(Aus dem Pharmakologischen Institut der Universit~t P› Ung~rn.)

Untersachungen liber Muskelkontraktion. VIII. Mitteilung,

Wasserverschiebung als Grundlage der Zuckung ~.

Mit einem Nachtrag iiber die osmotische Theorie der I™

Von E. Ernst.

~Iit 9 Tex~~bbi ldungen.

(Eingegangen ara 4. Juni 1928.)

l . Einle�9

Wir sind auf Grund unserer Versuchsergebnisse ges~�9 durch die Ang~ben der Literatur zur Ann~hme gefiihrt worden, d~l~ uuf den Reiz hin im Muskel K.-Ionen entstehen und diese Ionenneubildung dœ ge- meins~men Grundvorg~ng 3 k~rd5n~ler Erscheinungen des tiitigen Mus- kels: des Aktionsstroms, dœ Kontraktion und der Volumverminderung d~rstellt. W~hrend abœ Po~enti~ldifferenz nnd Elœ - - welche die unmittelb~ren Ursuchen v0n Aktionsstrom und Volumver- minderung sind - - ohne weiteres uuf eine Ionenneubildung zuriickge- fiihrt werden k6nnen, mul~ ein Verbindungsglied gesucht werden, um zu erkl~ren, wiœ eine Ionenneubildung zur I™ fiihren k~nn. Diese Forderung ergibt sich auch ~us der experimentellen Erfahrung, n~ch welcher der Aktionsstrom bek~nntlich friiher ~u�9 und ~uf- hSrt ~ls dle Kontr~ktion, was ~uch ffir die Volumverminderung in unserer 5. Mitteilung 2 w~hrscheinlioh gem~cht werden konn~e.

Diese letztere Frage wurde ]etzt einer erg~nzenden Priifung unter- worfen, durch welche nicht ~llein der zeitliche Verl~nf der Volumvermin- derung bestimmt werden sollte, sondern Latenz und D~uer der Volum- verminderung und gleichzeitig ~uch der Kontruktion, Diese Versuche besti~tigen vollkommen die in der 5. Mit~eihmg gemachte Ann~hme, n~ch welcher die Volumverminderung der Kontr~ktion vorauseilt. Ver- hglt sich ~ber - - so folgerten wir - - die Volumverminderung bel einer

1 Ausgefiihrt mit Unterstiitzung des ,,Orszggos Term›163 Alap" (L~ndesfond f~r ]q~turwissensoh~ften).

2 -9fliigers Arch. 214, 241 (1926).

E. Erns$: Untersuchungen iiber Muskelkontraktion. VIII. 673

einzigen Kon~r~k~ion bezfiglich des zeit l ichen Ablau�9 ~hnlich dem Akt ionss t rom, so muI~ sich diese ~hn l i chke i t ~uch bel t e tan ischen Kon-

t r ak t ionen zeigen. Da n u n bei gewissen Reiz �9 die KonCrak- t ionen sich bereits summieren u n d das Akt ionss t rombi ld noch separate Einzelst613e zeig~, so mfissen sich Reiz �9 �9 bei welchen die K o n t r a k t i o n e n schon zu e inem Tet~nus zusammenflieI3en, die Volum-

ve rminderung aber in einzeLuen ge~rennten E rhebungen des Wassœ meniskus in Ersche inung t r i t t . Die experimentel le Prfifung dieser Ver.

hhltnisse wird ira �8 beschrieben.

I l . Methodik. Es wurde mit Einzelreizen bzw. mit verschiedenen Reizfrequenzen te~~nisch

gerciz~. Als Einzelreiz diente ein ScMieBungs- und 0ffnungsschlag eines Induk- toriums, in dessen primarer Spule ein Gleichs~rom von 12 Volt Spannung mit tIilfe des in der Mit™ VI beschriebenen Apparates fiir die Zeitdauer von etwa 0,2 a geschlossen wurde. - - Zur tetanischen Reizung mit verschiedenen Frequenzen wurde ein Unterbrecher nach Bernstein (groBes Modell) angewendet, dessen Stahl- feder auf 5, 10, 20, 25, 50, 100 und 250 Schwingmlgen geeicht ist. ])er Unterbrecher war mit der prim~ren Rolle des Induktoriums in Serie geschaltet, die sekund~re Rolle lie�9 also den Reizs™ von doppelter Frequenz. ])er Unterbrecher wurde ununterbrochen betgtigt, wghrend die b Reizdauer und die Perioden der Reizung in folgender Weise g automatisch geregelt wurden:

Abb. l a in ~itteilung VI ~ zeigte den Doppelarm (DA), welcher das kleine Zahnrad (Z) tr~gt; um Gleichgewicht zu halten, wurde an der Achse (Al) gegenfiber von .DA ein dicker Eisensteb (St) be�9 (siehe Abb. 1), welcher noch 1--2 EisenklStze (e 1 und e2) trug. Welm nun das Biirsten- A geh~use (g), welches die Biirste (b) tr~gt von dem kleinen Arm (a) entfernt und ara Ende des Eisenstabes (St) befestigt wird, so ist Doppelarm (DA) saint Zahnrad (Z) mit dem Eisen- stab (St) und Bfirstengeh~use (ohne ‚ ira Gleich- i gewicht. Wird durch den Elektromotor die gro/3e Achse (Al) St gedreht, so besch�9 die Bfirste eine Kreisbahn, indem sie w~hrend dieser einen Konr berfihrt, sch]ieBt sie einen ~ ~e~ Stromkreis ttir die Dauer ihres Ubergleitens fiber diesen Kontakt. Werden 2 selbst~ndige Kontakte in die I™ ~ ~ez der Bfirste geschaltet, so k6nnen auch 2 Stromkreise nachein- ander geschlossen bzw. ge6ffnet werden in einer Periode, Abb. l. deren D~uer einer ganzen Umdrehungszeit der grol3en Achse entspricht. Werden nun die Zahne der groBen gezahnten Kul3�9 (Sch an der Abb. l a Mitteilung VI) mit Ordnungsnummern 0--500 versehen, und wird der eine Kontakt so eingestel]t, daB dessen An�9 bel 0 steht, so brauchen wir nur die Dauer einer ganzen Umlaufszeit zu wissen, um die Schliel3ung des 2. Kontaktes nach einer beliebigen Zeit nach der des l. bewerkstelligen zu k6nnen. Sei z. B. die D~uer einer Umlaufszeit 1 Sek. ~- 1000 ~, so hat jeder Zahn einen Zeitwert von 2 a. Wo]len wir nun den 2. Kont~kt um 0,1 Sek. ~ 100 ~ nach dem

100 1. schliei~en, so muB der 2. Kont~kt m i t ~ - ~ 50 Zi~hnen hinter dem 1. an-

1 Pflfigers Arch. 218, 137 (1927).

44*

674 E. Ernst:

gebraeht werden. Die praktische Durohfiihrung geschieht in der Weise, dag der 1. I ™ welcher dem 9. Golsisep~ar der Koataktvor�9 (Abb. lb ,

b

Abb. 2.

E21-1H mec / o I

Abb. 3.

n

t4/

~,~ ~~~~ Abb. &. W = Stromquel lo ; B = Bersteinscher Unterbrecher ; I = I n d u k t o r i u m ; R l = p r i m i ~ r e , / / ~ = s e k u n d i r e 1%ollo clesselbon; Seh = Schliissel; V = u H = t t ebe l ; 1 und 2 = d i e beiden Elekt romagnete ; G1 und G~ = dio beiden Kontakte .

M•ttoilung VI) entsprieht - - immer bel Zahn Nr. 0 bsfestigt wird, dann wird der Eisenstab (wœ die Btirste trigt) solunge woiter gedrehL bis er don Zahn :NI-. 50 erreieht und wird darm in dioser Stœ dadureh fixiert, daB eine klsine Stahlplatte (p Abb. 2), wslehe an ihm drehb~r be�9 ist, zwisohen den 2 Z~hnen Nf. 50 nnd 51 zu liegen kommt. Nun wird der 2. Kon- takt (ein dem 1. ihnlieh verfertig~es Gsleisopaar) mit Hilfe sinos oigens dafiir hergestollten Statives, welehes Bewegungsn in jedsr Richtnng znlhl~t, so eingeste]lt, daB sein Anfang von der Biirste bertihrt wird. Da- durch ist os also erroicht, dag 2 S~romkreise automa- tisoh in beliebiger Zei~ ngeheinander in Perioden von 1--6 Sek. gesehlossen nnd ge6ffnet wsrden kSnnen.

