aerobe Oxidation von Glucose und Fettsäuren mit einer Ausbeute von etwa dreißig Molekülen Adenosintriphosphat je Glucose. Nur er ermöglicht Dauerleistung, verlangt aber einen angepassten Sauerstofftransport und damit ein gesteigertes Herzzeitvolumen und eine gesteigerte Ventilation. Die drei Systeme arbeiten nicht nacheinander, sondern überlappend: Kreatinphosphat überbrückt die Sekunden, die Glykolyse die erste Minute, die Oxidation alles Weitere.

Bei harter Arbeit muss der Muskulatur bis zu fünfhundertmal mehr Sauerstoff zugeführt werden als in Ruhe, und gleichzeitig müssen Protonen, Kohlendioxid und Lactat abtransportiert werden. Das Herzzeitvolumen steigt beim Untrainierten von fünf bis sechs auf etwa zwanzig Liter pro Minute, überwiegend durch eine Zunahme der Herzfrequenz auf etwa das Zweieinhalbfache und nur wenig durch ein größeres Schlagvolumen. Der systolische Druck steigt, der diastolische bleibt weitgehend gleich. Die Durchblutung von Niere und Verdauungstrakt wird zugunsten von Muskulatur und Haut gesenkt; die Regelung dieser Umverteilung gehört in Kachel 03.

Bis dieses Gleichgewicht erreicht ist, vergehen einige Minuten. Diese Lücke wird auf drei Wegen überbrückt: durch die anaeroben Systeme, durch eine vermehrte Sauerstoffausschöpfung des Blutes und durch den Kurzzeitspeicher Myoglobin. Myoglobin bindet Sauerstoff fester als Hämoglobin, aber schwächer als die Enzyme der Atmungskette; es ist deshalb im Ruhezustand gesättigt und gibt seinen Sauerstoff genau dann ab, wenn die Zufuhr kurzzeitig hinter dem Bedarf zurückbleibt. Das zu Beginn entstehende Sauerstoffdefizit wird nach Ende der Arbeit als Sauerstoffschuld abgetragen, um Speicher wieder aufzufüllen und Lactat abzubauen. Nach sehr schwerer Arbeit ist diese Schuld erheblich größer als das ursprüngliche Defizit und kann bis zu zwanzig Liter betragen.

Oberhalb von etwa sechzig bis fünfundsechzig Prozent der maximalen Leistungsfähigkeit steigt die Lactatkonzentration im Plasma steil an. Ein Wert bis zwei Millimol pro Liter markiert die aerobe Schwelle und ist lange tolerabel; vier Millimol pro Liter gelten als anaerobe Schwelle, jenseits derer kein wesentlicher Leistungszuwachs mehr zu erwarten ist. Der begleitende Abfall des pH-Wertes hemmt die Reaktionen der Kontraktion selbst, sodass ein Mangel an Adenosintriphosphat entsteht und die Arbeit abgebrochen werden muss.

Ermüdung hat zwei Orte. Die periphere Ermüdung entsteht im Muskel selbst durch Erschöpfung der Energievorräte und Anhäufung von Stoffwechselprodukten; sie tritt bei Haltearbeit besonders schnell ein. Die zentrale Ermüdung liegt vor, wenn Schmerz oder nachlassende Motivation die Leistung begrenzen, obwohl der Muskel noch könnte. Der verzögert auftretende Muskelschmerz nach ungewohnter Belastung ist übrigens nicht die Folge angesammelter Milchsäure, sondern kleiner Faserverletzungen mit anschließender Entzündungsreaktion. Für die Intensivmedizin ist die Zweiteilung wichtig, weil ein Patient beim Spontanatmungsversuch peripher wie zentral scheitern kann und sich die Maßnahmen unterscheiden.

Stellen Sie sich jede Muskelleistung als Produkt aus drei unabhängigen Faktoren vor: aus der Menge des eingesetzten Gewebes, aus der Güte seiner Ansteuerung und aus der Versorgung, die diese Arbeit bezahlt. Die Menge entscheidet über die maximal mögliche Kraft und wird durch Rekrutierung erschlossen. Die Ansteuerung entscheidet über die Ausnutzung dieser Kraft, über Frequenz, Zeitverlauf und Arbeitspunkt auf der Kraft-Längen-Kurve. Die Versorgung entscheidet darüber, wie lange die Leistung aufrechterhalten werden kann.

Der Vorteil dieses Modells liegt darin, dass Schwäche damit zu einer beantwortbaren Frage wird. Fehlt Gewebe, wie beim Muskelabbau nach langer Beatmung, so hilft nur Aufbau über Wochen. Ist die Ansteuerung gestört, etwa durch Restblockade, Kritische-Krankheit-Polyneuropathie oder eine ungünstige Zwerchfellstellung bei Überblähung, so greifen Antagonisierung, Zeit oder eine Änderung der Beatmung. Reicht die Versorgung nicht, wie bei Sepsis, Anämie, niedrigem Herzzeitvolumen oder Katabolie, so ist die Kraft selbst gar nicht das Problem, sondern ihre Bezahlung.

