Myograph

29.05.2006
Melanie Thompson
Tierphysiologisches Praktikum Sommersemester 2006
- Versuch IX: Myograph, durchgeführt am 24.05.2006 Gruppe XII Mittwoch morgens
Einleitung
Das Nervensystem eines Organismus hat die Aufgabe elektrische Signale (oder auch
Aktionspotentiale) zu verrechnen, fortzuleiten und zu übertragen, hierfür sind die Neuronen
zuständig, die ihrer Aufgabe
entsprechend charakteristische
Strukturen besitzen: Dendriten –
dienen der Aufnahme von
Aktionspotentialen (kurz APs), Soma
– enthält den Zellkern der Neurone,
und verrichtet alle lebenswichtigen
Aufgaben für das Neuron und das Axon – übernimmt die Fortleitung von Informationen über
längere Strecken.
Auch Muskelbewegungen werden im ganzen Tierreich, bis auf wenige Ausnahmen, durch
Neurone kontrolliert.
Diese Neurone nennt man Motoneurone, da ihre Axone Muskelfasern innervieren.
Die Skelettmuskulatur der Wirbeltiere wird
durch Motoneuronen des Rückenmarks
gesteuert.
Jede Muskelfaser wird von einem
Motoneuron innerviert, wobei sich die
Motoneuronen auf mehrere hundert
Muskelfasern verzweigen, diese
Aufspaltungen des Axons werden als
Kolaterale bezeichnet.
Die Gesamtheit aus Motoneuron und die von
ihm innervierten Muskelfasern bezeichnet
man als motorische Einheit.
Skelettmuskeln bestehen aus mehreren
hundert motorischen Einheiten, wobei alle Muskelfasern einer motorischen Einheit zum
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selben Typus (entweder slow, fast-fatigable oder fast fatigue resistant) gehören und sich ein
Skelettmuskel zu unterschiedlichen Anteilen aus allen drei Muskelfasertypen zusammensetzt.
Möchte ein Organismus (hier ein Wirbeltier) eine Bewegung vollziehen, so beginnt diese im
prämotorischen Cortex.
Der dort entstandene Impuls wird über die Pyramidenbahnen an die im Dorsalganglion des
Rückenmarks liegenden Motoneuronen weitergeleitet.
Aktionspotentiale entstehen immer am Axonhügel, da dort die Summation der einkommenden
postsynaptischen Potentiale stattfindet und hier die Schwelle zur Entstehung eines APs aus
zwei Gründen am niedrigsten ist, zum einen, weil sich an dieser Stelle die ersten
spannungsabhängigen Ionenkanäle befinden, und zum anderen, weil dort die Myelinscheide
erst beginnt.
Ein Aktionspotential wird typischer Weise durch eine elektrotonische Depolarisation
ausgelöst, die in einem Dendriten oder im Soma aufgetreten und entlang der Membran zum
Axon gelangt ist.
Ein Muskel-AP entsteht immer nach dem „Alles oder Nichts“-Prinzip, hierbei muss ein
bestimmter Schwellenwert überschritten werden, andernfalls entsteht kein Aktionspotential.
Wird diese Schwelle jedoch überschritten, so ist es nahezu vollkommen egal, wie weit sie
überschritten wurde, ein AP entsteht in jedem Fall, oder anders: Die Amplitude des
Aktionspotentials wird nicht durch die Reizamplitude bestimmt.
Das Axon ist für die Erregungsfortleitung verantwortlich, dabei wandert ein Aktionspotential
nicht im eigentlichen Sinne, sondern wird immer wieder sequenziell entlang des Axons
aufgebaut.
Es gibt im Wesentlichen zwei Möglichkeiten die Geschwindigkeit der Erregungsfortleitung
zu verbessern:
1. Durch Vergrößerung des Axon-Durchmessers (bspw. bei Riesenaxonen), dieser
bewirkt eine Abnahme des Längenwiderstandes, was darin resultiert, dass der
Schwellenwert zur Bildung eines APs auch noch in entfernteren Abschnitten
überschritten wird, die Leitungsgeschwindigkeit wird erhöht.