Jedes dot beiden Gs1sisepaare ist in don Krois je oines E1sktromagnsten gesehMtet, so daB ws dis Biirste den I. Kontakt strei�9 das I. Nagnot magne- tiseh w�9 verlS.Bt nun die BSrstœ don 1. Kon™ und st.reift den 2., so wird das 2. M~gneg magneI~isoh. ~'ber den Elekt.romagneten ist ein Doppolhebol (H) ~us Aluminium bsfest�9 (sishe Abb. 3), weleher genou liber den Elektrom~gneten je ein Eisenstfiek (E i nnd E~) trigt, sowie es nus Abb. 3 a srsichtlieh ist. Schliel3t mm dis B�9 don 1. Stromkreis, so zleht das 1. Elek~ro- magnet den fiber ihn liegendon I-[ebelurm an sieh und hiœ - - siehe Stellung Abb. 3b ~ wird der Strom- kreis der seknndiren Rolle fSr dio Zeit gesehlossen, bis die Btirste zu dem 2. Kontakt anl~ngt. Jetzt wird der 2. Stromkreis gesehlossen und dol" 2. Elektromagnet zioht in~olgedessen den iiber ihn liegenden ttsbolarm an sieh, was zut 0ffnung dsr sekunds Rolle fiihrg (sioho Stellung Abb. 3o).

Notait haben wir einœ Apparat zut Ver]~gung, wolcher in Perioden von 1--6 Selc. Reize von beIiebigœ Dauer mit beliebigen Freguenzen automatisch $ustande bringt. Dis Anordnung zu dieser SchMtung is~ in Abb. 4

sehœ d~rgsstsll~. Es wurde nun zun~ehst

d�9 Latenzzeit und die J D~uer dœ Volnmverminde-

rung glœ mit jenen dot Kontraktion festge- stellg, indem Kontraktion und Volumverminderung einzelnsr Nuskelzuoktmgen und aul~erdem die Zeit in i/100 Sek. wie aueh der Reiz- moment gleiohzoitig regi- striert wurden. Die Rogi- strierung der Kon~r~ktion des - - ira Vohmmessor (in

Untersuehungen iiber Muskelkontr~ktion. Viii. 675

RingerlSsung) eingesperrten --- Muskels gesehah mit Itilfe des kleinen Apparates, dessen Abbildung in der IV. Mit.teilung 1 (Abb. 1) zu sehen is{. Auf jenen Ast des Zeigers, weleher sieh iiber der Skal~ bewegt, wurde ein winziges Ebonitr6hrehen befestigt, und an Stelle der Skala ein Planspiegel angebraeht. Die l%egistrie- rung erfolgte naeh dem in Abb. 5 beigegebenem Sehema. Kommt das Lieht von Biner Bogenlampe auf den Spiegel (Spl), weleher - - ira Volummesser (V) - - e~wa 45 zur Liehtriehtung steht, se wird das Lieht vertikM aufwgrts reflektier~, zu einem 2. Spiegel (S�9 von welchem es wiederum horizontM auf die registrierende 0berfl~che reflektierC wird. Um den Licht- effekt registrierb~r zu machen, wurde Bine stsrke bikonvexe Linse (L) zwischen den 2 Spiegeln in den Weg der LiehtstrahleD. gestellt. Entspreehend dem Ebonitzeiger wird ~n der Registrieroberfl~iehe ein schwarzer Sehatten erseheinen, wetcher sich bei der Kontraktion bewegt.

Die Registrierung der Volumverminde- rung g e s e h a h - wie b i s h e r - dureh Regi- strierung der Meniscusbewegungen. Die Zeit- marken stammen von einer elektrisehen Stimmgabel v. d. P. ]00. Es mugte noeh der Reizmoment registriert werden. Diese Aufga.be 15ste ich in der Weise, dal3 ieh einen Volummesser angewand~ habe, dessen StSpsel 4 eingel6tete Platinelektroden ha~te. Trifft den Nerven des Pr~parates ein Reiz dureh die unteren 2 Elekt~roden, se springt eine Strom- sehleife zu den oberen 2 Elek~rodeu hintiber, welehe in ein SMtengalvanometer geftihrt, den i%eizmomeng ohnœ die geringste L~tenz registriert.

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A b b . o.

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9~

I I I . Ergebnisse. Die Ergebnisse sind aus den b e l

gefiigten Abb i ldungen ersichtlich. Abb. 6

zeigt, dM3 die L~tonz der Volumvermin- derung etw~ 6 - -8 0, die der Kon~rakt ion

15 ~ betr~gt, der ansteigende Ast d~uert bei der Vo lumverminderung etw~ 20 bis 25 a, bel der K o n t r a k t i o n 40- -50 G.

Abb. 7 und 8 zeigen, dM~ es t~ts~eh- lieh Reizfrequenzen gib~, bei welchen die Koutraktionen sieh bereits zu einem fast g la t ten Tet~nus summier ten , w~h- rend die Volumverminderungen noch durch einzelne sehr deutl iehe Erhebnngen

1 Pfl�9 Arch. 213, 144 (1926).

A b b . 6. K - K o n t r a k t i o n ; V = V o ] u m - v e r m i n d e r u n g ; S t ~ N , i m m g a b e l v. d. P . 1/1~ 0 S e k . ; S = S a i t e d. G M v a n o m e t e r s ;

R = ~ e i z m o m e n ~ .

6 7 6 E. Ernst :

verzeiehnet werden, welche sich entweder g~r nicht oder nur unvoll- kommen smmnierœ Um dieses Verhalten der Summa™ von Kontraktion ~nd Volumverminderung de~~tlich zu ver~nschautichen,

A b b . 7. K = X o n t r a k t i o n ; St = S ~ i m m g a b e l v . d . P . "/~~0 S e k ; V = V o l u m - v e r m i n d e r u n g ; 1 = E i n z e l z n c k k m g ; 2 = T e t a m t s .

A b b . 8. K =, X o n L r a k t i o n ; St = S t i m m g a b e l v. d P2s',oo S e k . ; V = V o l u m - v e r m i n d e r u n g ; 1 = l ~ i n z e l z u c k u n g ; 2 = T e t ~ n u s .

wurden auch in diesen Versuchen Einzelkontr~ktionen mit ihren Volum- verminderungen registrier~ und von diesen Photogrammen je eine den Abb. �9 und 8 unter Nr. I beigegeben.

Untersuohungen iiber Muskelkontraktion. VIII. 677

In Abb. 9~ wo das Pr/iparat 50 Reize pro Sekunde (Weehselstrom) erhielt, sehen wir, dag die Kontrakt ionen urtd die Volumvermiaderungen sieh vo~~kvramen snmmi~rten ,and sehon ara AMang der Ti/tigkeit ihr Maximum erreichten. Durch diesen Umstand veird das in der 1. Mit- geilung 1 besehriebene gleiehlautende Ergebnis, welehes mit ganz anderer (areometriseher) Methodik ge~vonnen wurde, bekrMtigt.

Au8 diesen Vers~~chen geht h• dal3 die Volumvermindœ der Ko~~tralction tat~dcl~lich vorauaeilt.

Abb. 9. K = K o n t r a k t i o n ; St = 8 t i m m g ~ b e l v. d. P. ~/~00 Sek . ; V = V o l u m v e r m i n d ~ r u n g .

IV . Besprechung.

Es ist alto a~us zllen Ver~achsda, ten zu ersehen~ c[a.l~ die I™231 zeit]ich se ~,er]~uit, Ms wenn ~ie nicht ein unmittelbarer Ausdruck des primgren Erregungsvorganges ~vgre - - wie Aktionsstrom und Volum- verminderung - - sondern von eil~em sekundgren Prozel~ abhgngen wtirde. Wenn wir nun aile unsere Versuche und die Literatur in Betracht ziehen, se seheint uns jene Erklgrung ara naheliegend~ten au sein, nach welcher die ~~euent,standene~* [or, en eine W~*s,o've.r+chiebung hm'vory und di, e Kontra~tion erst die mechanis™ Folge dir Wasserverschiebung ist. Die Auffassung iiber die kont~aktorische Wasserverschiebung wurde wohl zuerst von Engelmann e vertreten; auch �9 Durig a liegt der Ge-

1 P�9 Arch. 209, 613 (1925). 2 Pfltiger.~ Arch 7~ 167. - - Vgl. Biederraann, E~g, Physiol. 1, t, [90 (1902). a P~[�9 Arct~. 97, 4q9 [1993).

