Biologie - Neurobiologie, Stoffwechsel und Verhalten (Fach) / Motorik (Lektion)

muskeln und bewegung

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• Muskeln und Bewegung Die Fähigkeit zur aktiven Bewegung haben Tiere dank ihrer Muskeln. Diese bestehen aus kontraktilen Proteinen, die wie im Falle der Skelettmuskulatur eine hochgeordnete Struktur aufweisen( quergestreifter Skelettmuskel). Bei Insekten und Wirbeltieren: Quergestreifter Skelettmuskel
• Die kontraktilen Proteine: Actin und Myosin und der Gleitfilamentmechanismus Actinfilamente - monomeres G-Actinmolekül,  Actinmoleküle bilden Doppelhelix,- an einem Ende an der Z-Scheibe angeheftet.- In der Mitte der Actinhelix, alle 40 nm auf dem Actinfilament, Tropomyosin und Troponinkomplex (Bindungsstelle des Myosins)Myosinfilamente- monomeres Myosin, mit Schwanz, Hals und Kopf - LMM (light meromyosin): Schwanz- HMM (heavy meromyosin): Hals und Kopf, Myosinkopf mit ATPase-AktivitätGleitfilament-Mechanismus (sliding filament mechanism):Actinfilamente gleiten zwischen die Myosinmoleküle und bilden Querbrücken, die immer wieder zyklisch geknüpft und gelöst werden (Querbrückenzyklus)Dabei verkürzt sich die Sarkomerlänge (und damit die Länge des gesamten Muskels). Für die Knüpfung der Acto-Myosin-Verbindung braucht man Calcium. Sowohl für den „power stroke“ des Myosinkopfes,als auch für die Lösung der Acto-Myosinbindung wird ATP und Mg2+ benötigt
• Was bedeutet motorische Einheit? Alle Muskelfasern, welche von einem Motoneuron innerviert werden, gehören zu einer motorischen Einheit. Ein Wirbeltiermuskel besitzt sehr viele (bis zu mehreren hundert/eintausend motorische Einheiten). Jede Muskelfaser ist von nur einem Motoneuron innerviert.
• Die Art der Innervierung bestimmt die Art der Muskelkontraktion Schollenmuskel (langsamer Muskel)Wadenmuskel (schneller Muskel)Schollenmuskel und Wadenmuskel sind Synergisten (wirken in die gleiche Richtung)
• Mechanismus der elektromechanischen Kopplung? * Transmitter, freigesetzt an der neuromuskulären Synapse, bindet an entsprechende Rezeptormoleküle auf der postsynaptischen Muskelmembran.* Bildung eines EPSP  und Auslösung eines Muskel-Aktionspotenzials, welches sich vom Ort der neuromuskulären Synapse über der Muskelmembran bis in das T-System hinein ausbreitet.* Dort spannungsabhängige Aktivierung von Molekülen , die in Kontakt zu den spannungsabhängigen Ca2+-Kanälen (Ryanodin-Rezeptoren) des sarkoplasmatischenRetikulums (SR) stehen.* Freisetzung von Calcium-Ionen aus dem SR, welche nun amTropomyosin-Troponin-Komplex auf dem Actinmolekül die Freigabe der Bindungsstelle für den Myosinkopf bewirken.* Acto-Myosinbindung und Beginn der Querbrückenzyklen* Bei Erschlaffung Zurückpumpen der Calcium-Ionen in das SR
• was passier bei Muskelarbeit * Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie* das heißt 1/3 der Energie steht für Arbeit zur Verfügung, 2/3 erscheinen  als Wärme.* Oxidation von Kohlenhydraten (Glucose, Glykogen) und Aufbau von ATP* Muskel hat eigenen Vorrat an energiereichen Phosphatverbindungen (Kreatinphosphat)* Ein Teil der Prozesse kann anaerob ablaufen (Muskel geht „Sauerstoffschuld“) ein* Dadurch kann ein Muskel jederzeit ein begrenztes Maß an Arbeit leisten!
• Ein Muskel kann aus verschiedenen Muskelfasertypen bestehen: Einteilung nach der Aktivität von Enzymen- Typ I Fasern: - Typ II Fasern: Einteilung nach Kontraktionseigenschaften- ST-Fasern (slow twitch fibers, langsame Zuckungsfasern) ausdauernd, aber keine große Kraftentwicklung (entspricht SO)- FT-Fasern (fast twitch fibers, schnelle Zuckungsfasern) entwickeln große Kräfte, ermüden schnell- Tonische Fasern: kommen selten vor, sehr langsame Kontraktion, HaltefunktionEinteilung nach Farbe- Rote Muskeln (entspricht SO) (hoher Myoglobingehalt*)- Weisse Muskeln (entspricht FG) (niedriger Myoglobingehalt)
• Muskelkraft Hängt von der Menge der parallel liegenden Sarkomere ab, d. h. von der Querschnittsfläche des Muskels (Muskeln, die große Kräfte ausüben müssen, sind meist kurz und dick!) * Säugermuskel: pro cm2 Durchmesser etwa 40 N (4 kp)* Wirbellose: pro cm2 Durchmesser etwa 30 N (3 kp)