2. Durch Abschnittsweise Myelinisierung, durch die Isolierung der Fasern durch
Schwann’sche Zellen nimmt der Querwiderstand der Membran deutlich zu, Ströme
quer zur Membran werden unterdrückt. An den Ranvier’schen Schnürringen wird das
AP wieder aufgefrischt, was zu einer saltatorischen, schnelleren Erregungsleitung
führt.
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Die Höchstfrequenz und Ausbreitungsrichtung für aufeinander folgende APs wird durch die
Refraktärzeit vorgegeben.
Als Refraktärzeit bezeichnet man den Zeitraum nach einem AP, in dem kein weiteres
Aktionspotential ausgelöst werden kann, da während dieser Zeit das Neuron nicht auf eine
Depolarisation reagieren kann.
Das Nervensystem hat trotz dem „Alles oder Nichts“-Prinzip und dem Vorhandensein von
Refraktärzeiten die Möglichkeit zwischen starken und schwachen Reizen zu unterscheiden,
dies über die Tatsache, dass starke Reize eine höhere Frequenz von APs bedingen als
schwächere Reize.
So generiert das Neuron auf einen starken Reiz also zahlreiche Aktionspotentiale, die
maximal so schnell aufeinander folgen können, wie es die Refraktärzeit erlaubt.
Die Reizstärke wird damit durch die Zahl der Impulse pro Sekunde – die Frequenz der APs –
und nicht durch deren Amplitude codiert.
Auch ein Muskel hat die Möglichkeit graduelle Abstufungen der Kontraktionskraft
vorzunehmen, dies über zwei Möglichkeiten:

Zum einen, wie eben erwähnt durch die Veränderung der Frequenz der
nervenaktionspotentiale,

zum anderen durch die Rekrutierung einer zunehmenden Anzahl von motorischen
Einheiten, wobei sich durch das Ansprechen besonderer Muskelfasertypen die
Kontraktionskraft auch qualitativ variieren lässt
Bei der Rekrutierung „wählt“ das Nervensystem aus, wie viele motorische Einheiten zu jedem
Zeitpunkt aktiviert werden und ob große oder kleine motorische Einheiten angesprochen
werden.
Außerdem ist es möglich, die Spannung eines Muskels sequenziell zu erhöhen, indem eine
zunehmend größere Zahl von Motoneuronen aktiviert wird.
Kommt ein Aktionspotential nun an das „Ende“ eines Neurons gelangt es zur Synapse.
Im Falle einer motorischen Einheit wird der synaptische Kontakt zwischen Motoneuron und
der Skelettmuskelfaser als motorische Endplatte bezeichnet.
Ein Ankommendes Aktionspotential löst hierbei einen Ca2+ Einstrom aus, der nicht nur in
Richtung seines elektrischen, sondern auch in Richtung seines chemischen Gradienten in die
Zelle einfließt.
Aufgrund dieses Ca2+-Einstroms verschmelzen die synaptischen Vesikel mit der
präsynaptischen Membran und entleeren ihren Inhalt, den Neurotransmitter Acetylcholin, in
den synaptischen Spalt.
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Die subsynaptische Membran der Muskelfaser weißt querverlaufende Einfaltungen auf, in die
rezeptorgesteuerte Ionenkanäle eingelagert sind.
Bindet Acetylcholin an den Rezeptor verändert sich die Membranleitfähigkeit und es kommt
zu einer Depolarisation der subsynaptischen Membran.
Dieses lokale amplitudengraduierte postsynaptische Potential (PSP), wirkt hier erregend und
wird Endplattenpotential (EPP) genannt.
In der Regel ist es überschwellig und löst ein Muskelaktionspotential aus.
Die Ausschüttungen von Acetylcholin, die durch Nervenaktionspotentiale bedingt waren,
führen physiologisch stets genau zu einem Muskelaktionspotential.
Das Muskelaktionspotential breitet sich von der motorischen Endplatte über das gesamte
Sarkolemm bis zu den beiden Faserenden aus.