678 E. Ernst :

danke eines ,,Wandern von Wassermolekiilen bei der Kontraktion: ' nahe. Seitdem ha~ die Auffassung, nach weleher der meehanisehe Grundproze8 der Kontraktion in einer Wasserversehiebnng be- steht, von vielen Seiten Anklang gefunden. Se erkennen z. B. in der neuesten Zeit aueh 2l'iegs 1 und La~on 2 der kontraktorisehen Wasser- versehiebung eine Wahrscheinliehkeit zu. Auch Wollhe im a gibt jener Auffassung Ausdruek, dag die Vœ der Elektrolyte Wasserversehiebungen bewirkœ Manche histologisehe Befunde spreehen aueh fiir einœ Ortsgnderung des Wassers ira Muskel, da ja bekanntlieh 6fters besehrieben wurde, dag die dunklen Querseheiben bei der Kon- ™ sieh aufhellen. Wird nun die Auffassung angenommen, dag die Kontraktion dureh eine Wasservœ zustandekommt, se werden manche Eigentfimliehkeiten ira zeitliehen Ablauf der Kontraktion ver- stgndlieh, was ira folgenden ngher besproehen werden m6ge.

1. Die experimentotle Tatsaehe, da8 die Latenz des Aktionsstromes und der Volumverminderung kleiner ist Ms diœ der Kontraktion, zeigt besondœ seh6n, dag naeh der - - von Aktionsstrom nnd Volumvœ mindœ angezœ - - Ionenneubildung noeh ein Vorgang vonstatten gehen mnl3, weleher die Kontrak~ion bewirkt. Nun ist aber von versehie- denen Seiten 6fters hervorgehoben worden, dag der experimentell er- mittelten Latenz der Kontraktion keine Realitgt beigemessen werden darf, da ihr Wert mehr von dœ Me~hode der 3Iessung als von der ,,wahren Latenz des meehanisehen Gesehehens im Muskel" abhgngig zu sein seheint 4. Ja Durig a bezweifelt sogar in einer slogteren Arbeit dus Vor- handensein einer wahren Latenz. Da seine Versuehsergebnisse uns be- sonders wiehtig fiir die Annahme einer kontraktorischen Wassœ bung zu sein sr se m6ge es erlaubt sein, auf seine Versuohe und Folgerungen etwas ngher einzugœ

Durig bat experimentell festgestellt, dal3 ,,die graphiseh ermitteltœ Latenz des Muskels mit dem Sinken des WassergehMtes eine ganz wesentliehe Verlgngerung erfahren kann, die bel grol3en Wasserverlnsten

1 Ronas Ber. 36, 612 (1926). OE Ebenda 38, 34 (1927). a Ebenda gg, 633 (1925). 4 Uber die Latenzzeit der 5Iuskelkontraktion weichen die Angaben ver-

schiedener Autoren stark voneinander ab. Die gltere Literatnr ist von Tigerstedt zus~mmengestellt wo�9 in Areh. f. Physiol. 1885, Sulopl. , 162--166. Er selbst fallcl in mehreren hunder~ Versuehen einen ‡ fiir die La~enz des direkt gereizten M~skœ von 5,5 o. r (Areh. f. Physiol. 11879, 204) 6 o; Boruttau (Ebenda 1189~, 459) 8 a; Nagy (Bfliigers Areh. 43, 611 [1888]) 3,9 o; Durig (Ebenda 87, 58 [1901]) 3,5 a; Nteint~auy (Ebenda 187, 33 [1921]) 3,6 a; Judin (Ebenda 198, 263 [1923]) 6 o. t~iir die Latenz des 3luske~elementes $lauh (Ron~s Ber. 17, 36 [1923]) 2~7 o; Bethe (Pfliigers AI'eh. ~01, 157 [1923]) 2,�9 ~; Futton (tlonas Ber. 35, 634 [1926]) 2 ̀

Pfliigers Areh. 9~, 473--478 (1903). - - Vgl. aueh ebenda 87 (1901),

Untersuchungœ iiber Musketkontraktion. VIII. 679

das Vierfaehe jener erreieht, welehe bei denselben Versuehsbedingungen ara normalen Tier beobaehtet wurde". Und ,,trotz der gewaltigen Stei- gerung, die das meehanisehe Latenzstadium erf/ihrt, ist gar keine Latenz der elektrischen Sehwankung aufgetreten." Ans diesen beiden Tatsaehen folgert dann Durig: ,,dag die graphische Aufzeiehnung eines Zeitraumes zwisehen lgeiz und meehaniseher Zustandsgnderung auf einer Latenz der Methodik und nieht einer Latenz des Muskels beruht ." Wenn also Durig dureh das Versuehsergebnis, dal3 ,,vom normalen zum wasser- ~rmsten Muskœ eine stgndige Reihe gegebœ ist, in der die Latenz des Muskels langsam zunimmt", zur Annahme kommt, dag ,,ebenso wie eine elektrisehe Latenz aueh ein meehanisehes Latenzstadium des 3/[uskelelementes fehlt", so kann man dieser seiner Sehlul3folgerung auf Grund seiner Versuehsergebnisse keineswegs beistimmen. Ja man kommt zu der gerade entgegengesetzten Folgerung. Zœ sieh n/~mlieh bel ab- nehmendem Wassergehalt eine stgtige Zunahme der Latenz bel der- 8elben Methodilc - - wie Durig selbst sagt - - , so geht daraus eben hervor, dag ein gewisser Wassergehalt zmn Zustandekommen der Kontrakt ion n6tig ist. Wird nun dureh Austroeknen das bewegliehe Wasser ver- mindert, so kommt seine Versehiebung voraussetzlieh spgter zum Vor- sehein. Also gerade die Versuche von Durig lie�9 einen ausgezeiehneten experimentellen Beitrag zu der Annahme, dag die Muskelkontraktion durch eine Wasserversehiebung hervorgerufen wird. I)ie Wahrseheil�87 liehkeit dieser Annahme wird noeh dadurch verstgrkt, dag eine Ersehei- nungsform des primgren Vorganges - - der Aktionsstrom - - durch Ab- nahme der Wassermenge in seinem Ablauf gar nieht beeinflugt wird. Es w~re nun besonders interessant, zwischen solehen Umst• das Verhalten der Volumverminderung einer experimentellen Prtifung zu unterwœ

2. Was nun die Dauer der Kontraktio~�87 ira Vergleieh mit der des Ak- tionsstromes und der Volumvœ anbelangt, so findet sieh aueh hier dieselbe Divergenz; betr~Lgt n/imlieh die Zeitdauer des steigenden Astes der Kontrakt ion 40--50 o, so bel/~uft sieh dieselbe auf 5--10 a bel dem Aktionsstrom nnd 20--25 y bei der Volumverminderung. Aueh diese experimentelle Tatsache entsprieht ganz gut der Annahme, dal3 Aktionsstrom und Volumverminderung Ausdriieke eines primgren Prozesses darstellen, w~hrend die meehanische Leistung erst durch einen zweiten Vorgang hervorgerufen wird. Mit dieser Annahme steht in Ubœ einstimmung Durigs Bœ dal3 das Austroeknen nnr den Ablauf der Kontrakt ion und nieht jene des Aktionsstromes beeinflugt 1. W/ihrend nun Durig dureh Austroeknen zu diesen Ergebnissen gelangte, zeigten wir in Mitteilung III~, dag aueh die ~nderung der Isotonie ira Muskel den

1 P�9 Areh. 97, 466 (1903). Pfliigers Areh. ~13, 133 (1926).

680 E. Ernst :

Ablauf der Kont rak t ion in -~hnlieher Weise beeinflu8t. Wir sehen z. B. aus der Abb. 5 a - - d (Mitt. 3), da8 die Kont rak t ionen v611ig versehwinden, wenn dureh Hyper tonie eine Wasserarmut gesetzt wird ; s t r6mt man hin- gegen den Musk› mi t einer hypotonisehen L6sung dureh, so nehmen die Kont rak t ionœ zu. Aber selbst in dem Falle, wenn die Muskeln dureh Hyper tonie kontrakt ionsunf~hig geworden sind, zeigen sie naeh Demoor und Phil ippson immer noeh einen Aktionsstrom, was die Selbstgndigkeit des sekund~ren Prozesses seh6n demonstriert . Diese Versuchsergebnisse in Gemeinsehaft mit der beziiglichen und bereits n~her besproehenen Li tera tur maehen die Annahme, da8 die Kontraktion tatsiichlich durch Wasserverschiebung beclinqt ist, recht wahrseheinlieh.

