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3.3 Muskelfasertypen

Allgemein unterscheidet man Muskelfasern auf der Grundlage

1. des kontraktilen Apparats: Myosin-Schwerketten-Isoformen (myosin heavy chains, MHC);

2. der kontraktilen Eigenschaften: Typ I, Typ II (slow twitch vs. fast twitch) und

3. des metabolischen Profils (oxidativ/glykolytisch) sowie der Verwendung von Calciumionen,

wobei die jeweiligen MHC-Isoformen bisher als das wichtigste Unterscheidungskriterium gelten (vgl. Krüger 2019).

Die Kontraktionseigenschaften der einzelnen Muskelfasern werden maßgeblich durch den jeweiligen Anteil an Myosin-Schwerketten-Isoformen (MHC – myosin heavy chain) bestimmt. Isoformen sind verschiedene Formen desselben Proteins.

Klassifizierung der Muskelfasertypen

Folgende Klassifizierungen der Muskelfasertypen sind heute in der Literatur üblich:

Tab. 3.1: Klassifikation von Muskelfasertypen nach optischen Beobachtungen, biomechanischen Kriterien sowie Stoffwechselaspekten. Myoglobin ist ein Muskelprotein, das Sauerstoff binden kann (mod. nach Freiwald 2016).

Grundsätzlich ist menschliche Muskulatur nicht homogen, sondern setzt sich aus verschiedenen Muskelfasertypen zusammen. Auch wenn das Kraftpotenzial ähnlich ist, können sich FT-Fasern mit Faktor fünf bis zehn viel schneller kontrahieren als ST-Fasern, was zur Folge hat, dass die maximale Kontraktionsgeschwindigkeit und die maximal erreichbare Wattzahl bei den FT-Fasern deutlich größer ist. Im Gegensatz dazu ermüden die ST-Fasern nicht so schnell. FT-Fasern ermüden in Sekunden oder höchstens Minuten, während ST-Fasern stundenlang oder tagelang arbeiten, ohne nennenswert zu ermüden, vorausgesetzt sie werden ausreichend mit Energie und Sauerstoff versorgt. Die Typ IIx-Fasern sind die schnellsten und kräftigsten Muskelfasern.

Praxisbeispiel

Dem Weltrekordler über 60 Meter Hürden (7,30 s) und früheren Weltmeister über 110 Meter Hürden (12,91 s) wurden nach Karriere-Ende Muskelbiopsien entnommen. Dabei wurde festgestellt, dass er 71 Prozent Fast-Twitch-Fasern hat. Im Detail fand man 24 Prozent FT-IIx-Fasern, 8,5 Prozent Typ IIa/IIx-Fasern (Intermediärtyp), 34 Prozent FT-IIa-Fasern und 4,5 Prozent Typ I/IIa-Muskelfasern (Intermediärtyp). 13 Prozent waren hybride Fasern, von denen man annimmt, dass sie bei gezieltem Training abnehmen (vgl. Krüger 2016).

Umwandlung von Muskelfasern

Hybridfasern, wie in obigem Beispiel (Intermediärfasern) enthalten verschiedene MCH-Isoformen. Eine Typ IIa-Muskelfaser könnte somit neben MHC IIa auch die MHC-Isoformen I und MCH IId enthalten. Hybridfasern kommen hauptsächlich bei Muskelfaserumwandlungen vor, die durch Training oder Immobilisation initiiert werden. In der Praxis kann man des Öfteren hören, dass Muskelfasertypen zu „Abschwächungen“ oder „Verkürzungen“ neigen würden. Freiwald stellt dazu fest, dass der Muskelfasertyp keinen Einfluss darauf hat und entsprechende Trainingskonzeptionen, die darauf aufbauen, nicht haltbar sind. Inklusive Hybridfasern gibt es vier Muskelfasertypen: Typ I, Typ II a Fast Twitch Oxydativ (FTO), Typ II a Fast Twitch Glykolytisch (FTG) und Typ II x.

