II MUSKELPHYSIOLOGIE

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II
MUSKELPHYSIOLOGIE
Empfehlungen zur Vorbereitung, Literatur
Vorlesung zum Thema "Muskelphysiologie"
KLINKE-PAPE-KURTZ-SILBERNAGL: Lehrbuch der Physiologie, Kap.: Muskulatur
SCHMIDT-LANG-HECKMANN: Physiologie des Menschen, Kap.: Muskel
SPECKMANN, HESCHELER, KÖHLING: Physiologie, Kapitel: Muskulatur
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1 Kurve der isometrischen Maxima des M. triceps surae
Messverfahren
In diesem Versuch soll die maximale Kraft F bestimmt werden, die der M. triceps surae
bei verschiedenen Muskelvordehnungen unter isometrischen Bedingungen erzeugt. Der
Triceps ist der wesentliche Plantarflexor. Der Triceps inseriert am Tuber calcanei. Die
Bewegung wird im oberen Sprunggelenk ausgeführt. Die Drehachse des oberen Sprunggelenks verläuft ungefähr durch die Spitze des inneren Malleolus. In diesem Versuch
wird mit Hilfe einer Kraftmeßdose die Kraft bestimmt, die bei der Kontraktion des Triceps an der Achillessehne auftritt. Bei Untersuchungen der Muskelfunktionen im Körper muß beachtet werden, dass die Muskeln über Hebel wirken und daher stets Drehmomente (Kraft K x Kraftarm k bzw. Last L x Lastarm l; l und k sind die lotrechten
Abstände zwischen Drehachse und Kraftvektor) entstehen. Es gilt L x l = K x k im
Gleichgewichtszustand. Die Kraft ist die vom Triceps direkt am Tuber calcanei aufgebrachte Kraft, die Last ist die von uns an der Meßdose festgestellte (nach Übertragung
durch den Hebel wirkende) Kraft.
Die Längenänderung des Muskels (ΔlM) wird aus der Winkelstellung des Pedals ausgerechnet. Der Nullpunkt liegt bei einem Winkel von 90 Grad zwischen Fußsohle und
Unterschenkel. Die Plantarflexion ergibt negative Werte also Verkürzungen, umgekehrt
ergibt Dorsalextension eine Dehnung des M. triceps surae und somit positive Werte für
die Längenänderung
Abb. 1: Schema des Versuchsaufbaus
Die Strecke a ist der Kraftarm. Es ist der Abstand zwischen Fersenanschlag und dem
Lot vom Drehpunkt auf die Fußplatte (Pedalplatte). Der Winkel α bzw. α1 ist der Winkel zwischen Pedalplatte und der Verlängerung des Unterschenkels. ΔlM repräsentiert
die Längenänderung des M. triceps surae.
Umlenkrollen
Fußplatte
α
Drehpunkt
α1
a
M. triceps
surae
ΔlM
Kraftmessdose
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Versuchsablauf
a) Kalibrierung
In der Kraftmessdose wird die angreifende Kraft durch Dehnungsmessstreifen, die in
einer Brückenschaltung angeordnet sind, in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das
Signal wird in einem Messverstärker verstärkt und von einem Schreiber registriert. Zur
Kalibrierung der Messanordnung wird zunächst der Schreiber auf Null eingestellt (Potentiometer links unten am Messverstärker). Dabei soll nur eine Kette an der Kraftmessdose hängen. Danach werden zwei verschiedene Gewichte (10 und 20 kg) an die
Kette gehängt und jeweils die Schreiberausschläge registriert. Den Verstärkungsfaktor
des Schreibers nicht mehr verändern!
b) Messungen
Die Versuchsperson legt sich so auf die Liege, dass der Oberschenkel des rechten Beines senkrecht an der Halterung fixiert werden kann. Der Fuß wird jetzt im „Pedalschuh“
fixiert. Dabei ist darauf zu achten, dass die Drehachse des Fußgelenkes mit der Drehachse des Pedalschuhs übereinstimmt. Die Höhe des Pedals wird so eingestellt, dass der
Unterschenkel waagerecht (parallel zur Liege) liegt. Die Höhe des Pedals ist über einen
Elektromotor verstellbar. Auch der Abstand des Pedals vom Kniegelenk ist veränderbar.
