Energieaufwand [J/Kg/m] Fliegen. Laufen. Mensch. Schwimmen. Körpergewicht [kg] Ameise. Pferd

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1 Energieaufwand [J/Kg/m] Fliegen Schwimmen Laufen Mensch Körpergewicht [kg] Ameise Pferd Der Wirkungsgrad der Lokomotion (Verhältnis von geleisteter Arbeit zu eingesetzter Energie), ist für große Tiere günstiger. Pferd hat einen Wirkungsgrad von 41,4 %, die Ameise nur 0,5 %. 1

2 Skelette ermöglichen Bewegung, indem sie Muskeln Ansatzpunkte und Widerlager bieten. 3 Haupttypen von Skeletten: Hydroskelette, Exkoskelette und Endoskelette. Hydroskelett: abgeschlossenes Kompartiment des Körpers, in dem Flüssigkeit unter erhöhtem Druck gehalten wird (Beispiel Anneliden). Die Flüssigkeit wird durch Septen zwischen den einzelnen Segmenten des Wurmes getrennt; die Gestalt eines Segments kann durch Ring- und Längsmuskeln des Hautmuskelschlauchs verändert werden. Exoskelett: harte, tote Schale auf Oberfläche des Körpers. Mollusken besitzen Schalen aus Calciumcarbonat; wird durch Epidermiszellen der Mantelregion sekretiert. Cuticula ist charakteristisches Exoskelett der Arthropoden. Wird ebenfalls von Epidermis abgesondert. Sie besteht zu 30 bis 50 % aus Chitin (Polysaccharid mit Cellulose ähnl. Struktur. Chitinfibrillen sind in Sklerotin eingebettet. So entsteht ein Material, das Härte, Widerstandsfähigkeit und Flexibilität vereint. Vertebraten besitzen Endoskelett aus Knochen, Knorpel oder einer Kombination beider. Skelett der Säugetiere besteht aus mehr als 200 Knochen. Unterteilung in Axialskelett (Schädel, Wirbelsäule, Brustkorb), und Extremitätenskelett (Knochen der Gliedmaßen, Schulter- und Beckengürtel) zusammensetzt. In Gliedmaßen mehrere Typen von Gelenken, dadurch wird die notwendige Flexibilität für Bewegungen des Körpers und die Lokomotion garantiert. Längsmuskeln entspannt Ringmuskeln kontrahiert Ringmuskeln entspannt Längsmuskeln kontrahiert Hydroskelett der Anneliden Kopf Borsten 2

3 Speiche Bizeps (Beuger) Trizeps (Strecker) Oberarmknochen Elle Strecker Kutikula Beuger 3

4 Muskel Aufbau des quergestreiften Wirbeltierskelettmuskels Muskelfaserbündel Muskelfaser Zellkern Myofibrille Sarkomer Längsschnitt durch eine quergestreifte Skelettmuskelfaser eines Frosches. Die von oben nach unten verlaufenden Myofibrillen sind durch schmale Sarkoplasmastränge getrennt. (Maßstab: 1µm) 4

5 Schema eines Sarkomers Actin-Filament Myosin-Filament Muskel entspannt (gedehnt) I-Bande A-Bande I-Bande Muskel während Kontraktion Muskel vollständig kontrahiert 5

6 Actinfilament Myosinfilament Actin Myosin Kreatinphosphat liefert dem ADP die Phosphatgruppe zur Umwandlung in ATP 4 Bindung von ATP Lösen der Querbrücken Bewegung zur Sarkomermitte 1 ATP-Hydrolyse 3 Freisetzung von ADP + P i 2 Querbrückenbildung 6