Die Atemmuskulatur führt alle drei Faktoren zusammen. Sie arbeitet auxoton gegen einen wechselnden Widerstand, sie tut das ohne Pause, und sie beansprucht bei erhöhter Atemarbeit einen erheblichen Teil des Sauerstoffangebots. Genau deshalb entscheidet sich die Entwöhnung von der Beatmung so oft nicht an der Lunge, sondern am Muskel und an seinem Energiehaushalt.

Was verändert die Anästhesie?

• Muskelrelaxanzien nehmen dem Muskel die Ansteuerung, ohne seine Mechanik zu verändern. Nach Abklingen der Blockade bleibt die Kraft genau so, wie die Vorgeschichte des Patienten sie hinterlassen hat; eine vorbestehende Schwäche wird dadurch erst sichtbar.
• Kontrollierte Beatmung entlastet die Atemmuskulatur vollständig. Diese Entlastung ist gewollt, führt aber innerhalb von Tagen zur Inaktivitätsatrophie des Zwerchfells, weshalb eine frühe anteilige Eigenatmung angestrebt wird.
• Immobilisation ohne mechanische Belastung ist der stärkste Einzelfaktor des Muskelabbaus auf der Intensivstation; Sepsis, Organversagen, Hyperglykämie und Katabolie verstärken ihn.
• Lagerung verändert den Arbeitspunkt auf der Kraft-Längen-Kurve und den venösen Abfluss. Statische Haltepositionen sind auch unter Anästhesie nicht kraftfrei, weil das Gewebe dauerhaft komprimiert wird.
• Überblähung und hoher positiver endexspiratorischer Druck drücken das Zwerchfell nach unten und verkürzen seine Fasern. Die Kraftreserve sinkt, obwohl der Muskel selbst gesund ist.
• Hypothermie verlangsamt die Calciumpumpen und damit die Erschlaffung; Normothermie ist deshalb auch eine Bedingung für belastbare Muskelkraft.

Wann wird diese Physiologie klinisch sichtbar?

• Scheitern des Spontanatmungsversuchs bei unauffälliger Lunge, erkennbar an rascher flacher Atmung, Einsatz der Hilfsmuskulatur und steigendem Kohlendioxidwert ohne neues Infiltrat.
• Sichtbarer Muskelschwund innerhalb der ersten Woche, messbar als Abnahme der Muskeldicke im Ultraschall, oft bevor eine Schwäche klinisch geprüft werden kann.
• Anhaltende Schwäche nach Absetzen aller Relaxanzien und Sedativa, symmetrisch und rumpfnah betont, mit erhaltener Sensibilität bei überwiegend myopathischer Form.
• Rhabdomyolyse nach extremer Belastung, langem Liegen oder Krampfanfall mit Anstieg der Kreatinkinase, Muskelschmerz und Gefahr des akuten Nierenversagens.
• Laktatanstieg unter hoher Atemarbeit, wenn die Atemmuskulatur einen großen Teil des Sauerstoffangebots beansprucht und anaerob arbeitet.
• Frühe Ermüdung bei Haltearbeit in der Rehabilitation, bei der die Kraft für einige Sekunden ausreicht, aber nicht für die Dauer der Aufgabe.

• Ein stärkerer Reiz erzeuge eine stärkere Einzelzuckung der Muskelfaser. Die einzelne Faser antwortet nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip. Die Kraft des Muskels steigt durch Rekrutierung weiterer Einheiten und durch höhere Reizfrequenz.
• Ein Muskel sei bei maximaler Dehnung am stärksten. Die aktive Kraft ist bei Ruhelänge am größten, weil dort die Filamentüberlappung optimal ist; bei stärkerer Dehnung nimmt sie ab.
• Haltearbeit koste wenig Energie, weil keine Bewegung stattfindet. Es wird keine mechanische Arbeit nach außen verrichtet, aber Adenosintriphosphat verbraucht und vollständig in Wärme umgewandelt; Haltearbeit ermüdet besonders schnell.
• Muskelschmerz nach ungewohnter Belastung entstehe durch Milchsäure. Ursache sind kleine Faserverletzungen mit Entzündungsreaktion; das Lactat ist längst verstoffwechselt.
• Muskelmasse gehe erst nach Wochen der Immobilisation verloren. Der Abbau beginnt innerhalb der ersten Tage einer kritischen Krankheit und ist bei Multiorganversagen deutlich schneller.

Merksätze

• Der Muskel stuft Kraft auf zwei Wegen ab: durch die Zahl der rekrutierten motorischen Einheiten und durch die Reizfrequenz in jeder Einheit.
• Die einzelne Faser kennt nur alles oder nichts. Abstufung ist eine Leistung des Nervensystems, nicht der Faser.
• Aktive Kraft folgt der Überlappung, passive Kraft folgt dem Titin. Die Summe beider ergibt die Kraft, die am Patienten ankommt.
• Kreatinphosphat trägt Sekunden, die Glykolyse trägt eine Minute, nur die Oxidation trägt Dauerleistung.
• Wer eine Schwäche beurteilt, fragt nach Gewebe, Ansteuerung und Versorgung. Nur eines dieser drei Probleme lässt sich in Minuten beheben.

Aufgaben