• Muskelgeschwindigkeit Hängt von der Anzahl der hintereinandergeschalteten Sarkomere ab (langer Muskel besitzt höhere Kontraktionsgeschwindigkeit als ein kurzer) Für zwei Muskeln mit gleicher Masse und Querschnittsfläche gilt, dass der mit den längeren Sarkomeren die größere Kraftentwicklung aber kleinere Verkürzungsgeschwindigkeit besitzt, als der mit kürzeren Sarkomeren (kleinere Kraftentwicklung, aber höhere Verkürzungsgeschwindigkeit).
• Muskelwachstum bei sportlichem Training): Anzahl der Myofibrillen pro Muskelfaser vergrößert sich(Doping: Muskelwachstum hormonell!)
• Bewegungen: Muskeln eines Gelenks sind entweder Synergisten („gleichsinnig“) oderAntagonisten („gegensinnig“) Um das Gelen zu bewegen , arbeiten Beuger-und Streckermuskeln anatagonistischSehnen befestigen den Muskel am Knochen Bänder befestigen an Knochen Ein Hebelsystem für Kraftentwicklung >> z.B. Menschlicher KieferEin Hebelsystem für Entwicklung von Geschwindigkeit >> z.B. Bein menschlich
• Schema der motorischen Kontrolle Schema der motorischen KontrolleKontrollzentren im Gehirn (motorischer Cortex, Basal- Ganglien, Cerebellum)>>Zentrale Rhythmusgeneratoren im Rückenmark (Central pattern generators, CPGs)>>Motoneurone>>Muskeln>>Bewegung >>Sinneszellen Absteigende Bahnenzum Rückenmark, Pyramidenbahn, Extrapyramidale BahnSensorische Rückkopplung, Reflexe
• Rhytmischer Bewegungsmuster * Bewegungen wie Laufen, Rennen, Fliegen, Schwimmen, Kaubewegungen,Atmung etc. werden durch neuronale Netzwerke im ZNS erzeugt und durchsensorische Rückkopplung den Umwelterfordernissen angepasst.* Der grundlegende alternierende Rhythmus wird dabei von einem Netzwerk vonNeuronen im ZNS erzeugt (Zentraler Mustergenerator, central pattern generator, CPG)* Typischerweise und oft werden nur der Beginn und das Ende einer Bewegungsfolgekontrolliert, während der Ablauf mehr oder weniger automatisiert ist. * Manche der in isolierten Nervensystemen ausgelösten Rhythmen,entsprechen den unter intakten Bedingungen gezeigten Rhythmen invielen (aber nicht allen) Parametern.* Solche zentralen Rhythmen erhalten dann oft die Vorsilbe „fiktiv“, deshalbzeigen isolierte Nervensysteme fiktive Flugrhythmen (Insekten), fiktive Laufrhythmen(Insekten), fiktive Schwimmrhythmen (Anneliden, Mollusken,Arthropoden, Fische), fiktive Ventilations/Atemrhythmen (Crustaceen, Wirbeltiereinclusive Säugetiere). Schwimmen der Meeresschnecke (Tritonia) * Ein typischer Zentraler Muster(Rhythmus)generator (Central Pattern Generator, CPG)* Zum Beispiel Atemzentrum in der Medulla oblongata von Säugern
• Reflexe Schnelle, stereotype, unwillkürliche Reaktion, die durch einen Reiz ausgelöst wird (Kniesehnenreflex, Lidschlagreflex, Schluckreflex, Schutzreflexe). Viele Reflexe sind phasenabhängig, d.h. funktionieren nur innerhalb eines bestimmten Bereichs (z.B. Bewegungsbereich eines Beines) Reflexe können unterdrückt werden, und das kann gelernt werden („lebende“Statuen in der Fußgängerzone!, autogenes Training).
• Wichtige Reflexe und Sinnesorgane in Zusammenhang mit der Muskulatur:  Muskelspindel (Ia- Fasern)Längenkontrolle des Muskels (Haltereflex)- bringt Muskel auf den eingestellten Sollwert (die „Solllänge“) zurück (und damit auch das          Gelenk auf seine Stellgröße -„set point“)* Sehnenorgane (Ib-Fasern)Kontrolle der Muskelspannung (Schutzreflex)- verhindert eine zu große Spannungsentwicklung und damit ein Abreißen vonder SehneReflexe können als REGELKREISE („feedback loop“) aufgefasst werden:* Mit negativer Rückkopplung (negative feedback)Widerstandsreflex* Mit positiver Rückkopplung Unterstützungsreflex Haltereflex (Kontrolle der Muskellänge)* Passive Dehnung des Muskels (z.B. durch ein Gewicht) führt zu Kontraktion desselben MuskelsSchutzreflex (Kontrolle der Muskelspannung)* Weitere Kontraktion des eigenen Muskels muss verhindert werden (Hemmung)
• Karten im Gehirn * Wie alle Sinnessysteme enden die mechanorezeptiven (somatosensorischen) Sinnesbahnen bei Säugern (und Vögeln) im Großhirn (somatosensorischer Cortex)* Dort ist unsere Körperoberfläche nach ihrer Bedeutung (nicht nach Fläche!) topographisch repräsentiert („Homunculus“)* Dort sind auch unsere Willkürbewegungen „topographisch“ geordnet (motorischer Cortex)* Das heißt, sowohl die Somatosensorik als auch die Motorik hat im Gehirn in denGroßhirnhälften (Hemisphären) topographische Repräsentation.* Diese „Karten“ sind entsprechend der Lebensweise „verzerrt“ (bestimmt Gebiete sind „überrepräsentiert“)

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