college 3 Flashcards
(31 cards)
Het maximale vermogen dat een maximaal geactiveerde spier kan leveren is een functie van: Spierdwarsdoorsnede Het product van Vmax en spierlengte Spierlengte Spiervolume
D
hoe kan je een spier vergelijken met veertjes?
Het contractiele element is meer dan een lange veer die uitgerekt wordt, want bij een heel kleine supersnelle opgelegde verkorting zakt de kracht niet een klein beetje in (wat zou zijn gebeurd met een zuivere veer), maar gaat deze zelfs helemaal terug naar 0 (hetgeen suggereert dat datgene dat voor de kracht zorgt heel kort is, zoals onder c). Echter, na het terugvallen van de kracht naar nul bouwt hij weer op. Dit is ook niet in overeenstemming met het model van een zuivere veer (b) maar ook niet met het model van allemaal parallelle zuivere veertjes (model in c)
wat gebeurt er in een zuiver isometrische situatie ?
- De kop van het myosine (S1) trekt aan (kantelt over) het actine waarbij de ‘veer’ (S2) op rek komt en er kracht wordt uitgeoefend.
Het kantelen van de kop wordt ook wel de powerstroke genoemd. Na deze kanteling zal S1 weer loskoppelen van actine en vervolgens, na teruggekanteld te zijn naar positie i, weer razendsnel opnieuw binden aan actine. Dit is de situatie tijdens een zuiver isometrische contractie (actine verplaatst zich niet t.o.v. myosine), er vinden miljoenen koppelingen en ontkoppelingen per seconde plaats.
We weten ook dat kracht geleverd wordt door
rotatie van S1- en rek van S2-myosinemoleculen
en kennelijk is dit afhankelijk van de snelheid van
spiercontractie. Hoe komt dit?
De snelheidsconstante van koppelen wordt aangegeven met de letter f en die van ontkoppelen (waar ATP bij nodig is) met de letter g (g+wordt ook wel met g1 weergegeven). Onder fysiologische omstandigheden verloopt de cross bridge cyclus alleen met de wijzers van de klok mee.
Als ATP op de kopjes (S1) van het myosine splitst in ADP en Pi (inorganic phosphate), wordt een volgende powerstroke mogelijk. Vervolgens verlaat eerst (voor het omklappen van de kopjes) Pi de kop en na de powerstroke (omklappen) ook ADP. Ontkoppeling vindt pas plaats na aanhechting van ATP op de myosinekopjes.
Tijdens een maximale isometrische contractie geldt: f:g=4:1
Welk percentage cbs zijn gemiddeld aangehecht tijdens een maximale isometrische contractie?
80%
Wat is tijdens een isometrische contractie het percentage cb’s dat op elk moment is aangehecht indien zou gelden dat:
f:g1=3:1
75%
Hoe komt het dat kracht lager is tijdens een concentrische contractie
dan tijdens een isometrische contractie?
- De kop van het myosine (S1) trekt aan (kantelt over) het actine, waarbij de ‘veer’ (S2) op rek komt en er kracht wordt uitgeoefend.
Deze kracht is het grootst tijdens een isometrische contractie, als actine niet kan verschuiven t.o.v. myosine. Als actine verschuift (zoals in de figuur aangegeven met de pijl) en de spier dus verkort, dan wordt een deel van de rek in S2 opgeheven terwijl S1 aan actine zit. Dit betekent dus dat tijdens de verkorting de kracht lager is. - Sommige aangehechte crossbridges zullen er tijdens verkorten niet in slagen om op tijd los te koppelen en gaan een tegenwerkende kracht genereren.
- Bovendien zullen er tijdens verkorting op ieder moment minder crossbridges kans zien aan te hechten (het is lastiger in een rijdende trein te springen dan in een stilstaande trein), waardoor de kracht nog verder afneemt.
De daling van de kracht t.g.v. zowel 1 als 2 als 3 is groter naarmate de snelheid van verkorten groter wordt. Indien men gaat rekenen met dit model (en bepaalde aannames doet) dan blijkt dit model inderdaad te leiden tot de karakteristieke hyperbole vorm van de kracht-snelheidsrelatie (zoals die tijdens metingen wordt gevonden). Bij een bepaalde snelheid van verkorten (Vmax) is de netto spierkracht die de crossbridges nog kunnen genereren gelijk aan 0.
wat is stap 2 van de binding?
ii: de rek S2 wordt deels omgezet in verplaatsing van actine.
wat gebeurt er met een kopje die is een ongunstige positie is?