Über Einstülpungen gelangt das AP in die Tiefe der Muskelfaser, wo es in Kontakt mit dem in
Faserrichtung ausgerichteten sarkoplasmatischen Reticulum, dem Calciumspeicher der
Muskelzelle, in Verbindung kommt.
Das ankommende AP sorgt dafürt, dass aus dem sarkoplasmatischen Reticulum Ca2+ in das
Sarkoplasma abgegeben wird, damit steigt die Ca2+-Konzentration von 10-7 auf 10-5m an und
bedingt die eigentliche Muskelkontraktion.
Wichtig zum Verständnis des Ablaufes einer Kontraktion ist zunächst der Aufbau eines
Muskels.
Ein Muskel ist aufgebaut aus mehreren Muskelfaserbündeln, welche wiederum
zusammengesetzt sind aus einzelnen Muskelfasern.
Eine Muskelfaser enthält viele Myofibrillen, die aus Aneinanderreihungen von Sarkomeren
zusammengesetzt sind.
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Ein Sarkomer wird eingegrenzt durch
sog. Z-Scheiben, diese Verlaufen
senkrecht zur Faserrichtung.
Ein Sarkomer enthält dünne und dicke
Filamente.
Die dünnen Filamente sind aus Actin
und Tropomyosin, die dicken aus
Myosin aufgebaut.
Den eigentlich kontraktilen Apparat in
den Muskeln bilden die aus Aktin
aufgebauten Mikrofilamente.
In jeder Muskelzelle liegen Tausende
von Actinfilamenten der Länge nach
parallel nebeneinander, wobei sich in
deren Zwischenräumen dickere Filamente aus dem Protein Myosin befinden.
Zur Kontraktion kommt es, weil die Actin- und Myosinfilamente aneinander vorbeigeleiten,
wodurch die Zelle kürzer wird.
Verkürzt sich ein Muskel, so verkürzt sich dabei jedes Sarkomer, wobei sich damit auch der
Abstand von einer Z-Scheibe zur nächsten verkleinert.
Das Verhalten, welches Aktin und Myosin an den Tag legen wird durch die
Gleitfilamenttheorie erklärt, diese besagt, dass bei einer Muskelkontraktion weder die Länge
der dicken noch der dünnen Filamente verändert wird.
Die Filamente gleiten vielmehr in Längsrichtung aneinander vorbei, wodurch sich die
Überlappungsbereiche vergrößern.
Das Gleiten der Filamente beruht auf einer Wechselwirkung zwischen Actin- und
Myosinmolekülen.
Das Myosinmolekül besteht aus einem langen, helikalen „Schwanz“ und einem globulären
„Kopf“, welcher seitlich absteht.
Das dicke Filament wird durch zahlreiche, an ihren „Schwanzenden“ aneinander liegenden
Myosinmolekülen gebildet.
Die Reaktion, die Energie liefert findet am Kopf des Myosinmoleküls statt, dieser ist nämlich
in der Lage ATP zu binden und in ADP und anorganisches Phosphat zu hydrolysieren
(ATPase-Aktivität des Myosins).
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Ein Teil dieser Energie überträgt sich auf das Myosin, woraufhin es eine
Konformationsänderung erfährt.
Der gespannte Myosinkopf bindet an eine spezifische
Stelle am Aktin und bildet so eine Querbrücke zwischen
Aktin und Myosin („Actomyosin-Komplex“).
Wird die gespeicherte Energie freigesetzt, so geht der
Myosinkopf wieder in seine ursprünliche Konformation
über, wodurch sich der Winkel verändert, unter dem der
Kopf an den Schwanz gebunden ist.
Bei dem Vorgang des Umklappens wird eine Kraft auf
das Aktinfilament ausgeübt, und dieses in Richtung des
Zentrums des Sarkomers gezogen.
Die Bindung zwischen Myosin und Aktin wird wieder
gelöst, wenn erneut ein Molekül ATP am Myosinkopf
bindet und er Zyklus von neuem beginnt.
Fehlt ATP gänzlich, so kann die Bindung zwischen
Aktin und Myosin nicht gelöst werden, dieses Phänomen
bezeichnet man als Totenstarre oder Rigor mortis.