3. Wird nun diese Wasserversehiebung innerhalb des Muskels ver- hindert, wie es bai der isometrischen Tiitiglceit gesehieht ~, so kann nur dœ primgre Vorgang seine Wirkung entfalten, und zwar in der Weise, dag die neuents tandenen Ionen einen erh6hten Druek ausfibœ was als iso- metrische Spannung gemessen wird. Bleibt nun der sekundgre Proze[t ans, so ist ira Sinnœ des bisher Gesagten zu erwarten, dag die isometrisehe T~tigkeit eine kiirzere Zeitdauer in Anspruch n immt als die isotonische. Dies ist aber eine seit langer Zeit in der Li teratur u234 Auffassung, welehe in vielen Versuehen ihre Best~tigung rand ~. Hier m6ge nur eine Bemerkung von Kohnstamm 8 noch erw~hnt werden, nach welcher ,,der Antagonismus der isometrisehen nnd isotonisehen Zuckung eine ghnliche Bedeutung (ffir die MuskeIkontraktion) zu haben scheint, wie fiir die Gastheorie die Behandlung der Gase bei kons tan tem Druck und kon- s tantem Volum."

Nachtrag.

Uber die osmotische Theorie der Kontraktion.

Auf Grund der Mitteilungen 1 - -8 dieser Versuchsrœ wird es ira folgenden versucht, eine Theorie dœ Muskelkontrakt ion zu geben. Da diesœ Theorie au�9 der Tatsachœ der Volumverminderung also der An- nahme einer Neubildung von Ionen beruht 4, so mtissen wir vorerst unter-

1 Siehe weiter unten S. 686. 2 Fick, Pfltigers Arch. 4, 311 (1871). - - v. Kries, Arch. f. Physiol. 1880, 370

und 1895, 21. - - Gad und Hey�9 Arch. f. Physiol. 1890, Suppl., 77 (siehe Taf. V, 3A und 7A). - - Schenk, P�9 Arch. 55, 112 (1892). - - Gad, Arch. f. Physiol. 1893, 69.

a Arch. f. Physiol. 1893, 62. Anmerlcung bei der Korrektur. Ara 18. VII. 1928 ersehien in Ronas Ber.

45, S. 189, ein Refer~t iiber eine Mitteilung von Vers/ddt, in welcher der Autor eine Volumverminderung w~hrend der Kontraktion besehreibt und die'An- n~hme macht, dag die Volumverminderung bel der Muskœ ,,wahr- scheinlich lediglich eine Folge der erhShtell inneren Spannung des Muskels sœ wclche das in ihm enthaltene Wasser komprimiert". I)iese Auffassung ist je- doch unhaltb~r, denn erstens, eine Volumverminderung ungef~hr gleicher

Untersuchungen ilber ~Iuskelkontrakfion. VIII. 681

suchen, welehe Erscheinungen in einem System dureh die plStzliche Neu- bildung von Ionen hervorgerufen werden.

1. Das Entstehen neuer Ionen fiihrt im Wege einer Elektrostriktion zu einer Volumverminderung.

2. Erfolgt eine J~nderung des LichtbrechungsvermSgens. 3. Nimmt die Leitfiihigkeit des Systems zu. 4. Tritt eine elel~trische Potentialdi[[erenz auf. 5. Erlangt das System eine (osmotische) Arbeits]i~hig]ceit, falls es

durch eine semiloerm~able Membran von einer anderen L5sung getrennt ist und mit dieser vorher ira Gleiehgewicht stand.

Wenn wir die Erseheinungen der Muskeltittigkeit nus diesem Ge- sichtspunkte betraehten, so finden wir, dal~ der t~tige Muskel in der Tat alle diese - - ffir eine Neubildung von Ionen charakteristisehen - - Er- seheinungen aufweist. Ira folgenden wollen wir nun untersuchen, wie weit die bel der Muskeltatigkeit beobaehteten Erseheinungen mit jenen nus einer Ionenneubildung reehnerisch ermittelten Daten quantitativ iibereinstimmen.

1. Die Menge der neuentstehenden Ionen.

Um nus der experimentell festgestellten Volumverminderung die Zahl der gebildeten Ionen berechnen zu k6nnen, machen wir die An- nahme, daIi hauptsachlich die K'-Ionen es sind, welehe die Volumvei- minderung hervorbringen 1. Diese Annahme gesehieht ausschliel31ieh zwœ Erleichterung der Berœ bedeutet aber gar keinœ Besehr~n- kung und es k6nnen ebenso auch andere Ionen in Betracht gezogeloE werden. Ira Sinne der 7. Mitteilung wird also vorausgesetzt, dal? die undissoziierten Kalium-Eiweil3verbindungen in den anisotroloen Schich- ten auf den Reiz hin tœ dissoziieren; es entstehen K'- und Eiweil~- ionen, welch le~ztere nach Weber 2 ihren Hydratationsgrad unter den hier obwa]tenden Umstgnden in nennenswertem Mal~e nicht gndern. So w~re also die ganze beobaehtete Volumverminderung haupts~ichlieh durch die Kaliumionisation bedingt. Es wurde nun in Mitteilung 1 und 4 gezeigt, dal~ bel einer Kontraktion - - gewisser GrSfte - - in 1 g Muskel eine Volumverminderung von 0,0224 cmm entsteht. Da die Ionisation von 1 g Aequ. KC1 etwa l0 ccm Volumkontra.ktion hervorruft, so ent-

Gr6Be tritt bel reiner Isotonie wie bel Isometrie auf (Mit~. I, Pfliigers Arch. 209, 213 [1925]) und zweitens, die Volumverminderung eilt der Kontraktion voraus (Mi~t. V, Pfltigers Arch. 214, 241 [1926]), also k~nn sie durch keinen kontraktorischen Vorgang bedingt sein.

1 Und dies umsomehr, da so die Sto�9 und die spezifischen Organfunktionen eher auseinandergehalten werden k6nnen.

Vortrag, gehalten an der Versammlung der deutschen l~~aturforscher und :-~rzte in Frankfurt 1927. Ronas Ber. 42, 595 (1927).

3 Pflfigœ Areh. 209, 613 (1925) und 213, 144 (1926).

682 E. Ernst:

sprieht einer Vo lumvœ von 0,0224 emm 2,24,10- 6 g Aeq. KC1. Da n u n weiterhin von K" u n d CI' vorauszusetzœ ist, dag sie ungefghr

gleiehe Volumvœ verursaehen 1, se kommen wir zum Sehlul~, dag die VoIumverminderung von 0,0224 emm durch die Neubildung von 4 ,5 .10-6 g Aeq. K ' - Ionen bedingt ist.

Es wi~re hier vielleicht ara Platze, zu untersuehen, ob die bel der der Kon- traktion gebilde~e Milchsguremenge der gefundenen Volumverminde�9 c!uan- titativ entsprieh™ NehmeI1 wir mit Meyerho[ an 2, dag in 1 g Muskel wi~hrend einer isometrisehen Kontraktion gewisser GrTge 0,045 mg Milchsaure elltsteht, und zwar ira l/e0 Vo]umen des ganzen Muskels, a]so in 0,05 cern, se haben wir die Konzen- tration von 1 g Aeq. Milehsgure in 100 1. Es ist also der Dissozia.tionsgrad a

/ ‡ ~ -

wo K = 1,4-I0 -~ und V = 100, somit c~ =0,1, was sovid bedentœ daB 10% der Milehsgure dissoziiœ Da die gesamte gebildete Milehsgure 0,045 mg oder 5 .10 -Tg Aecl., 10% davon 5. ]0-Sg Aec 1. betriigt., al so eine Ionenmenge von 10-~ g Aeq. lie�9 se is~ zu sehen, daB die gebildeten ~[ilehsgureionen nnr einen kleinen Bruchtœ der Volumverminderung hervorgerufen haben kSnnten OE.