Kopje 3 heeft te laat losgelaten en is, doordat actine tijdens (en mede dankzij) zijn
powerstroke verder naar links is geschoven, in een ongunstige positie gekomen.
Kopje 3 levert nu zelfs een negatieve kracht (de verkeerde kant op).
wat gebeurt er bij een hogere verkortingssnelheid>
Bij een langzame concentrische spiercontractie (hoge uitwendige weerstand) schuift actine langzaam langs het myosine en zullen bijna alle kopjes die aangehecht zijn en een powerstroke maken, los kunnen laten (ontkoppelen) voordat ze onder hun ophangpunt door worden getrokken (bedenk: actine blijft opschuiven doordat er duizenden andere kopjes aan trekken): er komen bijna geen kopjes in de positie zoals kopje 3 in dit voorbeeld.
Bij hogere verkortingssnelheden (minder uitwendige weerstand) komen er steeds meer kopjes in de positie van kopje 3: zij zorgen voor een interne weerstand.
Op Vmax is de kracht die door kopjes zoals 1 en 2 wordt geleverd net zo groot als de gezamelijke negatieve kracht van kopjes in posities vergelijkbaar met kopje 3: de totale uitwendige kracht is nul. MAAR DE SPIER VERKORT RAZENDSNEL, namelijk op Vmax.
welke 2 dingen gebeuren tijdens isometrisch verkorten?
- De kop van het myosine (S1) trekt aan (kantelt over) het actine, waarbij de ‘veer’ (S2) op rek komt en er kracht wordt uitgeoefend.
Deze kracht is het grootst tijdens een isometrische contractie, als actine niet kan verschuiven t.o.v. myosine: plaatje linksboven. Als actine verschuift (zoals in de figuur aangegeven met de pijlen) en de spier dus verkort, dan wordt een deel van de rek op S2 opgeheven terwijl S1 aan actine zit. Dit betekent dus dat tijdens de verkorting de kracht lager is. - Sommige aangehechte crossbridges zullen er tijdens verkorten niet in slagen om op tijd los te koppelen en gaan een tegenwerkende kracht genereren: plaatje rechtsonder.
Let op: de band (actine) blijft ronddraaien doordat er andere crossbridges aan trekken dan die ene die er in dit voorbeeld (3) niet in slaagt om op tijd los te koppelen (van de band te springen).
Spierkracht (die we uitwendig meten) is lager tijdens concentrische contracties, doordat:
- de spier verkort, waardoor een deel van de rek in S2 opgeheven wordt, terwijl S1 aan actine zit. Dit betekent dus dat tijdens de verkorting de kracht lager is.
- sommige aangehechte crossbridges er tijdens verkorten niet in slagen om op tijd los te koppelen en een tegenwerkende kracht gaan genereren.
- er tijdens verkorting op ieder moment minder crossbridges kans zien aan te hechten (rijdende-treinmetafoor), waardoor de kracht nog verder afneemt.
wat is het Huxley model?
In het Huxley-model is er ook rekening gehouden met de positie van S1 t.o.v. de dichtstbijzijnde actine-bindingsplaats :
Afstand x en oriëntatie van de kop (z) bepalen de mate waarin S2
wordt opgerekt tijdens de powerstroke (=S1-kanteling)
Er zijn 2 (blauwe) bindingsplaatsen voor S1 op actine afgebeeld. S1 kan (fysiek/ruimtelijk, dus qua structuur van het eiwit) nooit aanhechten aan de linker bindingsplaats (links van O), dus alleen de rechter bindingsplaats is een optie. X is de afstand van deze bindingsplaats tot O. Als x=O, dan kan S1 nét aanhechten. Dat gaat niet echt makkelijk, want je kunt je voorstellen dat in die positie de slappe veer (S2) als het ware een beetje ‘in de weg zit’. Echter, als x toeneemt dan wordt het (fysiek/ruimtelijk) steeds makkelijker voor S1 om te koppelen op deze bindingsplaats (de slappe veer S2 hangt iets minder slap en ‘zit minder in de weg’), dus in de richting van h neemt de kans dat de kop bindt op de betreffende bindingsplaats toe.
wat is de h in het Huxley model?
h is de optimale (en tevens maximale) afstand (ten opzichte van O) die een bindingsplaats op actine kan hebben t.o.v. O: dan bindt het myosinekopje het makkelijkst aan actine. Daar zijn de bochten als het ware uit de veer en bindt de kop dus het makkelijkst (f =maximaal) . Als de afstand (x) nog groter wordt dan h, dan kan S1 niet meer aanhechten op de betreffende actine-bindingsplaats (die bindingsplaats op actine zit te ver naar rechts en S1 moet een andere bindingsplaats ‘zoeken’).