7 Freies Calcium als Auslöser der Querbrückenbildung Steuerung der intrazellulären Calcium-Konzentration 7

8 Ereignisse, die zu einer Muskelzuckung führen: 1) Depolarisation der Membran der motorischen Endplatte und Entstehung eines Muskel-Aktionspotentials (MAP) 2) Ausbreitung des MAP über gesamte Muskelfaser und über das tubuläre System ins Faserinnere. 3) Freisetzung von Calcium aus den Zisternen des sarkoplasmatischen Reticulums (SR), dadurch Erhöhung der freien intrazellulären Ca2++ Konzentration. 4) Bindung von Ca2++ an das Troponin des Actin-Filamente. 5) Konformationsänderung des Komplexes von Actin-Troponin-Tropomyosin, dadurch Aufhebung der Blockade der Bindungsstelle für den Myosinkopf. 6) Bildung des Acto-Myosin-Komplexes. 7) Rotation des Köpfchens, Entwicklung einer zur Sarcomermitte gerichteten Kraft. Ereignisse, die zu einer Muskelzuckung führen (Fortsetzung): 8) Bindung eines ATP-Moleküls an das Köpfchen, dadurch Lösung des Acto- Myosinkomplexes und Rückrotation in Ausgangsstellung des Köpfchens. 9) Hydrolyse des ATP zu ADP + anorganischen Phosphat. 10) Lösung des Calcium vom Troponin und Aufnahme des freien Calcium in die Zisternen des SR. 11) Blockade der Bindungsstelle für das Myosin. Die Myosinköpfchen bleiben vom Actin gelöst. Sie haben falls ATP vorhanden dieses zu ADP + Phosphat hydrolysiert und sind für die nächste Kontraktion bereit. 8

9 Das Sarkomer leistet mit chemischer Energie (ATP) mechanische Arbeit. Dies wird über die Freisetzung von Ca++ aus dem SR-System neuronal gesteuert. Die neuronale Steuerung erfolgt über neuromuskuläre Synapsen und Muskel-Aktionspotentiale, die längs des Sarkolemms (orange) ins T-System laufen. Regulation der Kontraktionskraft I vollständiger Tetanus Muskelspannung AP eines Motoneurons Einzelzuckung Summation von 2 Einzelzuckungen zwei aufeinanderfolgende APs hochfrequente Folge von APs 9

10 Regulation der Kontraktionskraft II von 1 Motoneuron innervierte Muskelfasern Regulation der Kontraktionskraft über Rekrutierung mehrerer Motorischer Einheiten Aktivierung der mot. Einheit 1allein: schwache Kontraktion. Aktivierung der mot. Einheit 1+2: starke Kontraktion 10

11 Herzmuskel ebenfalls ein quergestreifter Muskel. Hauptunterschiede zwischen Skelettund Herzmuskel liegen in elektrischen Eigenschaften und den Membraneigenschaften. HMZ sind über Gap Junctions (Glanzstreifen) mit HMZ elektrisch gekoppelt. HMZ Erzeugen selbst Aktionspotentiale, ohne Befehl aus dem Nervensystem. Membran hat Schrittmachereigenschaften, die eine rhythmische Depolarisation bedingen. Für das ganze Herz gibt es aber nur eine einzige Schrittmacherregion (Wand rechtes Atrium). AP s der HMZ dauern etwa 20mal länger als die der Skelettmuskelzellen. Glatte Muskeln (keine Querstreifung); Actin- und Myosinfilamente nicht regelmäßig zu Myofibrillen angeordnet. Sie enthalten weniger Myosin als quergestreifte Muskelzellen, und Myosin ist nicht spezifischen Actinsträngen zugeordnet. Daher kann ein glatter Muskel weniger Kraft entwickeln, aber bei gleichem Energieverbrauch länger kontrahieren. Sie kontrahieren relativ langsam, haben aber eine größere Vielfalt an Steuerungsmechanismen als gestreifte Muskeln. Sie finden sich in erster Linie in der Wand von Hohlorganen, wie zum Beispiel Blutgefäßen und dem Verdauungstrakt. 11

12 Ruhe isotonische Kontraktion Ruhe isometrische Kontraktion Vordehnung und Kontraktionskraft Kraft 12

13 Kraft/Längebeziehung eines Muskels: Ausgehend von einer Vorbelastung (Punkt A auf Ruhedehnungskurve) ergeben maximale isotonische Zuckungen (waager. Pfeile) die isotonischen Maxima. maximale isometrische Zuckungen (senkr. Pfeile) ergeben isometrische Maxima. Isotonische Maxima Isometrische Maxima Muskelaufbau = Vergrößerung der durch gezieltes Training wie z.b. Bodybuilding. Muskelvergrößerung findet statt durch Hypertrophie in der Erholungsphase der vom Training belasteten Muskeln. Die Muskelfaser verdickt durch Einlagerung zusätzlicher Myofibrillen; Zahl der Fasern bleibt gleich. Muskelfasern des Types 1 (langsam kontrahierende MF) müssen mit längerer Anspannungszeit trainiert werden (20-25s) als schnell kontrahierende MF (15-20s). Die genauen Faktoren, die dieses Wachstum auslösen, sind noch weitestgehend unbestimmt. 13