Vor Veränderung dieser Abstände müssen zwei Arretierungen gelöst werden. Diese
müssen nach erfolgter Anpassung wieder fixiert werden, da sonst die Stabilität des Versuchsaufbaus abnimmt. Das reduziert die Qualität der Ergebnisse.
Achten Sie darauf, dass nur der M. triceps eingesetzt wird und nicht noch weitere
Muskeln. Die Messungen sollen in mindestens 12 Winkelstellungen zwischen etwa
130° und etwa 40° durchgeführt werden. Für jede Winkelstellung werden 3 Kontraktionen registriert, die im Abstand von etwa 60 Sekunden erfolgen sollen. In die Auswertung geht jeweils der Mittelwert der 3 Kontraktionen ein.
Auswertung
Isometrische Maximalkraft
Für die verschiedenen Winkelstellungen (und damit verschiedenen Längen des Muskels) werden mit Hilfe der Kalibrationswerte die an der Kraftmessdose auftretenden
Kräfte bestimmt und daraus die entsprechenden Kräfte an der Achillessehne ermittelt
(Protokoll Nr. 1).
Dazu muss die gemessene Kraft mit einem “Kraftfaktor“ (kf) multipliziert werden. Dieser Kraftfaktor ergibt sich aus der Länge des Lastarms, aus dem Abstand zwischen Pedalplatte und Drehpunkt und den Umlenkungen an den Rollen (beachte die Änderung
der Zugrichtung bei Bewegung der Fußplatte (Abb.1). Dadurch ändert sich der Korrek-
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turfaktor ('Kraftfaktor') abhängig von der Winkelstellung). Der Kraftfaktor für verschiedene Winkel ist in Tabelle 1 aufgelistet. Zwischen den Winkeln muss interpoliert werden. Das Produkt aus gemessener Kraft (Kraftmessdose) und Kraftfaktor (kf) entspricht
L × l (Last × Lastarm). Damit entspricht die Formel K × k = L × l der Beziehung
Isometr. Muskelkraft (K) × Kraftarm (a) = Kraft (Messdose) × Kraftfaktor (kf )
oder
K = Kraft (Messdose) × kf / a
Muskellänge
Die Berechnung der Längenänderung (ΔlM) des M. triceps surae erfolgt aus dem eingestellten Winkel (α) zwischen Pedalplatte und der Verlängerung des Unterschenkels,
sowie aus der Länge des Kraftarms (a). Der Kraftarm ist der Abstand zwischen Fersenanschlag und dem Lot vom Drehpunkt (Knöchel) auf die Pedalplatte. Näherungsweise
gilt:
cos α = ΔlM / a
oder
ΔlM = a × cos α
Da es sich bei Winkeln α < 90° um Muskelverkürzungen, bzw. bei Winkeln α > 90° um
Muskelverlängerungen gegenüber der Ausgangsposition α = 90° handelt, werden jeweils die negativen Werte der errechneten Längenänderung eingesetzt:
ΔlM = − a × cos α
Tragen Sie die Werte für die entwickelte Kraft (K) bei den verschiedenen Längenänderungen des Muskels (ΔlM) in ein Kraft-Längen Diagramm (Diagramm 1) ein (Abszissenlänge: -6 bis +6 cm).