Wat de afstand van S2 tot de actine bindingsplaats ook is:
de verhouding tussen f en g is 4:1 tijdens een isometrische contractie (op ieder moment is 80 % van de cb’s aangehecht). De lijn voor f loopt onder een 4x zo steile hoek als de lijn voor g1.
Tijdens een concentrische contractie (waarbij actine tussen het myosine wordt getrokken) kan een aangehechte kop (S1) wel eens in een positie geraken (de andere kopjes blijven immers ook aan het actine trekken) waarbij hij de kracht die de andere kopjes leveren zelfs gaat tegenwerken (x is negatief). Indien dat gebeurt dan laat de kop (volgens het Huxley-model dus) razendsnel los. Vandaar dat g2 (de rate-constante voor ontkoppeling bij negatieve x) een heel grote waarde heeft gekregen in het model. Tijdens concentrische contracties bepaalt met name g2 hoe groot Vmax kan zijn.
wat betekent een isometrisch contractie qua percentage 4:1
Tijdens een isometrische contractie (A) is 80% (fractie=0.8) van de crossbridges aangehecht. Dat betekent dat de verhouding f:g1=4:1.
Anders gesteld: in dezelfde tijd dat er 4 crossbridges aanhechten zal er ook altijd weer 1 ontkoppelen (er zijn er 4 van de 5 aangehecht), dus als er 80 aanhechten zullen er 20 loslaten. Er zijn dus altijd 80 van de 100 aangehecht als f:g1=4:1. Dit geldt tijdens een isometrische contractie, waarbij er dus genoeg tijd is om een evenwicht in te stellen (A). Het maakt dan ook niet uit waar een kopje geplaatst is t.o.v. de dichtstbijzijnde actine-bindingsplaats (aangegeven op de x-as).
wat gebeurt er bij een concentrische contractie met het percentage en de grafiek ?
Met een toenemende snelheid van verkorten (B en C) zullen er minder crossbridges kans zien te binden (3, geeft aan dat de hele verdeling naar beneden is geschoven: de gemiddelde opppervlakte onder de totale curve is ongeveer 0.5: 50 % van de cbs bevindt zich in een aangehechte toestand) en bovendien verplaatsen aangehechte cross-bridges: ze komen dichter bij 0 (uitrekking S2 wordt minder tijdens verkorten) (1).
Een deel van de aangehechte crossbridges gaat zelfs een negatieve kracht leveren (displacement negatief) (2).
Vmax is die verkortingssnelheid waarbij de positieve krachten, geleverd van cb’s die zich rechts van O bevinden (oppervlakte onder de curve), precies worden gecompenseerd door de remmende krachten, van andere cb’s die zich links van O bevinden, (netto Ftotaal=0).
wat gebeurt er als de snelheid van verkorten groter wordt?
De daling van de kracht t.g.v. zowel 1 als 2 als 3 is groter naarmate de snelheid van verkorten groter wordt. Samen met aannames in het model omtrent x, z, f, g1 & g2 leidt dit tot snelheidsafhankelijke verdelingen van de cb’s (vorige slide), waarmee de karakteristieke hyperbole vorm van de kracht-snelheidsrelatie verklaard kan worden.
wat gebeurt er als de snelheid van verkorten groter wordt?
De daling van de kracht t.g.v. zowel 1 als 2 als 3 is groter naarmate de snelheid van verkorten groter wordt. Samen met aannames in het model omtrent x, z, f, g1 & g2 leidt dit tot snelheidsafhankelijke verdelingen van de cb’s (vorige slide), waarmee de karakteristieke hyperbole vorm van de kracht-snelheidsrelatie verklaard kan worden.
hoe kan he de snelheid van ontkomen en koppelen berekenen?
N.B. f en g1 zijn snelheidsconstanten. Om de snelheid van koppelen en ontkoppelen te berekenen, moet je ook het aantal crossbridges dat zich in de attached en detached toestand bevindt in rekening brengen.
Stel: er zijn in totaal 10 cb’s die op enig moment allemaal in de attached state zijn, dus de verhouding attached/detached=10/0. Wat zal er nu gebeuren, uitgaande van f/g1=4/1?