2. Die Zunahme der Lichtbredtung.

Vermehren sich in e inem Medium die Ionen, se n imm™ das Breehungs- vermSgen der L6sung zu. Aus den Berechnungen '~ ergib{ es sieh, dal3 die

neugebi ldeten K ' - I o n e n ira }Iuskel eine etwa 0,000~ betragende Zu- nahme der Liehtbrechung hervorrufen kSnnen% N u n gib~ Exner v ~n, dag falls dœ Breehungsindex des Muskels sieh w~hrend der K o n t r a k t i o n

iiberh~up~ vœ diese Vergr6gerung nur E inhe i t en der 4. Dœ stelle betragen kann . Es diirfte in diesem Zusammenhange die Mœ von Jordan s von Intœ sein, naeh weleher die st5rkere Liehtbreehung

der dunk len Querscheiben mi t dœ Vertei lung der KalisMze (and anderer Stoffe) wiihrœ des Kont rak t ionsvorganges vielleieht in Zusammenhang zu br ingen ist.

1 Nernst, Theoret. Chemie 1921, 358, 440---450. - - Bayliss, Principles of gen. physiol. 1920, 178.

2 Erg. ]?hysiol. 22, 339 (1923). a W. Ostwald, Lehrbuch der allgemeinen Chemie 2 (II), 191 (1911). y Dasse]be kaml ira beschrgnkten Mage auch von der Phosphorsi~ure und Am-

moniak gesagt werden, weleher Umstand unter ande�9 einen gewichtige• Grund darste]lt, warum wir die Ionisation vert Kalimnverbindungen anzunehmen ge- neigt sind.

5 Nernst, Theor. Chem. 1921, 449--451. Die Daten beziehen sieh auf die D-Linie.

6 Bel Durehffihrung der Reehnung ist aus sp~ter zu bespreehenden Grtinden angenommen worden, dal3 an einer Kontraktion 1/10 des Zluskels teilnimmt.

Pfliigers Areh. 40, 364 (1887). a Bonas Ber. 2, 24= (1920).

Untersuehungen liber Muskelkontraktion. VIII. 683

3. Widerstandsabnahme oder Leitfiihigkeitszunahme.

Es ist sehon lange beka.nnt, dag sich der elektrische Widers tand des Muskels wghrend der Erregung vermindert . I m Sinne unserer bisherigen Ausfi ihrungen wird auch diese Erscheinung auf die Neubi ldung von Ionen zurfickgeffihrt, um so mehr, da diese M6glichkeit auch von Autoren ent- gegengesetzter Meinung zugegeben wird 1. Was nun die Gr6Be dieser Lei t fghigkei tszunahme anbelangt , so wird von Hermann berichtet 2, dag sie fiir den Nerv 7 % be t rggt ; 2?apport und Ray a fanden eine h6chstens 10% betragende Lei t fghigkei tszunahme des isometrisch tg~igen Schild- krStenventrikels, wfihrend nach Me Clendon~ die Leitf~higkeit des Mus- kels bei der Reizung um 6- -28 % z u n a h m . Da es sich nnr um die Gr6gen- ordnung handel~, glauben wir annehmen zu k6nnen, daB die Leitfghig- keit des Muske]s in einer Kontrak~ion solcher Gr6~e, wie sie in dieser Arbeit behandel~ wird, um etwa 10% zunimm~; so ist diese Leitfahig- kei tszunahme nach unserer Auffassung der Neubi ldung von 4,5 �9 1 0 - 6 g Aeq. K ' - Ionen zuzusehreiben. Wird aber in 1 g Muskel die Leitfghigkei~ durch eine von uns berechnete Ionenmenge von 4,5 �9 ]O .s g Aeq. Ionen um 10 % vergrSger$, so ist die ganze Leitfghigkeit durch eine Ionenmenge bedingt, Ifir welche die GMehung gilt 4 ,5 .10 -6 : 10 = x : 100, woraus x = ungef~hr 5,10 -5 g Aeq. Rechnen wir das auf NaC1-LSsung um, so erhalten wir, daB die urspri~ngl@he Leit/~ihig]ceit des Mus]cels reehnerisch einer 0,15proz. NaCl-L5sung entsprechen wi~rde. Die Beobachtung ergab, daB die Leitfi~higkei~ des Muskels in H~bers ~ Versuchen einer 0,14 bis 0,22proz. bel Hartree und Hill 6 einer 0,36proz. NaCI-L5sung entspracM.

4. Aktionsstrom. Ira Mangel entsprechender Daten wird von einem Versuch, die Gr5~e des

Muskelaktionsstromes zu berechnen, Abstand genommen und ira folgenden nur die Richtung desselben besprochen. Mit der frfiheren Annahme, daB eine S~ure- bfldung den Aktionsstrom hervorruft, konnte die ta~s~chlich beobachtete Strom- richtung in Einklang gebracht werden, und zwar in der Weise, daB die schneller wandernden tF-Ionen den langsameren S~~reanionen (z. B. Lactation) voraus- eilen, indem sie von ihrem Ursprungsort wegdiffundieren. Sollte nun ira Sinne unserer Hypothese auch bez. des Aktionsstromes den neuentstandenen K-Ionen eine urs~chliche Bedeutung zukommen, so sind fiir die Richtung des Stromes dieselben Uberlegungen mal3gebend, als die eben angefiihrten. Die K'-Ionen

Vgl. vorstehende VIL Mitteflung, wo auch die Permeabilit~tsfrage be- riihrt ~~rd.

Pflfigers Arch. 1•, 154 (1876). 8 Ronas Ber. 41, 554 (1927). 4 Amer. J. Physiol. ~9, 302 (1912). �87 Pfliigers Arch. 150, 15 (1913).

Ronas ]~er. 9, 208 (1922). - - Vgl. Philippson, Ronas ]~er. 6, 2 (1921). Nachdem diese Berechnung sich nur auf die Gr6Benordnung bezieht, so

wird der Untersehied in der Wandœ von Na- und I™ (45 gegeniiber 64) nicht~ berficksichtigt.

68~ E. Ernst :

wandern doch gewil~ schneller als dit Eiwei~aniontn, und se mu~ dit trregte Stelle ira ~u~ertn Stromkreisteil den negativen Pol bilden. Und zwar karm es sieh in cliesem Falle tbenso wit bel der Milehs~uretheorie nur um tin Dff�9 ~ und ktinen Konzentr~tionsstrom handeln, da doeh ~iir K'- bzw. It ' -Ionen irre- versible Elektroden verwendet wurden und ira Falle eints Konztntrat.ionsstromes die l~iehtung des Aktionsstromes der beebathteten entgegengesetzt sein miil~te.

5. Arbeitsleistung und Spannungsentwicklung. Mechanismus der Kontraktion.

W � 9 gehen von der A n n a h m e aus, d~B sich an der I™ h~upts~chl ich nur die ~niso t ropen F ib r i ] l enabschn i t t e a k t i v betei l igen, i ndem sie kfirzer und b re i t e r werden u n d eine Volumzunuhme erleiden.

Wir mfissen hier die histologischen Grundtatsachen kurz streffen. Da von den hervorragendsten Forschern di~metr~l entgegengesetzte Versuchsergebnisse angegeben wurden, wollen wir uns an die Dattn Hi~rthles halten und armehmen, daI~ die Kontraktion Iast aussehlief~lieh dureh dit ~~nderung dtr anisotropen Fibrillenabsthnitte bedingt wh'd. Weiterhin gibt H~,'thle an, dag w~hrend dtr Kontraktion dit Fibri]]en um 50%, die S~rkoplasmtn um 40%, die ganze Fastr hingtgen um 80% breiter werden (Mittelzahlen). Das ist aber tine UnmSglichkeit, denn dit :Fuser besteht nus Fibrilltn and Sarkoplasma; fine 50 proz. Brtitenzunahme der Fibrillen and eine 40proz. veto Sarkoplasma kann doeh unm5glich eine 80proz. Brtifenzunahmt der gesamten Faser hervorrufen. Sollten also die Vtrsuchsdaten vert H~rthle richtig sein, se �9 nus denselben, daI~ die Fibrille woEhrencl der Kon- traction um 100% breiter wir~. Wenn dem aber se ist, darm ergibt sieh e�9 etwa 20 proz. Volu~~r der anisotro~en Fi5rillenabschnitte wghrend der Kontra~tion.

