BIOPHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DER MUSKELFUNKTION

Gabor Talian

Institut für Biophysik, Univ. Pécs

VORLESUNGSSCHEMA

• Der Aufbau des Muskels

• Die Struktur des Sarkomers, Myofilamente

• Der Mechanismus der Muskelkontraktion

• Die Regulierung der Kontraktion

• Mechanische Eigenschaften der Muskelfunktion• Länge-Kraft

• Geschwindigkeit-Kraft

• Spannungsentwicklung in dem Muskeln

• http://physiologie.cc/XV.1.htm

• https://stura.uni-leipzig.de/sites/stura.uni-leipzig.de/files/fsr-spowi/dokumente/2014/07/muskulatur_skript.pdf

http://physiologie.cc/XV.1.htmhttps://stura.uni-leipzig.de/sites/stura.uni-leipzig.de/files/fsr-spowi/dokumente/2014/07/muskulatur_skript.pdf

Muskeltypen

Aufbau des quergestreiftenMuskels

MotorischeEndplatte

Feinstruktur derMuskelzelle

SARKOMER

https://d-nb.info/1027017797/34

https://d-nb.info/1027017797/34

Aktinfilament

Kenneth C. Holmes

Nature, 457, 389

Myosinfilament

Hebelarm klappt nack vorne

Rigorkomplex

Regulation der MuskelkontraktionRyanodin-Rezeptor

Dihydropyridin-Rezeptor

Muskelerregung

Aktive und passive Entdehnung

• Isotonische Kontraktionen: verkürzt sich der Muskel bein kostanter Kraftentwicklung oder konstanter Belastung. Z.B., bei anhebein eines Gewichtes mit konstanter geschwindigkeit.

• Isometrische Kontraktionen: die Kraft ändert sich ohne eine Änderung der Muskellänge – ohne eine Änderung der Sarkomerlänge (=> elastische Verformung des Myosinkopfes, Dehnung der Aktin-und Myosinfilamente).

• Auxotonische Kontraktionen: die Länge und Kraft ändern sich gleichzeitig (z.B., bei Gelenkbewegungen). Positiv auxotonische Kontraktionen = die Last steigt mit der Verkurzung an; negativ auxotonische Kontraktionen = gegenteil.

• Unterstützungskontraktionen: zwei Phasen: eine isometrische Phase, und eine isotonische oder auxotonische Phase. Z.B., das Hochheben eines Gegenstands: erste Phase, isometrisch bis die Kraft dem Gewicht des Gegenstandes entspricht (isometrisch), und zweite Phse, anheben (isotonisch).

• Anschlagkontraktionen: zwei Phasen: eine isotonische Phase, und eine isometrische phase. Z.B., bei Kauen.

https://slideplayer.org/slide/656445/

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Kraftausübung

Die Fortbewegung des Myosinkopfes in einem Querbrückenzyklus : d ~10 nm = 10×10-9 m

Die ausgeübte Kraft des Myosinkopfes in einem Querbrückenzyklus : FMyosin ~2 pN = 2 × 10-12 N

Anzahl der Querbrücken: N

1 dünnes Filament enthält ~ 200 Myosinmoleküle (F ~2 × 200 pN = 400 pN)

1 Myofibrillum enthält ~ 104 − 105 Sarkomere

1 Muskelfaser enthält ~ 2000 Myofibrilla

1 Muskel enthält ~104 − 105 Muskelzellen (Fasern)

Totalkraft = FMyosin ∗ N = 2 pN × 200 × 105 × 2000 × 105 = 8000 N

Anzahl der aktiven Akto-Myosin Querbrücken hängt ab:

- von der Überlappung zwischen den dünnen und dicken Filamenten

- von der ATPase-Aktivität von Myosin II

erholterMuskel

erschöpfterMuskel

Muskelsysteme – einfache Maschinen (Hebel)

erste Klasse(Wippe)

dritte Klasse(Spaten)

zweite Klasse(Karre)

𝑀𝐾𝑟𝑎𝑓𝑡 = 𝑀𝐿𝑎𝑠𝑡

𝐹𝐻𝑒𝑏𝑒𝑙 ∙ 𝐾𝑟𝑎𝑓𝑡𝑎𝑟𝑚 = 𝐹𝐿𝑎𝑠𝑡 ∙ 𝐿𝑎𝑠𝑡𝑎𝑟𝑚

Hebel erster Klasse

Durch die Nackenmuskulatur ausgeübte Kraft:

mechanisch günstig (FM < FW)

Totalkraft auf dem atlantoocipitalem Gelenk:

𝐹𝑀 ∙ 5𝑐𝑚 = 50𝑁 ∙ 2,5𝑐𝑚

𝑭𝑴 = 𝟐𝟓𝑵

Σ𝐹 = 𝐹𝐽 = 50𝑁 + 25𝑁 = 𝟕𝟓𝑵

(Schwerpunkt)

(Drehpunkt)

https://www.leifiphysik.de/mechanik/einfache-maschinen/ausblick/hebel-am-menschen

(Drehpunkt)

mechanisch günstig (aS < aB)

Hebel zweiter Klasse

https://www.leifiphysik.de/mechanik/einfache-maschinen/ausblick/hebel-am-menschen

Gewicht von Last und Oberarm (FW): 50N

Durch den Bizepsmuskel ausgeübte Kraft:

mechanisch ungünstig (FM > FW)

Totalkraft auf dem Ellenbogengelenk:(5cm)

(35cm)

𝐹𝑀 ∙ 5𝑐𝑚 = 𝐹𝑊 ∙ 35𝑐𝑚

FW

𝑭𝑴 = 𝟑𝟓𝟎𝑵

Σ𝐹 = 350𝑁 − 50𝑁 = 𝟑𝟎𝟎𝑵

Hebel dritter Klasse

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!