Neben diesen aktiven kontraktilen Komponenten hat ein
Muskel auch passive mechanische Eigenschaften.
Diese lassen sich zusammenfassen zu serienelastischen
(bspw. Endsehnen) und parallelelastischen (bspw. Sarkolemma) Komponenten.
Befindet sich der Muskel vor der Kontraktion in Ruhelage, so werden bei einer Kontraktion
zunächst die serienelastischen Elemente vorgespannt, bis die Gewichtskraft der zu
bewegenden Gließmaßen erreicht ist.
Dieser Vorgang vollzieht sich nach einer auxotonischen Kontraktion, wobei sich der Muskel
sowohl anspannt als auch verkürzt.
Die serienelastischen Elemente werden erst in der Erschlaffungsphase der Kontraktion wieder
entspannt.
Kommt es jedoch zu einem zweiten Aktionspotential bevor die Erschlaffungsphase
abgeschlossen ist, müssen sich die serienelastischen Elemente nicht mehr vordehnen, die
Kontraktionen summieren sich zu tetanischen Kontraktionen.
Als nächstes kommt es zu einer isotonischen Kontraktion, hierbei verkürzen sich die
kontraktilen Elemente weiter, ohne dass sich der Spannungszustand des Muskels ändert.
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Darauf folgt eine isometrische Kontraktion, hier kann sich der Muskel makroskopisch nicht
mehr verkürzen, da die Muskelenden vollständig fixiert sind.
Verkürzungen der kontraktilen Elemente auf molekularer Ebene setzen die Kontraktion über
Anspannung der serienelastischen Elemente in Kraft um.
Oder anders ausgedrückt, der Spannungszustand des Muskels ändert sich, ohne, dass sich der
Muskel selbst verkürzt.
Material und Methoden
In diesem Versuch sollen Informationen über den Ablauf neuromuskulärer Vorgänge
gewonnen werden, wobei der Daumen eines Probanden in eine spezielle Apparatur
eingespannt wird, die diesen Test ohne Tierverbrauch möglich macht.
Der Daumen wird dann einer Reihe von Test ausgesetzt, die sich wie folgt zusammensetzen:
1. Ein Einzelreiz von 10mA, der den zeitlichen Verlauf einer Einzelzuckung
wiedergeben soll
2. steigende Reize mit einer Ausgangsamplitude von 8mA und einer Endamplitude von
16mA, die die Rekrutierung von Motoneuronen verdeutlichen sollen
3. Doppelreize von 9mA, die in immer kürzeren Abständen zueinander kommen und den
Weg zum Tetanus verdeutlichen sollen
4. Tetanus, mehrere Reize von 8,5mA die einen glatten Tetanus provozieren sollen
5. Isotonische Maxima, bei einer Amplitude von 10,5mA wird die Kontraktion unter
unterschiedlichen Dehnungszuständen gemessen
6. Isometrische Maxima, der Kraftanstieg zum Zeitpunkt einer Dehnung wird bei einer
Amplitude von 10,5mA gemessen
Die Hebellänge der Probandin betrug 8,8cm, der Muskelradius 6,3cm.
Gereizt wird kathodisch.
Die Vorgänge werden dann im Computer aufgezeichnet und weitestgehend ausgewertet.
Ergebnisse
Siehe Graphen im Anhang
1. Versuch – Seite 1
2. Versuch – Seite 2+3
3. Versuch – Seite 4+5
4. Versuch – Seite 6+7
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5. Versuch – Seite 8+9
6. Versuch – Seite 10+11
Auswertung
1. Versuch
Seite 1 zeigt die drei, vom Myographen aufgezeichneten Kurven
Die erste gibt den zeitlichen Verlauf einer Einzelzuckung wider, wobei die y-Achse die Kraft,
und die x-Achse die Zeit darstellt.
Der zweite Graph zeigt den zeitlichen Verlauf des EMG (Summenaktionspotential vom
Muskel) und der dritte den zeitlichen Verlauf des PMG (Phonomyogramm).