Den Grundvorgang dieser F e r r e - u n d Volum~nderung h~ben wir in der - - von aul~ea in die an i so t ropen Tei lchen s t a t t � 9 ~ Wasser - versch iebung zu erb l ieken (Mit tei lung 8). Diesem dureh die osmot ische W i r k u n g der neuen t s t~ndenen Ionen hervorgerufenen Vorgang h~ben wir die Arbe i t s l e i s tung des ~ u s k e l s zuzuschreiben. Unsere A u �9 bes t eh t nun d~rin�87 die Arbei ts~~higkei t dieses osmot i schen Prozesses theore t i seh zu best imme�9 und den se e rha l t enen (reehnerischen) W e r t m i t der (exper imentel l ) beeb~ch te t en Arbe i t s l e i s tung zu vergleichen.

Die osmotische Theorie dtr h[nsktlkontraktion wurde von MeDougall (1898) von Reuleaux (1900) und von Meigs (1905 ~) anfges~ellt, ~b~r von allen Stiten heftig bek~mpft. Fast zur selben Zei™ haben Bri~nings ~ und Bernstein ~ zu beweistn ver- sueht, dal~ die bioelektrisehen Erseheinungen ihren Entrgievorrat nus osmotisehen Prozessen sehSpfen. Wir haben a.ber �9 ~�9 V[ darzu]egen vtrsneht, dal~ die meehanisehen und eltktrisehtn Erseheinungtn des t~tigen Muskels nus einem gemtinsamen Grundvorg~ng st~mmtn. Die osmogsehe Kontraktionsthtorie in der eing~ngs erSrttrten ~Neu�9 bleibt Mso e]nerseits mit den erw~hnten An- gaben ~l~erer Autortn in Ubere�9 andertrseits kann mit jentn Vtr- suehsergebnissen gestfitzt werden, welehe wir �9 Mitteilung I I I ~ ausIfihrlieh be-

VgL Bernstein, Pfliigtrs Areh. 9~, 543 (1902). Siehe Biedermann, Erg. Physiol. 8, 181 (1909). Pflfigers Areh. 1@@, 425 (1903). Ebenda 92�87 521 (1902) und l l~, ~39 (1906). Ebenda ~1~~ 133 (1926).

Untersuehungen iiber Muskelkontraktion. VIII. 685

sprochen h~ben. Se konnte dort gezeigt werden, daB dureh osmotiseh wirksame EingTiffe der Abl~uf der I™ sieh reversibel beeinflussen ]~B™ wie dies tibrigens auch in der vorstehenden VIII. Mitteilung erl~utert wurde. Es m6ge noch erw~hnt werden, daB nach Wagner 1 die Muske]kraft zu jener osmotisehen Kenzentration, welehe ver der Reizung" im Muskel herrschte, ira umgekehrten Verh~ltnis steh t; aueh auf die Annahme von Forster und Moyle 2 sei hier hingewiesen, laut weleher die Ursaehe des Ausl6sehens der Erregbarkeit in der Abnahme der osmotiseh wirksamen Ionen zu suchen ist.

Um die mechanisehen Folgen der osmotisehen Wasserverschiebung bestimmen zu k6nnen, miil3te die wahre Struktur, stoffliehe Zusammensetzung und Kon- sistenz jeder anatomischen bzw. histo]ogischen Einheit des Muskels in der Ruhe und deren _~nderung in der Kontraktion bekannt sein. Derzeit sind wir jedoch in diesen Fragen blol~ auf Annahmen angewiesen. Se sei hier ohno Erwahnung der Meinungsverschiedenheiten 3 angenommen, daB ,,die Muskelfibri]len eine eigene Wand besitzen und einen mehr oder weniger z~hfl~ssigen Inhalt ftihren 'y Es wird auBerdem vorausgese~zt, da]3 der Inh~lt der Fibrillen wie auch a]le fibrigen Telle des Muskels mit dem Blute ira Wassergleiehgewich~ stehen, da ja zwischen dem �9 Wasser sieher perpermeablen Muskel und dem Blut ein W~sseraustausch lebenslang unbehindert ver sieh gehen kaim. FOr die osmotische Wirkung der neugebildeten Ionen wird es nun ira Verlauf der Reehnungen als gleiehgiiltig be- traehtet, ob das Wassergleiehgewicht ira Muske] aussehlieBlieh durch Konzentra- tionsverteilnng von Krystalloiden und Kolloiden aufreehterhMten wird, oder aber auch andere Prozesse an dem Wassergleichgewieht teilnehmen (Que]lung, elektrisehe Aufladung von Membranen usw.). Es wird nun die Rechnung se aus- geffihrt, als wenn die Konzentration in al]en Teflen des Muskels mit der des Blutes gleieh groI~ w~re; da �9 das l~rosehblnt A = 0,41--0,44~ ist, se betr~gt die Kon- zentration des Muskels 0,225 g Mol pro Liter. ~s mufl aber betont werden, dafl aUe diese Annahmen nur [�9 Verein[achung der Rechnung dienen und ihnen daher keine reelle Bedeutung zuerkannt wird, die ]olgenden Aus]~thrungen sind hingegen lcelnes- wegs an diese Annahmen gebunden.

Gehen wir aus der Formel der Arbeitsf~higkeit A = n R T i n v~ vl

aus, wo R = 0,848 kg u n d 2' ~ 295 C 0 konstan*en s ind; n bedeute t die Gesamtmenge der osmotiseh wirksamen Teilchen in g Mol als Einhei~ ausgedri ickt; v~ stellt das ursprtingliehe Volumen des ak t iven Muskel-

antefles, v 2 dasselbe dureh dus e ingewander te Wasser vergr613ert dar. Um also die Arbei ts �9 berechnen zu kSnnen, mu~ zuerst v 1 ~ das ursprfingliehe Volum des ak t iven Teils, d a n n n also die Anzahl g Mol b e k a n n t sein, welehe in dem arbei ts l iefernden Teil sieh befinden. Wir

1 Z. Biol. 84, 397 (1926). 2 Ronas Ber. 9, 46 (1922). 3 Vgl. P�9 Arch. ~13, 151 (1926). 4 Biedermann, Erg. Physiol. 8, 170 (1909). - - Naeh Macallum stellen die

Fibrillen Tubu]i dar. Erg. Physiol. II, 635 (1911). - - Neuestens tritt besonders Marcus for die Auffassung, dal~ die Fibrillen eine R6hre mit einer festeren I-Itille und einem mehr fltissigen Inhalt darstellen, ein. Ronas Ber. 30, 864 (1925) und 35, 109 (1926). (Vg]. jedoeh d'Ancona, Ronas Ber. 39, 499 [1927].) Diese Auf- fassung wir” hier um se mehr angenommen, da die einzige exloerimentelle Stiitze fiir den festen Aggregatzustand der Fibrillen m.E. auf einer nicht zureichenden experimentellen und rechnerischen Basis beruht.

686 E. Ernst:

wissen aber nicht, ein wie grol~er Teil des Muskels an einer Kontraktion teilnimrat, so kSnnen wir weder v i noch n in die Formel einsetzen.

