Biofizika I. -2014. 12. 02. 03. Dr. Bugyi Beáta PTE ÁOK Biofizikai Intézet A KERESZTHÍD CIKLUSHOZ KAPCSOLÓDÓ ERŐKIEJTÉS egy kereszthíd ciklus során a miozin II fej elmozdulása: í ~10 nm 10 10 egy kereszthíd ciklus során kifejtett erő: í ~2 pn 2 10 a kereszthidak száma: N az akto-miozin kereszthidak száma függ: a vékony és vastag filamentumok közötti átfedés mértékétől a miozin II ATPázaktivitásától: á : 20 / kereszthíd ciklusidő: 1/ á ÖSSZES ERŐ: ö í IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS JELLEMZŐ PARAMÉTEREK az izom által kifejtett erő izom keresztmetszete az izomban ébredő mechanikai feszültség az izom hossza, hosszváltozása az izomösszehúzódássebessége az izom munkavégzése az izomösszehúzódáshozszükséges energia ~ í σ, ~ á é + ő az izom teljesítménye az izom hatásfoka hatásfok ~50 % ő PTE ÁOK Biofizikai Intézet - Bugyi Beáta 1
AZ IZOM, MINT EGYSZERŰ GÉP ORGATÓNYOMATÉK ~ erőhatás adott középpontra való forgatóképessége forgatónyomaték erőkar erő EGYSZERŰ GÉPEK (lejtő, ék, csavar, csiga, hengerkerék, emelő) EMELŐ: tengelykörülforgathatószilárdtest (villáskulcs, mérleghinta, talicska, kilincs, feszítővas, olló, lapát, IZMOK ) forgáspont ő ő ő ő ő teher teherkar erőkar erő AZ IZOM, MINT EGYSZERŰ GÉP teher forgáspont ():izület izom által kifejtett erő W: teher P: erőkifejtés : forgáspont 1. típusú emelő teher erő 2. típusú emelő teher erő példa mérleghinta talicska lapát erőátvitel kedvezőtlen vagy kedvező kedvező kedvezőtlen izom fej hátrabillentése alkar-könyökizülettriceps lábujjhegyre állás 3. típusú emelő teher erő legtöbb izom (azizmok közel tapadnak az izületekhez) alkar-könyökizület-biceps állkapocs-állkapocsizület TEHERKAR ÉS ERŐKAR VISZONYA TEHER ÉS ERŐ VISZONYA : MECHANIKAILAG KEDVEZŐTLEN : MECHANIKAILAG KEDVEZŐ AZ IZOM, MINT EGYSZERŰ GÉP 3. típusú emelő: biceps KÉRDÉS A legnagyobb erőt A) a bicepszfejti ki,miközben egy4kgtömegű tárgyattartunka vízszintes alkarral. B) a láb hátsó izmai fejtik ki, miközben egy 50 kg-os ember egy lábon lábujjhegyre áll. C) a nyak hátsó izmai fejtik ki, hogy a fejünket (5 kg) egyenesen tudjuk tartani. AZ IZOM, MINT EGYSZERŰ GÉP 3. típusú emelő: biceps Az alkarunkkal tartunk egy könyvet az ábrán látható elrendezésben. Akönyvésazalkaregyüttessúlyátabiceps ellensúlyozza.atricepsrelaxáltállapotbanvan. Mekkoraerőtfejtkiabiceps? Hányszor akkora ez az erő, mint a könyv és az alkar együttessúlya? Mekkoraakönyökizületrehatóerő? A bicepsz által kifejtett erő: 38 4 9.81 + 16 2.5 9.81 4 A könyv és az alkar súlya: ö 4 9.81 + 2.5 9.81. Hányszor nagyobb erőt fejt ki a bicepsz, mint a 470.!!! ö 63.7 MECHANIKAILAG KEDVEZŐTLEN Az izületre ható erő: ü ö PTE ÁOK Biofizikai Intézet - Bugyi Beáta 2
AZ IZOM, MINT EGYSZERŰ GÉP 2. típusú emelő: lábizom A lábizom által kifejtett erő: AZ IZOM, MINT EGYSZERŰ GÉP 1. típusú emelő: nyakizom A nyakizom által kifejtett erő: 16 50 9.81 12 5 50 2.5 Hányszor nagyobb erőt fejt ki a nyakizom, mint a Hányszor nagyobb erőt fejt ki a nyakizom, mint a 368. 500 25. 