Zu erkennen ist, dass die Einzelzuckung bei ca. 0,025ms beginnt, etwa 0,208ms anhält und
nach knapp 0,250ms abflacht.
Zieht man den Vergleich zum EMG, so ist schon mit dem bloßen Auge zu erkennen, dass das
Summenaktionspotential etwas zeitverzögert zur Einzelzuckung einsetzt.
Die Verzögerung beträgt hierbei etwa 0,01ms.
Diese zeitliche Differenz lässt sich über die Latenzzeit erklären.
Die Latenz- oder Totzeit umfasst die Zeit, die vergeht nachdem ein Reiz auftrifft bis zur
Auslösung eines hieraus resultierenden Aktionspotentials.
2. Versuch
In diesem Versuch wurden steigende Reize mit einer Anfangsamplitude von 8mA und einer
Endamplitude von 16mA induziert.
Seite 2 (Anhang) zeigt erneut drei Kurven.
Die erste Kurve stellt erneut den zeitlichen Verlauf einer Einzelzuckung dar, jedoch
überlagert durch die Einzelzuckungen je nach Amplitudenhöhe.
Zu erkennen ist, dass weder die Kontraktionsdauer noch die Lage der Amplitude
Reizstärkeabhängig ist.
Die Kontraktionsamplitude wächst, die Kraft nimmt zu und auch das Summenpotential erhöht
sich, dennoch verändert sich die Lage der Amplitude über alle Reizstärken nicht, genau wie
die Dauer der Einzelzuckung und auch die Lage des EMG, was man wunderbar an der dichten
Überlagerung der einzelnen Spitzen erkennen kann.
Das Maximum bewegt sich hier in einem Bereich von ca. 2,75 Kraft/N bis 8,2 Kraft/N.
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Das EMG zeigt ein fortwährend gleiches Ergebnis, dies spricht für das „Alles oder Nichts“Prinzip, dass das Überschreiten einer Schwelle ein AP auslöst, es jedoch vollkommen
irrelevant ist, wie stark diese Schwelle überschritten wurde.
Seite 3 des Anhangs zeigt die Auftragung der Kontraktionen bei veränderter Reizstärke.
Zu erkennen ist, dass diese Auftragung der Kontraktionen nahezu linear verläuft, gegen Ende
jedoch langsam in eine Stagnation übergeht, also keine stärkere Kontraktion erzielt werden
konnte.
Dieser Versuch zeigt recht anschaulich, wie durch Rekrutierung von weiteren Motoneuronen
und Anstieg der Frequenz von Dauerkontraktionen eine größere Kraft erzielt werden kann.
3. Versuch
In diesem Versuchsteil wird die Probandin einem Doppelreiz von jeweils 9mA
Amplitudenhöhe ausgesetzt.
Hierbei ist die Reizamplitude von großer Bedeutung, da sich, wie auf Seite 4 im Anhang zu
erkennen, die Reize, je näher sie einander zeitlich kommen, überlagern, empfindet die
Probandin zwei Reize, die sehr nah nacheinander kommen stärker, als sie sie empfinden
würde, wenn der Abstand größer wäre.
Die Reizfrequenz betrug in diesem Fall zunächst 2Hz, was zwei Ereignissen pro Sekunde,
bzw. pro 1000ms entspricht.
Die zwei Ereignisse liegen damit 500ms auseinander.
Bei dieser Frequenz waren die zwei Reize noch als Einzelreize durch die Probandin zu
erkennen.
Ab einer Reizfrequenz von 500Hz konnte die Probandin subjektiv keine zwei Reize, sondern
nur noch einen erfühlen.
Ab diesem Zeitpunkt war auch nur noch ein EMG zu erkennen, da die Refratärzeit des
Motoneurons erreicht war.
Seite 5 des Anhangs zeigt diesen Umstand recht deutlich.
Das Maximum gibt den letzten Zeitpunkt an, an dem noch zwei Reize spürbar und die
Kontraktion damit sehr stark war.
Ab ca. 500Hz fällt die Kurve, da, wie gesagt, die Refraktärzeit des Motoneurons erreicht war
und die Kontraktion des Muskels nicht mehr so stark ausfiel, da quasi nur noch ein
verhältnismäßig schwacher Reiz von 9mA auf ihn einwirkte.
