Inhalt und Einsatz im Unterricht

"Muskel & Energie II" (Biologie, Sek. II)

Diese DVD behandelt das Unterrichtsthema "Muskel & Energie" für dieSekundarstufe II.

Das DVD-Hauptmenü bietet folgende 4 Filme zur Auswahl:

Drei Muskeltypen im Vergleich 6:50 minFeinbau des Skelettmuskels 5:30 minDie Muskelkontraktion 6:40 minMuskeln, Energie und Muskelkater 7:30 min

(+ Grafikmenü mit 8 Farbgrafiken)

Aufwändige und sehr detaillierte 3D-Computeranimationen verdeutlichenAufbau und Leistung der verschiedenen Muskeltypen des menschlichenKörpers. Schwerpunkt der Darstellung sind Aufbau und Kontraktion einesSkelettmuskels. Der Film "Muskeln, Energie und Muskelkater" bietet eineausführliche Schilderung der sukkzessiven Energiebereitstellung im Muskel beiDauerbelastung (ATP, Kreatinphosphat, Milchsäuregärung, Zellatmung).Die 3D-Computeranimationen sind filmisch eingebettet in eine unterhaltsamekleine Rahmenhandlung: Der Architekturstudent Markus betreibt gerne Sport inseiner Freizeit, wenn er auch nicht der geborene Modellathlet ist. Leichtathletik,speziell der 400m-Lauf, hat es ihm besonders angetan. Die Filme begleiten denMarkus ins Fitness-Studio, auf die 400m-Bahn, aber auch zur Umzugshilfe beiseiner Freundin (Kisten schleppen!).Es empfiehlt sich, die Filme 2-4 in der o.g. genannten Reihenfolge einzusetzen,da sie inhaltlich z.T. aufeinander aufbauen. Der Einsatz von Film 1 kann nachBelieben erfolgen.

Ergänzend zu den o.g. 4 Filmen finden Sie auf dieser DVD:

- 8 Farbgrafiken, die das Unterrichtsgespräch illustrieren (in den Grafik-Menüs)

- 15 ausdruckbare PDF-Arbeitsblätter, jeweils in Schüler- und in Lehrerfassung (im DVD-ROM-Bereich)

Im GIDA-"Testcenter" (auf www.gida.de)finden Sie auch zu dieser DVD "Muskel & Energie II" interaktive undselbstauswertende Tests zur Bearbeitung am PC. Diese Tests können Sieonline bearbeiten oder auch lokal auf Ihren Rechner downloaden, abspeichernund offline bearbeiten, ausdrucken etc.

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Begleitmaterial (PDF) auf dieser DVDÜber den "Windows-Explorer" Ihres Windows-Betriebssystems können Sie dieDateistruktur der DVD einsehen. Sie finden dort u.a. den Ordner "DVD-ROM".In diesem Ordner befindet sich u.a. die Datei

index.htmlWenn Sie diese Datei doppelklicken, öffnet Ihr Standard-Browser mit einemMenü, das Ihnen noch einmal alle Filme und auch das gesamte Begleitmaterialder DVD zur Auswahl anbietet (PDF-Dateien von Arbeitsblättern, Grafiken undDVD-Begleitheft, Internetlink zum GIDA-TEST-CENTER etc.).Durch einfaches Anklicken der gewünschten Begleitmaterial-Datei öffnet sichautomatisch der Adobe Reader mit dem entsprechenden Inhalt (sofern Sie denAdobe Reader auf Ihrem Rechner installiert haben). Die Arbeitsblätter liegen jeweils in Schülerfassung und in Lehrerfassung (miteingetragenen Lösungen) vor. Sie ermöglichen Lernerfolgskontrollen bezüglichder Kerninhalte der DVD und sind direkt am Rechner elektronisch ausfüllbar.Über die Druckfunktion des Adobe Reader können Sie aber auch einzelne oderalle Arbeitsblätter für Ihren Unterricht vervielfältigen.