Verteilung nach Geschlecht und Sportarten

Aus Sicht der Trainingspraxis ist die Einteilung der Muskelfasertypen wichtig, da die unterschiedlichen Muskelfasertypen auch über unterschiedliche Stoffwechseleigenschaften und eine unterschiedliche Trainierbarkeit verfügen. Die Verteilung ist bei Männern und Frauen annähernd gleich. Bei Sportlern ist dies nicht der Fall: Sprinter verfügen über weit mehr schnell zuckende Fasern (M. gastrocnemius: Frauen ca. 24 Prozent, Männer ca. 27 Prozent Typ-II-Fasern) als Langstreckenläufer (gleicher Muskel: Frauen ca. 69 Prozent und Männer ca. 79 Prozent Typ I-Fasern). Es unterscheiden sich auch die Faserquerschnitte, denn bei Trainierten sind die Querschnitte deutlich größer (vgl. Freiwald/Greiwing 2016).

Tab 3.2: Die wichtigsten Klassifizierungssysteme, metabolische und funktionelle Eigenschaften der Skelettmuskelfasertypen [8-11].

Die folgende Tabelle zeigt die prozentuale Verteilung der Muskelfasertypen bei verschiedenen Sportarten bzw. Sportdisziplinen und unterschiedlichen Muskeln:

Tab. 3.3: Prozentualer Anteil der Typ I- und Typ II-Fasern in verschiedenen ausgewählten Muskeln von Frauen (W) und Männern (M) (mod. nach Freiwald/Greiwing 2016).

Anpassungen des Muskelfaserspektrums

Ziele der Muskelanpassung

Die einzelnen Muskelfasertypen sind in der Lage, sich an bestimme Trainingsbelastungen mehr oder weniger stark anzupassen. Daher ist es vor Trainingsbeginn wichtig, das Ziel festzulegen, welches man mit dem Krafttraining bzw. Ausdauertraining verfolgen möchte. Durch die angewandte Trainingsmethode wird dann bestimmt, in welche Richtung die Muskelanpassung durch das Training erfolgen wird.

Die durch Krafttraining erzeugte Hypertrophie aller Muskelfasertypen betrifft in erster Linie die schnellkräftigen FTa- und FTx-Fasern. Ein Krafttraining führt zur Umwandlung von schnell zuckenden und schnell ermüdbaren Typ-IIx-Fasern in langsamere Fasertypen.

Durch eine Trainingspause oder Immobilisation (Bettlägerigkeit, Querschnittslähmung usw.) werden langsame zu schnellen Fasern zurücktransformiert. In einer groß angelegten Studie von 270 untrainierten und 148 trainierten Männern und Frauen (Ausdauer- und Krafttraining; durchschnittlich 24 Jahre alt) hat man 418 Muskelproben des M. vastus lateralis (äußerer Schenkelmuskel) gewonnen. Nach einer drei Monate dauernden Trainingsphase schloss sich eine drei Monate dauernde Detrainingsphase (Trainingsstopp oder Training mit relativ reduziertem Umfang/Intensität) an. Dabei kam es nicht nur zu einer Rücktransformation der Typ IIx-Fasern zum Ursprungswert, sondern zu einem signifikant höheren Anteil an Typ IIx Fasern als vor der Trainingsphase (vgl. Toigo 2019, sowie Freiwald/Greiwing 2016). Die Schlussfolgerung aus dieser Studie könnte nun sein, dass man, um schnellere Muskelfasern zu bekommen, besser überhaupt nicht trainieren sollte. Sie legt aber auch den Trainern und Athleten nahe, das Hauptaugenmerk nicht nur auf das Training, sondern auch auf die Phasen (Dauer und Ausmaß) von relativer Inaktivität (zum Ausgangsniveau) zu legen (vgl. Toigo 2019).