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TABELLE 1
Fußwinkel
α
130
129
128
127
126
125
124
123
122
121
120
119
118
117
116
115
114
113
112
111
110
109
108
107
106
105
104
103
102
101
100
99
98
97
96
95
94
93
92
91
90
89
88
87
86
85
Kraftfaktor
N*cm/kg
284.8
288.0
290.4
292.0
293.6
293.6
293.6
293.6
293.6
292.8
292.0
291.2
290.4
289.6
288.8
288.0
286.4
285.6
284.8
284.0
283.2
282.4
281.6
280.8
280.0
279.2
278.4
278.4
277.6
276.8
276.8
276.0
276.0
276.0
275.2
275.2
275.2
275.2
275.2
275.2
275.2
275.2
275.2
275.2
276.0
276.0
cos α
-0.643
-0.629
-0.616
-0.602
-0.588
-0.574
-0.559
-0.545
-0.530
-0.515
-0.500
-0.485
-0.469
-0.454
-0.438
-0.423
-0.407
-0.391
-0.375
-0.358
-0.342
-0.326
-0.309
-0.292
-0.276
-0.259
-0.242
-0.225
-0.208
-0.191
-0.174
-0.156
-0.139
-0.122
-0.105
-0.087
-0.070
-0.052
-0.035
-0.017
0.000
0.017
0.035
0.052
0.070
0.087
Fußwinkel
α
84
83
82
81
80
79
78
77
76
75
74
73
72
71
70
69
68
67
66
65
64
63
62
61
60
59
58
57
56
55
54
53
52
51
50
49
48
47
46
45
44
43
42
41
40
Kraftfaktor
N*cm/kg
276.0
276.8
277.6
277.6
278.4
279.2
280.0
280.8
281.6
282.4
284.0
284.8
285.6
287.2
288.8
289.6
291.2
292.8
294.4
296.0
298.4
300.0
302.4
304.0
306.4
308.8
311.2
313.6
316.8
319.2
322.4
325.6
328.8
332.0
336.0
340.0
344.0
348.0
352.8
357.6
362.4
367.2
372.8
378.4
384.8
cos α
0.105
0.122
0.139
0.156
0.174
0.191
0.208
0.225
0.242
0.259
0.276
0.292
0.309
0.326
0.342
0.358
0.375
0.391
0.407
0.423
0.438
0.454
0.469
0.485
0.500
0.515
0.530
0.545
0.559
0.574
0.588
0.602
0.616
0.629
0.643
0.656
0.669
0.682
0.695
0.707
0.719
0.731
0.743
0.755
0.766
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Protokoll 1: Isometrische Maxima des M. triceps
a = _____________
α
Last
(kg)
DIAGRAMM 1
kf
Kraft
(N)
ΔlM
(cm)
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2. Superposition und Tetanus am M. adductor pollicis (Daumenanzieher )
Vorbemerkung
In diesem Versuch soll die Abhängigkeit der Kraftentwicklung eines isometrisch kontrahierenden Muskels von der Frequenz seiner Reizung untersucht werden. Zusätzlich
sollen die Kontraktionsarten der Einzelzuckung, der Superposition und des Tetanus
anhand eines Mechanogramms kennengelernt werden.
Versuchsablauf
Der M. adductor pollicis gehört zu den Muskeln des Daumenballens. Er wird durch den
Nervus ulnaris innerviert. Um die Kontraktionen dieses Muskels untersuchen zu können, wird die rechte Hand des Probanden in einer Messapparatur (siehe Abb. 2) fixiert
und der Daumen mit einem Kraftaufnehmer verbunden. Dieser ist mit einem Verstärker
und einem PC verbunden. Der PC zeichnet die vom Muskel erzeugte isometrische Kraft
auf.
Die Erzeugung unterschiedlicher Kontraktionsarten wird durch die Applikation unterschiedlicher Reizmuster am N. ulnaris an der Innenseite des Handgelenks erreicht. Die
Reizung erfolgt durch eine differente Elektrode (stabförmig) und eine indifferente
Elektrode (plattenförmig), wobei die letztere am Unterarm plaziert wird. Die Elektroden
sind mit einem Stimulator verbunden, der zunächst Einzelreize mit einer Reizbreite von
0,2 ms, einer Amplitude von etwa 6 mA in einer Frequenz von 3 Hz abgibt. Mit der
Stabelektrode wird nun der Punkt am Handgelenk aufgesucht, an dem eine gute Reizung des N. ulnaris erfolgt; sichtbar durch deutliches Zucken des Daumens und des
kleinen Fingers. Sollte bei dieser Einstellung keine Innervation möglich sein, so kann
die Spannung erhöht werden (bis zu 20mA). Bei erfolgreicher Reizung wird gleichzeitig
ein Mechanogramm der Einzelzuckungen geschrieben. Hierauf wird die Frequenz der
Einzelreize in 2Hz-Schritten bis auf 20 Hz erhöht und am PC gespeichert. Die Stabelektrode wird danach abgenommen.