Fachberatung bei der inhaltlichen Konzeption und Gestaltung dieser DVD:Frau Erika Doenhardt-Klein, Oberstudienrätin (Biologie, Chemie und Physik, Lehrbefähigung Sek. I + II)

Inhaltsverzeichnis Seite:

DVD-Inhalt - Strukturdiagramm 4

Die Filme

Drei Muskeltypen im Vergleich 5Feinbau des Skelettmuskels 7Die Muskelkontraktion 9Muskeln, Energie und Muskelkater 11

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DVD-Inhalt - Strukturdiagramm

4

Hauptmenü

Menü

Drei Muskeltypen im Vergleich

Menü Grafiken

GrafikenSkelettmuskulatur Vorderseite

Filme

Skelettmuskulatur Rückseite

Übersicht der 3 Muskulaturtypen

Aktinfilament / Myosinmolekül

Aktin-Myosin-Bindung

Muskelkontraktion - Ablauf

Feinbau der Muskelzelle

Energiebereitstellung im Muskel

Feinbau des Skelettmuskels

Die Muskelkontraktion

Muskeln, Energie und Muskelkater

Drei Muskeltypen im VergleichLaufzeit: 6:50 min, 2006

Lernziele: - Kenntnis über die Unterschiede in Aufbau und Funktion bzw.

Leistungsfähigkeit der drei Muskeltypen des menschlichen Körperswiederholend vertiefen;

- Kenntnis über die Unterschiede von willkürlicher und unwillkürlicherMuskulatur in Bezug auf ihre Steuerung wiederholend vertiefen.

Inhalt:Markus, der sportbegeisterte Student, besucht heute wieder das Fitness-Studiound bietet über eine praktische Übung zur Stärkung seiner Beinmuskulatur denEinstieg ins Thema.Im weiteren Filmverlauf werden die drei Muskeltypen detailliert erläutert. Dabeizeigt der Film jeweils eine Mikroskopaufnahme und geht dann in 3D-Computeranimation und -grafik über.

1) Die Informationen des Films zur quergestreiften Skelettmuskulatur

Die Fasern/Zellen der Skelettmuskulatur können beim Menschen bis zu 30 cmlang werden und haben viele Zellkerne (Zellwachstum und Zellkernteilung, aberkeine Zellteilung).Die Skelettmuskulatur wird über das motorische Nervensystem willentlich (vomGroßhirn) gesteuert und daher "willkürliche Muskulatur" genannt. Sie kannkurzzeitig Höchstleistungen bringen und dabei sehr schnell arbeiten. DieSkelettmuskulatur verbraucht relativ viel Energie und ermüdet relativ schnell.

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2) Die Informationen des Films zur glatten Eingeweidemuskulatur

Die Zellen der glatten Eingeweidemuskulatur sind rauten- bzw. spindelförmigund nur ca. 15-20 Mikrometer lang, sie haben nur einen Zellkern. Die glatteMuskulatur wird über das vegetative Nervensystem (vom Stammhirn) gesteuert,ist willentlich nicht steuerbar und zählt daher zur "unwillkürlichen Muskulatur".Die glatte Muskulatur arbeitet langsam, ausdauernd und energiesparend.

3) Die Informationen des Films zur quergestreiften Herzmuskulatur

Die Zellen der Herzmuskulatur ähneln unter dem Mikroskop mit ihrerQuerstreifung denen der quergestreiften Skelettmuskulatur, weisen ansonstenaber deutliche Unterschiede auf: Sie sind ebenso wie die Zellen der glattenMuskulatur nur etwa 15-20 Mikrometer lang und haben auch nur einen Zellkern.Zusätzlich weisen sie eine typische Y-Form und Verbindungen untereinanderauf.Die Steuerung der Herzmuskulatur erfolgt "unwillkürlich" durch Stammhirn undvegetatives Nervensystem. Eine Besonderheit ist dabei, dass nurSchlagfrequenz und Kontraktionskraft über das Nervensystem gesteuertwerden. Die eigentliche Auslösung der Herzmuskelkontraktion leistet dersogenannte Sinusknoten, eine bestimmte Region von Herzmuskelzellen. DieReizweiterleitung erfolgt dann von Zelle zu Zelle, bis zur komplettenKontraktion.

