Biofizika I

Biofizika I 2013-2014

2014.12.03.

Biofizika I. - 2014. 12. 02. – 03. Dr. Bugyi Beáta PTE ÁOK Biofizikai Intézet

A KERESZTHÍD CIKLUSHOZ KAPCSOLÓDÓ ERŐKIFEJTÉS 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 ATPáz aktivitásától: kereszthíd ciklusidő: % 1/ á

á

"#$ #%&': 20

/#'*#$++ ,-./

ÖSSZES ERŐ: 0ö22342 5 ∗ 064742389í:

IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS – JELLEMZŐ PARAMÉTEREK az izom által kifejtett erő

~ ∗ í

izom keresztmetszete

;

az izomban ébredő mechanikai feszültség

σ

az izom hossza, hosszváltozása

; , ∆

az izomösszehúzódás sebessége

~

az izom munkavégzése

>?@ ABCAC ∗ ∆

á

az izomösszehúzódáshoz szükséges Dé?CAC >?@ ABCAC + G ő energia > J az izom teljesítménye I F∗ % % TUVWXYZ[\Y[ az izom hatásfoka L hatásfok

TUVWXYZ[\Y[]^Xő

PTE ÁOK Biofizikai Intézet - Bugyi Beáta

~ 50 %

1


2014.12.03.

AZ IZOM, MINT EGYSZERŰ GÉP

AZ IZOM, MINT EGYSZERŰ GÉP teher – forgáspont (F):izület – izom által kifejtett erő

FORGATÓNYOMATÉK ~ erőhatás adott középpontra való forgatóképessége forgatónyomaték erőkar d erő e &f d f

1. típusú emelő teher – F – erő

2. típusú emelő F – teher – erő

3. típusú emelő teher – erő – F

példa

mérleghinta

talicska

EGYSZERŰ GÉPEK (lejtő, ék, csavar, csiga, hengerkerék, emelő) EMELŐ: tengely körül forgatható szilárd test (villáskulcs, mérleghinta, talicska, kilincs,

erőátvitel

kedvezőtlen vagy kedvező

kedvező

kedvezőtlen

feszítővas, olló, lapát, IZMOK…)

izom

%-i-&gh& j -&őgh& → ő j

%-i-&gh& z -&őgh& → ő z

legtöbb izom (az izmok közel tapadnak az izületekhez)

forgáspont

eő e ő ∗ -&őgh& ∗ %-i-&gh& %-i-&gh& ő ∗ -&őgh&

teher

%-i-&gh& z -&őgh& → ő z

erő teherkar

lapát

erőkar

W: teher P: erőkifejtés F: forgáspont

fej hátrabillentése alkar-könyökizülettriceps

%-i-&gh& j -&őgh& → ő j

lábujjhegyre állás

alkar-könyökizület-biceps állkapocs-állkapocsizület

TEHERKAR ÉS ERŐKAR VISZONYA TEHER ÉS ERŐ VISZONYA %-i-&gh& j -&őgh& → ő j : MECHANIKAILAG KEDVEZŐTLEN %-i-&gh& z -&őgh& → ő z : MECHANIKAILAG KEDVEZŐ ☺

AZ IZOM, MINT EGYSZERŰ GÉP – 3. típusú emelő: biceps

AZ IZOM, MINT EGYSZERŰ GÉP – 3. típusú emelő: biceps

KÉRDÉS

A bicepsz által kifejtett erő: ? 38 } ∗ 4 g ∗ 9.81 + 16 } ∗ 2.5 g ∗

A legnagyobb erőt…

9.81 C? ∗ 4} 03 5 ↑

?

A) a bicepsz fejti ki, miközben egy 4 kg tömegű tárgyat tartunk a vízszintes alkarral.

F

A könyv és az alkar súlya: ? 06ö]67 4 g ∗ 9.81 + 2.5 g ∗ ?

9.81 . 5 ↓

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 alkarunkkal tartunk egy könyvet az ábrán látható elrendezésben. A könyv és az alkar együttes súlyát a biceps ellensúlyozza. A triceps relaxált állapotban van. Mekkora erőt fejt ki a biceps? Hányszor akkora ez az erő, mint a könyv és az alkar együttes súlya? Mekkora a könyökizületre ható erő?

Hányszor nagyobb erőt fejt ki a bicepsz, mint a megtartandó tárgy súlya? 03 470 . ‼! 06ö]67 63.7 MECHANIKAILAG KEDVEZŐTLEN

http://openstaxcollege.org


Az izületre ható erő: 03ü48 C@ öB]AA 5 ↑

2


2014.12.03.

AZ IZOM, MINT EGYSZERŰ GÉP – 2. típusú emelő: lábizom

AZ IZOM, MINT EGYSZERŰ GÉP – 1. típusú emelő: nyakizom

A lábizom által kifejtett erő:

A nyakizom által kifejtett erő:

C? ∗ 16 } 50 g ∗ 9.81 ∗ 12 } J 03 5 ↑

C? ∗ 5 } 50 ∗ 2.5 } 03 ¤¥ ¦ ↓ Hányszor nagyobb erőt fejt ki a nyakizom, mint a megtartandó tárgy súlya?