Auswertung
Mit Hilfe des Mechanogramms werden folgende Fragen beantwortet:
1. Nennen Sie die Reizfrequenz-Bereiche, in denen
a) Einzelzuckungen,
b) Superposition,
c) unvollständige Tetani
d) vollständige Tetani
stattfinden! Ermitteln Sie die Verschmelzungsfrequenz.
2. Berechnen Sie die relativen Kräfte (Einzelzuckungskraft=100% ) für
a) eine Einzelzuckung ,
b) eine ausgewählte Superposition
c) einen vollständigen Tetanus
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Nun werden an ausgewählten Einzelzuckungen, die ggf. nochmals separat aufzunehmen
sind, folgende Parameter bestimmt:
3. Bestimmen Sie die Zuckungsdauer bei halber Kraft-Amplitude ( t50 ).
(Zu welchem Typ von Skelettmuskel gehört der Adductor pollicis?)
4. Bestimmen Sie die Anstiegszeit und die 50%-Relaxationszeit.
(Welche Mechanismen sind für Kraftanstieg und Muskelrelaxation verantwortlich?)
Abb. 2: Kraftaufnehmer
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3. Aktiv entwickelte Kraft als Funktion der sarkoplasmatischen Kalziumkonzentration [Ca++]
Vorbemerkungen
Neben der räumlichen Summation, die bei der Skelettmuskulatur wesentliche Grundlage
für eine Kontrolle bzw. Variation der aktiv entwickelten Kräfte ist, kann die Höhe der aktiv
entwickelten Kraft auch durch die intrazelluläre (sarkoplasmatische) Ca++-Konzentration
kontrolliert werden. Dieser Mechanismus ist besonders beim Herzmuskel und der glatten
Muskulatur die zentrale Größe, über die aktiv entwickelte Kraft dem Bedarf angepasst
werden kann. Auch im Skelettmuskel kann durch eine höhere Frequenz der
Aktionspotentiale die intrazelluläre Calcium-Konzentration erhöht und damit die
Kontraktionkraft gesteigert werden. Grundsätzlich kann die aktiv entwickelte Kraft dabei
nicht nur über unterschiedlich hohe sarkoplasmatische Ca++-Konzentration sondern auch
durch unterschiedliche Ca++-Ansprechbarkeit des kontraktilen Apparates beeinflusst
werden.
Ziel des Versuchs ist es, die Kraft/Calcium-Dosis-Wirkungsbeziehung für Skelettmuskelfasern zu messen und Effekte von pH-Änderungen bzw. von PhosphatAnreicherung zu untersuchen. Voraussetzung dazu ist eine Muskelfaserpräparation, in der
wir direkt die Ca++-Konzentration in der Umgebung der kontraktilen Proteine kontrollieren
können. Dies kann erreicht werden, indem Oberflächenmembran und intrazelluläre
Membransysteme durch Behandlung mit Detergenzien (z.B. Triton X100) aufgelöst
werden (sog. "skinned fibers"), so dass Diffusionshindernisse (Oberflächenmembran) und
intrazelluläre Ca++-Speicher ausgeschaltet sind. Durch die Auflösung der Membransysteme
gehen auch alle löslichen, d.h. nicht im Zytoskelett verankerten Proteine (z.B. Enzyme der
Glykolyse) verloren, so dass diesen Präparaten als Substrat MgATP sowie Kreatinphosphat
mit Kreatin-Phosphokinase als ATP-regenerierendes System zugefügt werden müssen.