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Feinbau des SkelettmuskelsLaufzeit: 5:30 min, 2006

Lernziele: - Den Feinbau einer Skelettmuskelzelle und die Bezeichnung der

verschiedenen Zellbauteile kennen;- Den Aufbau einer Muskelfibrille mit Aktin- und Myosinfilamenten (-molekülen)

im Detail kennen.

Inhalt:Der Markus hat heute "sportfrei", weil er seiner Freundin beim Umzug helfenmuss. Das Schleppen von Umzugskisten und die damit verbundenenMuskelaktivitäten bieten den Einstieg in sehr ausführliche und detaillierte 3D-Computeranimationen, die alle lehrplanrelevanten Informationen zum Feinbaueiner Skelettmuskelzelle anschaulich darstellen (Muskelfaser, Muskelfibrillen).Im einzelnen zeigt der Film dann eine kurze Wiederholung des AufbausMuskel-Muskelfaserbündel-Muskelfaser, um dann in den Detailaufbau einerMuskelzelle einzusteigen.

Auf Basis dieser Strukturdarstellung schildert der Film, wie dieInformationsübermittlung vom Nervensystem in die Muskelzelle läuft: Auflaufender (Reiz)-Information in den Synapsen der Muskelzellmembran, Eingang überT-System und Weiterleitung ins endoplasmatische Retikulum, dortAusschüttung von Kalziumionen, die zur Auslösung der Muskelkontraktion indie gesamte Zelle (zu den Fibrillen) strömen.

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Dann zieht die 3D-Computeranimation einen Zoomschritt weiter in denDetailaufbau einer Muskelfibrille:

Die typische (Querstreifung-gebende) Sarkomerstruktur einer Muskelfibrille wirderläutert und dann fortgesetzt in der Detaildarstellung des Aufbaus einesAktinfilaments und eines Myosinmoleküls.Viele hundert solcher Sarkomere aneinandergereiht bilden schließlich dieMuskelfibrille, die beim Menschen eine Länge von bis zu 30 cm (Länge derMuskelzelle) erreichen kann.Die sehr anschaulichen 3D-Darstellungen ermöglichen es den Schülern, einegute Vorstellung von den räumlichen und funktionellen Strukturen im Muskel zuentwickeln, die für das weitere Verständnis der Muskelkontraktion wichtig undhilfreich ist.

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Die MuskelkontraktionLaufzeit: 6:40 min, 2006

Lernziele: - Die komplexen Abläufe der Muskelkontraktion auf Molekülebene verstehen

und erklären können ("Gleitfilament-Theorie");- Das Prinzip des Energieeinsatzes in der Muskelkontraktion (ATP-Verbrauch)

im Detail nachvollziehen können.

Inhalt:Der Markus schleppt weiter Umzugskisten und bietet so die Gelegenheit, diebiochemischen Abläufe der Muskelkontraktion im Detail zu beobachten.Hier die Stationen der sehr anschaulichen und ausführlichen Computer-animation in Bildern und Stichworten.

Myosin-Bindestelle am Aktin durchTropomyosin verdeckt. Entspannteroder Ruhezustand.

Durch Bindung von Kalzium anTroponin verschiebt sich dasTropomyosin so, dass die Myosin-Andockstelle am Aktin zugänglich wird.

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Das Myosinköpfchen bindet an Aktin,klappt zur Mitte um und zieht dadurchden Aktinfaden in Richtung Sarkomer-Mitte.

ATP bindet an das Myosinköpfchen,dadurch löst dieses sich vomAktinfaden.

ATP wird in ADP+P gespalten. Durchdie freiwerdende Energie klappt dasMyosin-Köpfchen wieder nach außen,es wird "gespannt".