Dureh die Untersuchung der isometrischen Kontrakt ion k5nnen nun diese unbek~nnten Daten ermitte]t werden. Wurde nimlich einmal die Annnhme gemaeht~ dag die isotonische Kontr~ktion dureh jene Wasser- wanderung bedingt ist, welche durch die neuentstandenen Ionen osmo- tisch hervorgerufen wird, so folgt dar~us ohne jede weitere Annahme, dag bei isometrischer T~tigkeit - - durch Verhinderung der Form und Volum- ~nderung - - die HineinsVr5mung des Wassers, also die Verdfinnung in den anisotropen Schichten ausbleibt, und so durch die neugebildeten Ionen ein erhShter Druck ausgeiibt wird, welcher ira Versuch uls iso- metrisehe Sp~nnung sich kundgibt. Um nun die Gr6Ge derDruekwirkung aus der Zunahme von Ionen bereehnen zu k6nnen, miissen wir wissen, auf ein wie grol3es Volumen verteilt sie den Druck ausfiben, denn es ist ja klar, dag diese Druekzunahme um so kleiner ist, auf je grSGœ Vo- lumen die Ionen verte�9 sind. Wenn also die isometrische Druekwirkung theoretiseh bestimmt werden soll, dann stolten wir neuerlich au�9 die l~rage : Ein wie groBer Teil des Muskels (in einem gegebenen Falle) an der Tgtig- kœ teilnimmt ? Da aber diese Frage in�9 Unkenntnis schon frtiher unbeantwortet blœ mufite und darum die reehnerisehe Be- stimmung der isotonisehen Arbeit zeitweilig steekenblieb, so wœ wir hier diœ Frage umkehren und sie in folgender Form au�9 In einem wie gro[3en Volumen mufiten die Ionen entstehen, ura einen Druclr au~zu- i~ben, wœ der experimente'll gemes8enen isometrischen Spannung ent- spr�9

Die erste Aufgabe ist also, die in g gœ isometrisehe Spannung in Atmosphgren umzureehnen. Bei Aul3eraehtlassung aller theoretisehen Schwierigkeiten 16sten wir diese Au�9 ~ bis weitœ Versuehe eine bessere Methode der Umrœ lietern ~ indem wir die Spannungs- entwieMung au�9 den in qcm ausgedriickten Quersehnitt des Gastroene- mius bezogen haben.

Die in der IV. ~r beschriebenen Versuche, von denen einige in der 1. und 2. T~belle z¨ sind i, wu~den in der Weise ~usgefiihrt, d~B der eine G~strocnemius eines Frosches isotonische, der ~ndere hingegen isometrische Kontraktionen ausfiihrte. �9 den T&tigkeitsperioden wurden Gewicht, L~nge und Querschnitt beider Muskeln bestimmt, und zwur der letztere ~m einf~chsten in der Weise, dal~ der Muskel an seiner breitesten Stelle mit einem Zwirnf~den umschlungen und d~nn die Linge dieses F~denstiickes gemessen wurde. Dann h~ben wir unn~herungsweise 2 r ~ = Um~ang ~ u, der Querschnitt ~lso = fez

qs = ~~ . So z .B. Versuch Nf. 16 (15. I. 1926). Gewicht 2,5g, L~nge 40 mm.

u = = 34 mm Querschnitt 0,92 qcm; Z~hl der neuentst~ndenen Ionen 10,8- 10 -~ g Aeq. ~ Spannung 800 g. (3bUe der Muskel mit dem Querschnitt 0,92 qcm eine Spannung von 800 g ~us, so wiirde dies 0,85 ~thln. entsprechen. Es fr~gt sich mm,

Pflfigers Arch. ~1~, 1r (1926).

Untersuchungen fiber Muskelkontraktion. VIII. 687

in welchera Volumen bewirken die Ionen vom Betrage von 10,8 �9 10 - ~ g Aeq. einen Druck von 0,85 atm. Die Antwort ergibt sich aus einer einfachen Rechnung un” tautet, daB die Ionen in 0,28 ccm sich entwickelten und auf diesen Raum verteilt den Druck hervorriefen.

Tabelle 1.

:Lange des des

~iuskel: Muske ls P~ in m m in m m

4 1,50 35,0 5 2,00 37,5

10 2,00 34,0 10 2,00 34,0 11 2,10 39,0 13 1,70 32,0 I3 1,70 32,0 13 1,70 32,0

1,20 14 29,5 16 2,50 40,0 ]8 2,35 38,0

Quer- ' ~enge d e r ~s.o- " schni t~ i des I o n e n �9 10 - y g] n~e~nse¡ ~1 / Muskels � 9 ~punnung ,

in q c m in g

13,5 10,8 9,0 6,3

13,5 7,2 4,5 1,8 4,5

10,8 16,2

1000 600 700 535 800 535 400 135 565 800

1000

i Die I o n e n ent- D r u c k i~ wieke l ten sich in

in Bruchte~l a tm . / c cm (vl)l des

! :Muske~

1,60 0,19 0,130 0,72 0,33 0,170 0,74 0,27 0,140 0,56 0,25 0,125 0,93 0,32 0,150 0,78 0,21 0,120 0,59 0,17 0,100 0,19 0,21 0,120 0,95 O, 1 ! 0,090 0,85 0,28 0,110 1,10 0,33 0,140

28,0 0,62 32,0 0,81 34,0 0,92 34,0 0,92 32,5 0,84 29,0 0,67 29,0 i 0,67 29,0 0,67 2�9 0,58 34,0 0,92 3~ ,0 0,92

Tab. 1 enth~l t die D a t e n der Tab. 2 aus Mi t te i lung I V in der geschi lder ten Weise umgerechnet . Die vor le tz te Spa l t e en th~l t d ie v 1- Wer te , d ie le tz te Spa l t e h ingegen zeigt , ein wie gro6er Teil des Mus- kels an der T~itigkeit t e i lnahm. Aus diesen Zah len is t ersichtl ich, dag trotz aller theoretischen Unsicherheiten ziemlich /convergente Werte ]�9 ~enen Teil des Muskels sieh ergeben haben, welcher - - bel der angewandten Reizungsart ~ sich an der Kontraktion aktiv beteil(qt.

Auf diese Weise gelungten wir in den Besi tz eines b isher unbekunn ten Wer t e s ; wenn wir uns an dus Beispie l des Versuches Nf. 16 ha l t en wollen, so e rg ib t sich der W e r t auch des gesuchten n (Gesamtmenge der osmo- t i sch wirksumen, also die Tg t igke i t bedingenden, Teilchens) folgender- weise : 0,28 ccm nehmen an der K o n t r a k t i o n teil , alle Ionen en twicke l ten sich also in ihnen; in der R u h e befanden sich nun dor t 0 ,28. 2 2 5 . 1 0 - 6 g

�9 Aeq. 1 osmot iseh wi rksame Tei lehen; en twicke l ten sich uni den Reiz h in Ionen ira Be t rage von 9,9 �9 10- s g Aeq. (bei der i sotonischen Tgt igkei t ) , so e rg ib t sieh, daB un der osmot isehen Arbe i t eine Menge Pur t ike lchen von n = 72 ,9 .10 -6 g Aeq. te i lnehmen. Wi r haben also fiir die oben

angef i ihr te F o r m e l A = n R T lnV2 die W e r t e von v 1---0,28 und V 1

n = 7 2 , 9 . 1 0 - y e rmi t t e l t , und so mfissen wir noch den W e r t fiir v e bes t im- men, also dus Volum, uu�9 welches sich die uniso t ropen F ibr i l l en~bschn i t t e

Betr~gt die Konzentration ira Muskel - - wie angenommen - - 0,225 g ~Iol pro Liter, so befinden sich in l g = 1 ccm Muskelsubs~anz 225. ]0 -~g Mol. osmotisch wirksame Partike]chen.

Pfli igers A r c h i v f. d. ges. Phys ioI . Bd. 220. 4 5

688 E. Ernst :

bei der Kont rak t ion ausbreiten, v 2 kann in der Weise bes t immt werden, wenn wir berechnen: um wieviel sich dus urspriingliche v 1 w~hrend der Kon- t rak t ion vergr66ert ; mi t anderen Worten, es wird gefrugt, wieviel Wasser in die unisotropen 8chichten einstrSmt. Die Beuntwor tung dieser Fruge hgngt uber duvon ab, ob die akt iven unsitropen Fibril lenschnitte mi t dem gunzen fibrigenMuskelunteil oder uber nur mit einem in der unmittel- bars ten Nachburschaf t befindlichen Teil ins Konzentrut ionsgleichgewicht kommen. Es m6gen die 2 extremen Fglle behundelt werden.