Er zijn 10 cb’s beschikbaar om te ontkoppelen met een snelheid: 10xg1=10x1=10. Er zijn echter 0 cb’s beschikbaar om te koppelen (ze zijn op dat moment nl. alle 10 al gekoppeld) dus de koppelsnelheid is 0xf=0x4=0.
Dus: de enige mogelijkheid op dit specifieke moment is dat er 1 cb ontkoppelt. Daarmee wordt de verhouding attached/detached=9/1. De verhouding van de snelheden van ontkoppeling / koppeling is nu: (9x1)/(1x4). Dit is groter dan 1 (de ontkoppelsnelheid is groter dan de koppelsnelheid), dus zal er nog 1 cb ontkoppelen: attached/detached=8/2. De verhouding van de snelheden van ontkoppeling / koppeling is nu: (8x1)/(2x4)=8/8=1. Nu is er evenwicht: de snelheden van koppeling en ontkoppeling zijn (bij deze verhouding van f/g1=4/1) gelijk aan elkaar als 8 van de 10 cb’s gekoppeld zijn (en 2 ontkoppeld), dus de fractie gekoppelde cb’s is op elk moment 80%. Ontkoppeling en koppeling gaan voortdurend door (de snelheden zijn gelijk, maar niet nul!) tijdens een isometrische contractie en op welk moment je ook kijkt, altijd zal 80% van de kopjes zich in de aangehechte toestand bevinden.
wanneer zijn spieren sterker?
tijdens verlengen (onder invloed van een uitwendige kracht) De oplettende lezers onder jullie hadden al gezien dat Vmax in dit plaatje 7 (en niet 4) spierlengtes/sec is. Het betreft hier dus geen F-v-relatie van een menselijke spier, maar van een rat (die hebben veel snelle spiervezels en andere verhoudingen tussen spierlengte en vezellengte).
hoe zit het met ontkoppelen en koppelen tijdens een verlengde beweging onder invloed van een uitwendige kracht?
De rek (en dus kracht) van S2 wordt groter als S1 is aangehecht terwijl de spier langer wordt (b.v. onder invloed van de zwaartekracht of een medestudent): een deel van de crossbridges wordt uitgerekt (displacement>1). Met een snellere rek slagen er minder ‘nieuwe’ crossbridges in om aan te hechten, maar de crossbridges die aangehecht zijn worden verder opgerekt en leveren dus nog meer kracht. Bij lage reksnelheden overheerst het laatste effect het eerste. De kracht, zoals die gemeten wordt tijdens een serie excentrische contracties (met voldoende rust ertussen), uitgevoerd op verschillende reksnelheden, neemt aanvankelijk toe met toenemen van de reksnelheid. Bij hogere reksnelheden stelt zich een evenwicht in (de kracht neemt niet verder meer toe: links van velocity= -4 muscle lengths/s op vorige slide). Bij heel (extreem) hoge reksnelheden zal de kracht theoretisch gezien plotseling in elkaar zakken: alle crossbridges zouden mechanisch worden losgetrokken, terwijl er geen nieuwe cb’s kans meer zouden zien om aan te hechten (deze snelheden worden in de praktijk niet bereikt, zie ook de vorige slide, waarbij de kracht excentrisch hoog blijft).
Het idee is dat voor iedere ontkoppeling 1 ATP-molecuul wordt gebruikt. leg dit uit
Doordat ATP op de kop (S1) gesplitst wordt in ADP en Pi (beiden blijven in eerste instantie op de kop zitten), klapt de kop om: er ontstaat als het ware een bepaalde voorspanning. Dit gebeurt bij stap vi in de figuur: de kop staat eerst naar links en daarna naar rechts gericht. Die voorspanning komt beschikbaar op het moment dat Pi de kop verlaat: de kop kantelt terug, de power stroke. Omdat de kop op dat moment vast zit aan actine wordt er kracht geleverd (S2 op rek).
Stappen ii en iii kunnen snelheid-beperkend zijn/worden (b.v. tijdens vermoeidheid).
Stappen ii en iii gaan sowieso veel sneller in fast t.o.v. slow myosine (en vooral ook ligt g2 veel hoger bij fast myosine).
Energiegebruik kan op 2 manieren bepaald worden in experimenten:
- ATP-verbruik meten (+ arbeid)
- warmteproductie meten: energie gaat immers
niet verloren (+arbeid)