Der Film zeigt den Ablauf der Kontraktionsbewegung in den Sarkomeren in zweididaktischen Schleifen: Zunächst wird in mehreren Durchläufen die Interaktionvon Aktin- und Myosinfilament (Andocken-Verschieben-Ablösen) gezeigt.In einer zweiten Erklär-Schleife tritt dann der energetische Aspekt mit hinzu:Zeitpunkt und Ablauf des Anlagerns von ATP-Molekülen und derenenergieliefernder Abbau in ADP werden erklärt, ebenso die Verwendung dervon ATP gelieferten Energie zum Rückstellen ("Spannen") der Myosinköpfchen.Der Film schließt mit der Kurzerklärung des bekannten Phänomens"Totenstarre": Wenn ein Mensch stirbt, dann wird kein ATP mehr gebildet, dieMyosinköpfchen können sich deshalb nicht mehr vom Aktinfilament ablösenund der Muskel verharrt in der momentanen Kontraktionsstellung.

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Muskeln, Energie und MuskelkaterLaufzeit: 7:30 min, 2006

Lernziele: - Die Energieträger ATP und Kreatinphosphat kennenlernen, die Begriffe

"Milchsäuregärung" und "Zellatmung" wiederholend einordnen können;- Die sukkzessive Energiebereitstellung im Muskel unter hoher Dauerbelastung

verstehen.

Inhalt:Der Markus hat die Umzugskistenschlepperei hinter sich gebracht und ist nunfür den abschließenden Film dieser DVD wieder in seinem Element – 400m-Training.Die lange Runde im Tartan-Oval und die einzelnen Laufabschnitte bieten denrealen Rahmen für eine sehr anschauliche und gut nachvollziehbareDarstellung des Energiehaushalts der Skelettmuskeln. Zuächst werden dieMoleküle ATP (Adenosin-Tri-Phosphat) und ADP (Adenosin-Di- Phosphat)vorgestellt.

Im weiteren Verlauf der Darstellung zeigt der Film auch die Regenerierung vonADP zu ATP durch Bereitstellung einer Phosphatgruppe von Kreatinphosphat.

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Schließlich wird auch die stark unterschiedliche Energieausbeute desGlukoseabbaus über die Milchsäuregärung und die Zellatmung dokumentiert:

Diese Stationen der Energiebereitsstellung bei einer Dauerbelastung desKörpers werden dann eingebettet in das Beispiel 400m-Lauf – verwoben inReal-Laufaufnahmen und eine sich aufbauende 3D-Koordinatensystem-Grafik:

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Der Ablauf der Schilderung in Stichworten:

- Abbau des ATP-Vorrats im Muskel während der ersten ca. 2 Sekunden des Laufs.

- ATP-Regenerierung durch Kreatinphosphat während der nächsten ca. 15 Sekunden.

- ATP-Bereitstellung durch Milchsäuregärung während der nächsten ca. 25 Sekunden.

- Auslaufen der Milchsäuregärung und volle Energiebereitstellung durch die Zellatmung.

Abschließend geht der Film noch auf das Phänomen "Muskelkater" ein:Früher nahm die Sportwissenschaft an, dass der Muskelkater eine Folgeübermäßiger Milchsäureproduktion sei. Mittlerweile hat sich aber dieÜberzeugung durchgesetzt, dass der Muskelkater eine andere Hauptursachehat: Man nimmt an, dass infolge der starken Muskelbelastung (insbes. beiUntrainierten) eine ATP-Unterversorgung eintritt. Die Myosinköpfchen könnensich nicht mehr schnell genug vom Aktin lösen und es werden Aktinfilamenteaus den Z-Scheiben gerissen, wenn der betreffende Muskel von seinemGegenspieler gedehnt wird. An den kleinen Rissen kommt es zuEntzündungen, Wasser tritt in die Muskelfaser ein, die sich darauf dehnt bzw.anschwillt und ein Schmerzgefühl, den "Muskelkater", auslöst.

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