50 Egy50kg-osemberegylábon, lábujjhegyenáll. Mekkoraerőtfejtkialábizom? Mekkoraerő terheliazachillesinat? Mekkoraerő terheliabokaizületet? MECHANIKAILAG KEDVEZŐ Az Achilles ínra ható erő: 4 50 9.81 12 A bokaizületre ható erő: + A fej tömegközéppontja még egyenes állapotban sincs az elsődleges alátámasztási pont alatt (atlanto-occipitalis izület). Ezért a nyak hátsó izmainak erőt kell kifejteniük, hogy a fejet egyenesen tartsák. Ha ülve alszunk el ezek az izmokelernyednek,ezértesikelőreafejünk. Mekkoraerőtkellkifejteniükanyakhátsóizmainak? Mekkoraerő terheliazalátámasztásipontot(izület)? MECHANIKAILAG KEDVEZŐ Az atlanto-occipitalis izületre ható erő: ü + 50 + 25 ERŐ SZARKOMERHOSSZ DIAGRAMM ERŐ SEBESSÉG, TELJESÍTMÉNY SEBESSÉG DIAGRAMM ERŐ: í maximum erő (%) ERŐ: í : kifejtett erő (%) IZOMETRIÁS W = 0 J P: teljesítmény (%) max P max 100 % 100 % szarkomer hossz (µm) TERHELETLEN IZOTÓNIÁS W = 0 J 0 % 30% v max v: az összehúzódás sebessége (%) v max 0 % (lásd: rank Starling törvény: Az elő terhelés megnövekedése a pulzustérfogat megnövekedését eredményezi) PTE ÁOK Biofizikai Intézet - Bugyi Beáta 3
SZINERGIA A HAJLÍTÓ-, ÉS NYÚJTÓIZMOK KÖZÖTT LEXORS(hajlítóizom) & EXTENSOR(nyújtóizom) triceps (nyújtó) triceps kontrakció kar nyújtás biceps (hajlító) biceps kontrakció kar hajlítás négyfejű combizom (nyújtó) relaxáció gastrocnemius kontrakció gastrocnemius kétfejű lábikraizom (hajlító) kontrakció IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS IZOTÓNIÁS, IZOMETRIÁS, IZOKINETIKUS jellemző mechanikai feszültség = állandó hossz ~ energia ~ sebesség ~ példa IZOTÓNIÁS IZOMETRIÁS IZOKINETIKUS dinamikus gyakorlatok tömegemelés húzódzkodás súlyemelés futás a mozgásteljes ideje alatt erősíti az izmot, nem egyenletesen mechanikai feszültség ~ hossz = állandó energia ~ sebesség = 0 statikus gyakorlatok tömegtartás ülésegy képzeletbeli széken astatikus izomerőt fejleszti mechanikai feszültség ~ hossz ~ energia = állandó sebesség = állandó speciális eszköz: ellenállása változik az izomösszehúzódás során terápiás célok a mozgásteljes ideje alatt, erősíti az izmot, egyenletesen az izomerő növelésének leggyorsabb módja lábhajlítás láb nyújtás IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS AKCIÓS POTENCIÁL STIMULUS RECEPTOR POTENCIÁL AKCIÓS POTENCIÁL: a nyugalmi membrán potenciál időleges változása, amit annak visszaállásakövet. (lásd: akciós potenciál) Ca 2+ csatornák nyílása VÁZIZOM SZÍVIZOM IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS VÁZIZOM egyszeri ingerlés STIMULUS KONTRAKCIÓS VÁLASZ MINTÁZAT RÁNGÁS kontrakció & relaxáció gyors lassú páros ingerlés ÖSSZEGZŐDÉS S1: részleges összehúzódás az S2 stimulus érkezésekor: S1+S2 akciós potenciál ~ ms akciós potenciál ~ 250 ms többszöri ingerlés alacsony frekvencia LÉPCSŐZETES ÖSSZEGZŐDÉS INKOMPLETT TETANUSZ elektrokémiai események kontrakció összhangja (hatékony vérpumpa) idő előtti kontrakció elkerülése többszöri ingerlés magas frekvencia KOMPLETT TETANUSZ összefüggő kontrakció, relaxáció nélkül (patológiás eset, görcs, Clostridium tetani) PTE ÁOK Biofizikai Intézet - Bugyi Beáta 4
A SIMAIZOM ÖSSZEHÚZÓDÁSÁNAK MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSA MOLEKULÁK miozin aktin tropomiozin caldesmon, calmodulin miozin könnyű lánc kináz Ca 2+ ATP 1. stimulus 2. [Ca 2+ ] citoplazma 3. Ca 2+ a calmodulinhozköt és aktiválja (CaCM) 4. a. CaCM aktiválja a miozin könnyű lánc kinázt(mlck) 4. b. MLCKfoszforilációrévén aktiválja a miozint(miozin*) 5. a. CaCM kötődik a caldesmonhoz 5. b. a tropomiozin elmozdul az aktin filamentumon: szabad miozin II kötő hely 1. miozin* az aktin filamentumhoz kötődik 2. kereszthíd ciklus 3. kontrakció A SIMAIZOM ÖSSZEHÚZÓDÁSÁNAK MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSA IZOM ÉS BETEGSÉGEK VÉKONY ILAMENTUM MIOPÁTIA: = myo izom" + pathos szenvedés" IZOM ÉS BETEGSÉGEK VASTAG ILAMENTUM dilatált kardiomiopátia hipertrófiás kardiomiopátia PTE ÁOK Biofizikai Intézet - Bugyi Beáta 5