Versuchsablauf
Das Präparat, ein Muskelfaserbündel aus dem M. psoas major eines Kaninchens, ist mit
Gewebekleber an einem Kraftaufnehmer und einer über Mikromanipulator justierbaren
Gegenhalterung montiert und waagerecht (parallel zur Achse des Kraftaufnehmers)
ausgerichtet. Über einen Küvettenwechsler kann das Präparat in verschiedenen
Messlösungen inkubiert werden, die sich in der Konzentration der freien CalziumKonzentration unterscheiden. Unterschiedliche Calzium-Konzentrationen werden durch
Mischung
von
"Relaxationslösung"
bzw.
"Aktivierungslösung"
eingestellt.
Mischungsverhältnisse und zugehörige Calziumkonzentrationen sind in Tabelle 2
zusammengefasst.
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Nach Vorinkubation in Relaxationslösung wird das Präparat über den Küvettenwechsler in
die Küvette mit der Lösung für maximale Aktivierung überführt und dort solange inkubiert,
bis sich eine konstante aktive Kraft entwickelt hat. Die Kraft wird mit einem Einkanalschreiber bei einem Papiervorschub von 1cm/min registriert. Nach Erreichen einer konstanten aktiven Kraft wird das Präparat in Relaxationslösung zurückgeführt und die vollständige Erschlaffung abgewartet. Dieses Vorgehen wird dann mit 2 bis 3 weiteren Mischungen
aus Aktivierungs- und Relaxationslösungen mit unterschiedlichem pCa wiederholt.
Zur Untersuchung von pH bzw. Phosphat-Effekten werden Aktivierungslösungen mit
unterschiedlichem pH bzw. Phosphat-Konzentrationen eingesetzt.
Versuchsauswertung
Die registrierten aktiven Kräfte werden gemessen, auf die maximale aktive Kraft normiert
und gegen den pCa (negativer dekadischer Logarithmus der molaren Ca++-Konzentration)
in Protokoll 2 eingetragen (Kraft-pCa-Kennlinie).
Abb. 3 Beispiel einer Originalregistrierung
Beachten Sie die Form der Kraft-pCa Kennlinie. Bei langsamen Skelettmuskeln,
Herzmuskel und glatter Muskulatur kann diese Kennlinie erheblich flacher verlaufen.
Diskutieren Sie verschiedene Mechanismen, welche die aktive Kraftentwicklung
beeinflussen:
(a) Änderung der freien Ca++-Konzentration (pCa)
(b) Änderung des intrazellulären pH-Wertes
(c) Anreicherung von Phosphat in der Muskelzelle
Tabelle 2:
Beispiel für eine Reihe freier Calziumkonzentrationen:
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Relax: Aktiv [Ca++](µM)
pH=7,0
pCa
II
Relax: Aktiv [Ca++](µM)
pH=6,5
pCa
10:0
ca. 0.005
8.30
10:0
0.041
7.39
4: 6
0.923
6.03
8:2
1.51
5.82
3: 7
1.434
5.84
7:3
2.57
5.59
2: 8
2.447
5.61
4:6
8.91
5.05
1: 9
5.382
5.27
2:8
22.91
4.64
0:10 +
CaCl2Lsg.
79.61
4.10
0:10 +
CaCl2Lsg
147.91
3.83
Zusammensetzung der Lösungen:
10 mM Imidazol,, 1mM MgATP, 3mM EGTA (in Relaxierungs-Lösung) bzw. 3mM
CaEGTA (in Aktivierungs-Lösung)
10mM CrP, 100 U CPK, 10mM Coffein,
T = 5oC, pH 7.0, Ionenstärke 170mM (eingestellt mit Propionat)
Protokoll
D ia g
r a m m 2:
3 : K r a ft-p C a K e n n lin ie
100
90
80
Kraft [%]
70
60
50
40
30
20
10
0
9
8
7
6
pC a
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4 Muskelermüdung bei Haltearbeit
Vorbemerkung
In diesem Versuch soll die Abhängigkeit der maximalen Haltezeit von der Last, die ein
Muskel (hier der Unterarmbeuger = M. biceps brachii) trägt, bestimmt werden.