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4. Versuch
In diesem Teilversuch werden mehrere Reize von 8,5mA Amplitude hintereinander gegeben
um einen Tetanus zu provozieren.
Ein Tetanus ist die Summation von Kontraktionen.
Dies ist beim Skelettmuskel möglich, da die Kontraktionsdauer 100 Mal länger ist als das AP
und die Refraktärzeit zusammen.
Da das AP also relativ kurz ausfällt, ist auch die anschließende Refraktärzeit relativ kurz, und
ein neues AP kann eintreffen, ohne, dass die vorangegangene Kontraktion schon in ihre
Erschlaffungsphase übergegangen ist.
Wie auf Seite 6 im Anhang zu erkennen, kommen die Reize zunächst im Abstand von 35ms,
ab einer Reizfrequenz von 30Hz (also 30 Ereignissen pro 1000ms) ist ein glatter Tetanus zu
erkennen, der Muskel hat keine Zeit zu erschlaffen, bevor das nächste Aktionspotential
eintrifft, es kommt zu Dauerkontraktionen.
Auch hier ist auf Seite 7 im Anhang zu erkennen, dass die Kontraktionen relativ linear
ansteigen und ihr Maximum im Tetanus erlangen.
5. Versuch
Dieser Versuchsteil beschäftigt sich mit Kontraktionen unter unterschiedlichen
Dehnungszuständen.
Bei einer Dehnung wird die Anzahl der Myosinköpfchen, die mit dem Aktin wechselwirken
und damit Kraft erzeugen können geringer.
Die Amplitude betrug in diesem Fall 10,5mA, der Anfangswert der Dehnung betrug 5N der
Endwert 17N.
Die obere Kurve auf Seite 8 im Anhang zeigt die Kraft, die auf den Daumen ausgeübt wird,
die untere die Länge, die er durch die Kraftausübung annimmt.
Dieser Versuch zeigt also, die Muskelverkürzung, ohne, dass eine Spannungsänderung
stattgefunden hat.
Sehr gut ist dies auch auf Seite 9 im Anhang zu erkennen, wo die Ruhedehnungen, und die
isotonischen Maxima recht dicht beieinander liegen.
6. Versuch
In diesem Versuchsteil bleibt die Länge des Muskels Konstant, jedoch wird die angelegte
Spannung erhöht.
Es wird der Kraftanstieg zum Zeitpunkt der Dehnung gemessen.
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Die Amplitude betrug in diesem Fall erneut 10,5mA.
Wie auf Seite 10 im Anhang zu erkennen ist, bleibt die Länge (untere Graphik) je
Versuchsdurchlauf konstant.
Die Kraft, die auf den Muskel einwirkt, steigt bei jedem Versuchsdurchlauf an(obere
Graphik).
Auch Seite 11 zeigt recht deutlich, wie der Kraftanstieg im Verhältnis zur Ruhedehnung
verläuft.
Der hier aufgezeichnete Kraftanstieg verdeutlicht die Dehnung der elastischen Elemente.
Diese elastischen Elemente dehnen sich, wenn der Muskel keine weitere Dehnung mehr
ausführen kann, und dies ist der hier registrierte Kraftanstieg.
Literaturhinweise

Praktikumsskript Tierphysiologischer Kurs, Institut für Ökologie, Evolution
und Diversität, Johann-Wolfgang-Goethe Universität Frankfurt am Main, 2006

Neil A. Campbell, Jane B. Reece, Biologie, 6. Auflage, Spektrum
Akademischer Verlag, Heidelberg – Berlin, 2003

Heldmaier, Neuweiler, Vergleichende Tierphysiologie, 1. Auflage, Springer
Verlag, Berlin – Heidelberg – New York, 2003

Wikipedia (http://de.wikipedia.org/wiki/Hauptseite)
Bestätigung
Hiermit bestätige ich, dass ich dieses Protokoll selbstständig verfasst habe und keine
anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet habe.
Melanie Thompson, Gruppe XII
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