1. Der uktive Teil t r i t t mi t dem gunzen fibrigen Muskelantefl in Konzentrat ionsgleichgewicht. Die Konzent ru t ion in den akt iven anisotropen Fibri l lenubschnit ten von 0,28 ccm Ruuminhul t betrggt

0 ,28- 225? 10 -s + 9,9: 10-6- in dem gunzen iibrigen MuskeiteH 0,28

2,22 �9 225 �9 10 - 6 ; so wird so riel Wasser von uul3en (2,22 c c m ) n a c h

2,22

innen (0,28 ccm) einstr6men, bis das Konzentrut ionsgleichgewicht erreich~: �9 Nennen wir den bisher unbekunntcn W› des einstr5menden Wassers

w, so ist bei Konzentrat ionsgleichgewicht 0,28 �9 2 2 5 . 1 0 - 6 -d- 9,9 �9 10 6 0,28 -+- w

2,22. 2 2 5 . 1 0 -y also w 0,0384 ccm. In diesem Fulle wfirde also 2,22 - - w

in dem l%~um von 0,28 ccm eine Wussermenge von etwu 0,04 ccm hineinstr6men, dessen Volumen ulso mit etwu 15% vergrSSern. Da als v e = 0,28 + 0,04 = 0,32 sich ergub, so ist A -- 72,9 �9 t0 -y 0,848

0,32 . 295" 2,3. log 0,2-~ == 2348 grain, wghrend der Versuch 1938 gmm ]ieferte.

2. Nehmen wir uber an~ dus unst~tt mi t 2,22 ccm dus Gleichgewicht nur mit einem den uktiven unisotropen Fibril lenubschnitten gleich grogen Teile des Muskeis zustunde komrnt, also mit 0,28 ccm, so ist

0,28 �9 225 �9 10 -6 d- 9,9 �9 10 -6 0,28 �9 225 �9 l0 -~

0,28 q- w 0,28 -- w '

ulso w = 0,02 ccm. Treten ulso die ti~tigen unisotropen Scheibchen nur mi t ihrer unmit te lburs ten Umgebung in Konzentrat ionsgleichgewicht , so wird ihr Volumen durch Wussereinwanderung nur um etwa 8% vergr61~ert. Fiir die Arbeitsfghigkeit in diesem underen ext remen

Falle liefert die Rechnung A 72.9 10 -~ 0,848 295 2 3 ~ 0,30 = , . . . . . ~ O g o , •

= 1262 gmm dem experimentell erhaltenen 1938 gmm gegent~ber. I n Anbetrueht dessen, dul.~ diese Reohnungsweise uu�9 mehreren Voruus- setzungen bernht, kunn den t~eohnungsergebnissen nur ein bedingter Wer t beigemessen werden. Nichtsdestoweniger m6gen die in l~itteilung IV, Tab. 1 zusummengestell ten Versuehsergebnisse der Arbeitsleistnng mit den rechnerisch ermit tel ten Duten verglichen werden.

Untersuchungen ~ber Muskelkontraktion. VIII. 689

Tabelle 2. VergIeich der experimentell ermittelten und berechneten Arbeitsleistung. Die Berechnung wurde unter der Voraussetzung ausge]i~hrt, dafi v 1 = 1Ao Teil (des ganzen Muskels) ist, welcher mit dem ganzen iš Muskel in Konzentratlon8-

ausfleich tritt.

1 ] 1 2 2 5 5

14 14 15 15 15 15 I6 16

Gewicht I des I

Muskels in g

1,50 1,50 1,50 1,20 1,20 2,05 2,05 1,20 1,20 1,40 1,40 1,40 1,40 2,50 2,50

NIenge der Ionen �9 10 - y

g �9

3,6 978 2,7 715 1,8 300 6,3 2000 4,5 1240

10,8 2422 6,3 1585 3,6 1040 1,8 305

10,8 2167 9,0 1755 5,4 1355 2,7 740 9,9 1936 9,0 2130

Arbeitsleistung ] ~; I i Gewicht l in gmm I ~ ~ des

obachtet rechnet ] ~ in g

892 618 435

1558 Il00 2546 1420 936 420

2777 2261 1290 642

2442 2154

16! 2,50

2,50

1,90 17 1,90 17 1,90 18 2,00 18 2,00 19 2,30 19 2,30 19 2,30 19 2,30 19 2,30 19 2,30

Ionen �9 10 - 6 I. g "™ ! be-

} 0b~chtet

I Arbeitsleistung ]Vlenge der i in gmm

be- rechnet

8,1 1718 7,2 1512 5,4 1000 3,6 700

10,8 2610 5,4 1138 2,7 575

18,0 3110 4,5 1000

16,2 4078 13,5 3788

i i 10,8 2918

7,2 1538 4,5 1158

i 1,8 533

Wie wir sehen, is t die U b œ eine reeh t gute .

1934 1714 1288 660

2675 1285 619

4683 1056 4100 3380 2643' 1711 1044 525

6. Ze i t l i cher Ver lau] der K o n t r a k t i o n u n d die Z u c k u n g s k u r v e .

Was nun don zei t l ichen Ablauf der W a s s e r w a n d e r u n g anbe langt , so isg die Geschwindigke i t derse lben dem jeweil igen K o n z e n t r a t i o n s u n t e r - schied p ropor t i ona l ; m a n erhi~lt also die Gleiehung

d t @ w m a - - w

welche dureh ~ntœ in die F o r m e l

D w 2 - - 2 A B w - - 2 C l n - - k t

D - - A w

f ibergeht, wo A, B, C, D und k Kons~anten sind. Die Brauehbarke i~ dieser F o r m e l n und der Bereich ihrer A n w e n d b a r k e i t wird hier n ieh t wei~er behande l t .

Bevor ieh diese Mi t t e i lung absehliel~e, mSehte ieh zum Ausdruek br ingen, da~ gewil~ eine Vore ingenommenhe i t dazu n6t ig ware, in e inem Sys tem, wo die Bed ingungen zu osmot isehen Quellungs-, Oberflaehen-, e las t i sehen usw. Ersehe inungen gegeben sind, ira In teresse der eigenen Theorie aile anderen M6gl ichkei ten einfach zu negieren. So wird gewil~

45*

690 E. Ernst: Untersuchungen fiber die Muskelkontraktion. VIII.

A b d e r h a l d e n 1 d~s Richtige getroffen haben, als er as fiir unw~hrsehein- lich bezeichnete, dal3 nur ein einziger Vorgang ffir jenes Gesehehen mal3- gebend ist, d~s der Muskelverki2rzung zugrunde liegt.

Zusammenfassung.

1. Die L~tenz und D~uer der Kont r~kt ion ist gr61~er ~ls die der Vo- lumverminderung.

2. Die Kont rak t ionen summieren sieh berei~s bei l~eizfrequenzen, bel welehen die Volumverminderungen - - ghnlich dem Ak™ - - noch entweder gar nicht oder nur unvol lkommen zusammenflief~en.

3. Dies wird datai t erk]grt, dal3 die Kon t rak t ion durch eine Wasser- v-erschiebung hervorgerufen wird, welehe ~ls Folge einer Ionenneubi ldung zu bet raehten ist.

4. Es wird ein Appara t besehrieben, weleher automat iseh fort lau�9 etektrische 1%eize von beliebiger Frequenz und Duuer in Perioden von 1 - -6 Sekunden liefert.

5. Au�9 Grund der hier en~wickelten Annahme, naeh welcher eine Neu- bildung von Ionen als Folge der l~eizung eintritt , wurden die Erseheinun- gen dot Muskelt~tigkeit m6gliehst quan t i t a t iv gefal3t und auf Grund dieser Ausf[ihrungen eine Neuformulierung der osmotischen Theorie durehgefiihrt. Die Ergebnisse dieser Rechnung s t immen ganz gut rait den Versuchsergebnissen ~iberein, wie es folgende Tabelle zeig™

Nf. Ttttigkeitserscheinung Beobachtet I

1 2

3

4 5

6

:Bereehnet

Zahl der neugebildeten Iox~.en.. Zunahme der Lichtbrechung . .

Leitf~higkeit des Muske]s . . �9

Aktdonsstrom . . . . . . . . . Arbeitsleistung . . . . . . . .

Zuckungskurve . . . . . . . .

i 4,5 10 -y Aq. 0,000 0,0004 OE

0,14--0,22 % N~C1 i 0,15% NaC1 0,36%

Richtung entspricht der Ann~hme 1050 gmm ! 1100 gmm

ff w"~ - - 2 a b w - - 2 c l n . . . . . k t

d - - a w

Datai t ist es uns vielleicht gelungen, der osmotischen Theorie eine diskutierbare F o r m zu verleihen.

1 Lehrbuch der Physiologie 4, 238 (1927). - - Vgl. Wacker , Bioehem. Z. 184,

211 (1927).