Außerdem sind der Einfluss der zu haltenden Last und der Effekt der muskulärer Ermüdung auf das Elektromyogramm Gegenstand des Experiments.
Versuchsablauf
Zu verteilende Aufgaben:
1. Versuchsperson
2. Wechseln der Gewichte (zwei Personen)
3. Messung der Haltezeit
4. EMG-Registrierung
Zwecks Erfassung des Elektromyogramms (EMG) werden 3 Elektroden aufgeklebt (Elektrodengel nicht vergessen!). Verwendet man zur Registrierung ein EKG-Gerät, bei
dem das Programm für die Ableitung I nach Einthoven eingestellt ist, sind die Elektroden wie folgt anzubringen:
1. Elektrode L (gelb): Innenseite des M. biceps brachii
2. Elektrode R (rot): Außenseite des M. biceps brachii
3. Elektrode N (schwarz): Innenseite des Unterarms oder andere bei dem Versuch nicht
muskulär aktive Körperpartie. Bei Elektrode N handelt es sich um die Erdungselektrode (N = Neutral).
Elektrodenkabel zugbelastungsfrei an ein EKG-Gerät anschließen.
Mittels dieser Oberflächenelektroden erfolgt eine bipolare Ableitung eines EMGs, bei
dem Summenaktionspotentiale der Muskelzellen des untersuchten Skelettmuskels erfasst werden.
Verschiedene Gewichte werden bei 90° Beugung des Ellenbogengelenkes (Oberarm
senkrecht, Ellenbogen aufgestützt) bis zur subjektiven Erschöpfung (höchstens aber 10
min) gehalten.
Gewichte ca. 2,5 - 20 kg, Anfangsgewicht: 2,5 oder 5 kg
Pausenlänge 3 min
Die Maximalkraft wird als erreicht angesehen, wenn das Gewicht nicht länger als
5 s gehalten werden kann.
II
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II
Belastung/Gewicht
Versuch zur Muskelermüdung
bei Haltearbeit
mind. 5 s
max. 10 min
7,5 kg
max. 10 min
5 kg
2,5 kg
0
0
3 min
Pause
10
13
3 min
Pause
Zeit
Abb. 4
Messungen
1) Haltezeiten
2) Elektromyogramm (EMG) einmal in Ruhe, bei Belastungsbeginn und kurz vor
Belastungsende (die Versuchsperson soll sich diesbezüglich äußern.
3) Ermitteln Sie einmal den Durchmesser des angespannten M. biceps brachii an
seiner dicksten Stelle, damit Sie sich Gedanken über die Maximalkraft pro Muskelquerschnittsfläche machen können.
Auswertung
1) Durchmustern der EMG-Streifen
Auswerten der Amplitude des Signals, d.h. Messen von je 5 großen Zacken zu Beginn
und am Ende jeder Belastungsstufe. Mittelwerte in das Protokoll eintragen!
2) Haltezeit
Die Haltezeit wird gegen das Gewicht aufgetragen. (Diagramm in diesem Skriptkapitel)
Welche Funktion liegt der Kurve näherungsweise zugrunde?
Ermitteln Sie den Kraftbereich, in dem keine Ermüdung zustande kommt (in Newton
(N) und in % der von der Vp erreichten Maximalkraft).
3) Maximale Kraft pro Muskelquerschnittsfläche
Errechnen Sie die Querschnittsfläche des angespannte M. biceps brachii des Probanden,
und errechnen Sie, welche Maximalkraft pro cm2 Muskelquerschnittsfläche erreicht
wurde. Vergleichen Sie Ihre Ergebnis mit in der Literatur zu findenden Angaben. Be-
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achten Sie dabei: 1. das Hebelgesetz, 2. den Verlauf der Muskelfasern im M. biceps
brachii.
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II
Protokoll: EMG-Amplitude bei Ermüdung des M. biceps brachii durch
Haltearbeit
Gewicht (kg) u.
Kraft (N)
Haltezeit
(s)
EMG
(mV)
Amplitude am Anfang
Masse [kg];
Kraft = Masse x Beschleunigung
Amplitude am Ende