Abb. 3.3: Trainings- und Immobilisationsbedingte Anpassungen (Transformationen) der Muskelfaserzusammensetzung.

Nur einseitige Umwandlung möglich

Mit niedriger Frequenz durchgeführte Elektrostimulation wandelt Typ-II-Muskelfasern innerhalb weniger Wochen vollständig in Typ-I-Fasern um. Eine Umwandlung von Typ-I-Fasern in Typ-II-Muskelfasern ist nicht möglich, auch nicht durch Elektrostimulation.

Krüger (2019) weist nochmals darauf hin, dass Umbauten von schnellen zu langsamen Muskeln bei Sportlern durch Ausdauertraining nachgewiesen worden sind, von langsamen zu schnellen bisher jedoch nicht.

Hoher genetischer Anteil

In Spielsportarten hat sich in den letzten Jahren gezeigt, dass bei hochtrainierten Sportlern die Schnelligkeit kaum trainierbar ist. Dies deutet auf einen entsprechend hohen genetischen Anteil hin, man spricht nicht umsonst vom „geborenen Sprinter“.

Schlussfolgerungen für die Trainingspraxis

Ausdauer besser trainierbar als Schnelligkeit

Krafttraining kann durch höherfrequente Innervation (maximale, explosive Krafteinsätze) zur besseren Rekrutierung und Frequenzierung der Muskulatur führen, jedoch die Muskelfaserzusammensetzung nur zeitweise (insbesondere in Richtung ST-Fasern) und nicht grundlegend ändern. Niedrige Innervationsfrequenzen wie beim Ausdauertraining oder eines Krafttrainings mit geringer Belastung führen dazu, dass der Athlet langsamer und gleichzeitig ausdauernder wird, weil speziell durch diese Belastung die ST-Fasern angesteuert werden. In der Praxis zeigt sich auch, dass die Ausdauer besser als die Schnelligkeit trainiert werden kann.

Im Hochleistungsfußball sind längere Ausdauerläufe für die Entwicklung der Grundlagenausdauer zwar wichtig, aber weniger geeignet für die Anforderungen im azyklischen und schnellkräftigen Fußball, welcher auf hohe Innervationsfrequenzen und schnellkräftige Muskelfasern angewiesen ist.

Eine Umwandlung von Typ-II-Fasern zu Typ-I-Fasern ist durch Ausdauertraining bzw. Krafttraining mit geringen Widerständen wahrscheinlich. Für die Trainingspraxis ist wichtig, dass zur Steigerung der Schnelligkeit das Krafttraining immer hochintensiv ausgeführt werden sollte und bei Ermüdungserscheinungen abgebrochen werden müsste (vgl. Freiwald/Greiwing 2016).

Agonist und Antagonist in der sportlichen Bewegung

An einer sportlichen Bewegung sind immer mehrere Muskeln beteiligt. Dabei bezeichnet man Muskeln, die die gleiche Arbeit verrichten als Agonisten oder Synergisten, diejenigen Muskeln, welche der Arbeit anderer Muskeln entgegenwirken, als Antagonisten.

Bei dem Rückhand-Topspin von Dimitri Ovtcharov kann man in der Ausholbewegung (Foto 1) eine fast 90-gradige Beugung im Ellbogengelenk erkennen. Auf dem rechten Foto (Foto 2), der Endphase der Bewegung, ist der Ellbogen deutlich gestreckter. Für die Beugung zur Ausholbewegung ist der Biceps brachii (Oberarmvorderseite) verantwortlich. Für die Streckung des Ellbogens und Beschleunigung des Unterarms ist der Triceps brachii (Oberarmrückseite) der Agonist, der Biceps wirkt als Antagonist, da die Streckbewegung von ihm abgebremst wird.