Hányszor nagyobb erőt fejt ki a nyakizom, mint a megtartandó tárgy súlya? 03 368 . 08428 500 F

@ C ∗ 4 } 50 g ∗ 9.81


MECHANIKAILAG KEDVEZŐ

MECHANIKAILAG KEDVEZŐ Az Achilles ínra ható erő:

Egy 50 kg-os ember egy lábon, lábujjhegyen áll. Mekkora erőt fejt ki a lábizom? Mekkora erő terheli az Achilles inat? Mekkora erő terheli a bokaizületet?

03 25 . ¥ 50 0§4¨

F

0 ¡942 ¢¢5 ↑

Az atlanto-occipitalis izületre ható erő: ∗ 12 } J

A bokaizületre ható erő: 0£6 @ C + C? ¢ 5 ↓

ERŐ – SZARKOMERHOSSZ DIAGRAMM ERŐ: 0 5 ∗ 064742389í:

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 izmok elernyednek, ezért esik előre a fejünk. Mekkora erőt kell kifejteniük a nyak hátsó izmainak? Mekkora erő terheli az alátámasztási pontot (izület)?

03ü48 ©ª + C? 50 + 25 ¥ ¦ ↑


ERŐ – SEBESSÉG, TELJESÍTMÉNY – SEBESSÉG DIAGRAMM ERŐ: 0 5 ∗ 064742389í:

maximum erő (%)

IZOMETRIÁS W=0J

F: kifejtett erő (%) 100 %

Fmax

P: teljesítmény (%) Pmax 100 %

TERHELETLEN IZOTÓNIÁS W=0J

szarkomer hossz (µm)

0% 30% vmax

0% vmax

v: az összehúzódás sebessége (%) (lásd: Frank–Starling törvény: Az elő terhelés megnövekedése a pulzustérfogat megnövekedését eredményezi)


3


2014.12.03.

SZINERGIA A HAJLÍTÓ-, ÉS NYÚJTÓIZMOK KÖZÖTT

IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS – IZOTÓNIÁS, IZOMETRIÁS, IZOKINETIKUS

FLEXORS (hajlítóizom) & EXTENSOR (nyújtóizom) triceps (nyújtó)

biceps (hajlító)

IZOTÓNIÁS

triceps kontrakció

biceps kontrakció

quadriceps femoris relaxáció

kar nyújtás

quadriceps femoris kontrakció

mechanikai feszültség ~ hossz = állandó energia ~ sebesség = 0

mechanikai feszültség ~ hossz ~ energia = állandó sebesség = állandó

példa

dinamikus gyakorlatok „tömegemelés” húzódzkodás súlyemelés futás

statikus gyakorlatok „tömegtartás” ülés egy képzeletbeli széken

speciális eszköz: ellenállása változik az izomösszehúzódás során terápiás célok

a mozgás teljes ideje alatt erősíti az izmot, nem egyenletesen

a statikus izomerőt fejleszti

a mozgás teljes ideje alatt, erősíti az izmot, egyenletesen az izomerő növelésének leggyorsabb módja

gastrocnemius kontrakció

kar hajlítás

lábhajlítás

láb nyújtás

IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS – AKCIÓS POTENCIÁL

IZOMÖSSZEHÚZÓDÁS – VÁZIZOM

STIMULUS – RECEPTOR POTENCIÁL – AKCIÓS POTENCIÁL: a nyugalmi membrán potenciál időleges változása, amit annak visszaállása követ. (lásd: akciós potenciál) Ca2+ csatornák nyílása VÁZIZOM

SZÍVIZOM

STIMULUS

lassú

KONTRAKCIÓS VÁLASZ

egyszeri ingerlés

RÁNGÁS kontrakció & relaxáció

páros ingerlés

ÖSSZEGZŐDÉS S1: részleges összehúzódás az S2 stimulus érkezésekor: S1+S2

többszöri ingerlés alacsony frekvencia

LÉPCSŐZETES ÖSSZEGZŐDÉS INKOMPLETT TETANUSZ

többszöri ingerlés magas frekvencia

KOMPLETT TETANUSZ összefüggő kontrakció, relaxáció nélkül (patológiás eset, görcs, Clostridium tetani)

gyors

akciós potenciál ~ ms

IZOKINETIKUS

mechanikai feszültség = állandó hossz ~ energia ~ sebesség ~

quadriceps femoris négyfejű combizom (nyújtó) gastrocnemius kétfejű lábikraizom (hajlító)

IZOMETRIÁS

jellemző

MINTÁZAT

akciós potenciál ~ 250 ms

elektrokémiai események – kontrakció összhangja (hatékony vérpumpa) idő előtti kontrakció elkerülése


4


2014.12.03.

A SIMAIZOM ÖSSZEHÚZÓDÁSÁNAK MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSA

A SIMAIZOM ÖSSZEHÚZÓDÁSÁNAK MOLEKULÁRIS MECHANIZMUSA

MOLEKULÁK miozin aktin tropomiozin caldesmon, calmodulin miozin könnyű lánc kináz Ca2+ ATP 1. stimulus 2. [Ca2+]citoplazma↑ 3. Ca2+ a calmodulinhoz köt és aktiválja (CaCM) 4. a. CaCM aktiválja a miozin könnyű lánc kinázt (MLCK) 4. b. MLCK foszforiláció révén 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

IZOM ÉS BETEGSÉGEK – VÉKONY FILAMENTUM MIOPÁTIA: = myo „izom" + pathos „szenvedés"


IZOM ÉS BETEGSÉGEK – VASTAG FILAMENTUM dilatált kardiomiopátia hipertrófiás kardiomiopátia

5

Biofizika I

Recommend Documents