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