Abb. 3.4: Rückhand-Topspin von Dimitri Ovtcharov (Foto 1 und 2)

Während einer Bewegung arbeiten jedoch nicht nur die Muskelgruppen der zusammenwirkenden, sondern auch die der entgegengesetzten Funktion, wodurch ein fein koordinierter Bewegungsablauf wie der Rückhand-Topspin von Ovtcharov erst möglich wird. Die Antagonisten haben einen regulierenden Einfluss auf die sonst stoßartigen und ruckartigen Bewegungen der Agonisten. Muskeln, welche für eine bestimmte Bewegung Agonisten sind, können für andere Bewegungen zu Antagonisten werden. Kein Muskel ist also ausschließlich Agonist oder Antagonist (vgl. Tittel 1985).

Die folgende Abbildung zeigt die Beinmuskelbeteiligung an der Sprintbewegung.

Abb. 3.5: Beinmuskelbeteiligung beim Sprint (Schönborn 2010).

Anpassungsmöglichkeiten der Muskeln an Krafttraining

An spezifische Krafttrainingsreize zeigt der Muskel im Bereich der Energiebereitstellung spezifische Anpassungen. Die wichtigsten Anpassungserscheinungen stellt folgende Tabelle dar:

Tab. 3.4: Physiologische Anpassungserscheinungen der Energiespeicher und Energiebereitstellung an Krafttraining (mod. nach Freiwald/Greiwing 2016);

Die Muskulatur des Menschen ist sehr anpassungsfähig, insbesondere an die unterschiedlichen Krafttrainingsmethoden. Grundsätzlich sind es zwei Reizformen, auf welche der Muskel mit Anpassung reagiert:

1. Mechanische Spannungsreize

Der für die Anpassung notwendige Spannungsreiz zur Auslösung eines Trainingseffektes ist u.a. von Faktoren wie dem Trainingszustand oder auch der trainierten Muskelgruppe abhängig.

2. Metabolische Reize

Mehrere Studien belegen die Bedeutung von metabolischem Stress für das Muskelwachstum. Darunter ist zu verstehen, dass es durch intensives Krafttraining zu einer Anhäufung von Metaboliten wie Wasserstoffionen und Laktat in der Muskelzelle kommt.

Bodybuilder verursachen durch ihre Trainingsformen (z.B. 60 bis 85 Prozent des EWM) mit hohen Wiederholungszahlen und kurzen Pausen eine Beanspruchung des anaerob-laktaziden Stoffwechsels mit deutlichem pH-Wertabfall und verstärkter Laktatbildung im Muskel. Gewichtheber arbeiten mit hohen Belastungsintensitäten (ca. 90 Prozent des EWM) und geringeren Wiederholungszahlen sowie längeren Pausen. Diese Trainingsmethode beansprucht stärker den anaerob-alaktaziden Stoffwechsel, und es fallen deutlich weniger Metaboliten an. Die Bedeutung des metabolischen Stresses für das Muskelwachstum wird an dem Beispiel der Bodybuilder deutlich (vgl. Freiwald/Greiwing 2016).

Im Hinblick auf den Sport ist ebenfalls die Verbesserung der Kontraktionsgeschwindigkeit der Muskelfasern von großer Bedeutung. Aus der Trainingspraxis ist bekannt, dass Sprinter*innen in den leichtathletischen Disziplinen wie z.B. 100 Meter oder 110 Meter Hürden sowie Weitspringer und Dreispringer Krafttraining machen, um ihre Leistungen zu verbessern. Sowohl bei den Ausdauerathleten als auch bei Sprintern spielt die genetische Disposition eine wichtige Rolle (vgl. Krüger 2013 und Freiwald/Greiwing 2016).

Die folgende Tabelle fasst die Anpassung des Muskels an unterschiedliche Trainingsformen sowie den Einfluss auf strukturelle und funktionelle Eigenschaften der Muskelfasern zusammen:

Tab. 3.5: Auswirkungen und Anpassungserscheinungen von Krafttrainingsformen auf den Muskel (vgl. Freiwald/Greiwing 2016);