WP1208 Titin

Auf dieser Wiki-Seite wird die Arbeitsweise des Titins und sein Einfluss auf die vom Muskel entwickelten Kräfte anhand neuer Modelle dargestellt, insbesondere beim Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus (DVZ).

Um die Arbeitsweise des Titins genauer verstehen zu können,wird gezeigt werden, wo sich das Titin im Muskel befindet und vor allem, was die Aufgaben des Titins im Sarkomer sind.
Danach wird der DVZ erläutert und seine Bedeutung im Sport anhand von Beispielen veranschaulicht.
Anschließend beschäftigt sich das Wiki mit den kontraktilen und elastischen Einheiten des Muskels sowie deren Zusammenspiel.
Zuletzt wird die Aufgabe des Titins während einer Kontraktion und einer Extension erklärt.

Wie im Kapitel Bau und Funktion vom Muskel gezeigt wird, ist das Titin ein Protein, also ein Eiweiß, das neben dem Aktin und dem Myosin im Sarkomer liegt. Interessant hierbei ist, dass das Titin, welches das größte Protein des menschlichen Körpers ist, erst sehr viel später als Aktin und Myosin entdeckt wurde, da die Mikroskope zu klein eingestellt waren. Dazu noch einmal eine kleine Grafik:

Abb. 1: Lage des Titins im Sarkomer

Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, bindet das Titin wie das Aktin, direkt an der Z-Scheibe. Es besteht aus mehreren elastischen Regionen, unter anderem aus der PEVK-Region, auf deren Bedeutung im weiteren Verlauf eingegangen wird. Das Titin selbst ist mit einer elastischen Feder vergleichbar. Wird das Sarkomer gedehnt, dann wird das Titin auseinandergezogen und es entsteht eine elastische Spannung. Bei einer Kontraktion des Sarkomers unterstützt die im Titin vorgespeicherte Energie (durch die elastische Spannung) das Sarkomer und hilft bei der Kraftentwicklung. Es entsteht ein Kraftzuwachs.

Mit „Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus“ wird eine Arbeitsweise des neuromuskulären Systems bezeichnet, bei dem ein Zusammenspiel von exzentrischer und konzentrischer Muskelarbeit stattfindet. Hierbei wird zunächst eine entgegengesetzte Bewegung zur eigentlichen Bewegungsrichtung ausgeführt, die entweder durch Kontraktion der jeweiligen Antagonisten oder passiv durch eine Abbremsbewegung ermöglicht wird. Bei der entgegengesetzten Bewegung muss der Muskel zunächst exzentrisch arbeiten und wird so in eine Vorspannung gebracht. Durch diese Vorinnervation des Muskels kann in der konzentrischen Phase des DVZ eine höhere Leistung im Vergleich zu einer rein konzentrischen Muskelarbeit erbracht werden. Neben der Vorinnervation des Muskels wird bei der exzentrischen Arbeitsweise des Muskels noch elastische Bewegungsenergie in den parallelelastischen Strukturen des Muskelgewebes und den serienelastischen Komponenten der Sehnen gespeichert. Dies führt ebenso zu einer Erhöhung der Anfangskraft und dazu, dass der Muskel kurzzeitig leistungsfähiger wird.

Abb 2: Verlaufskurve des Kniegelenks beim Laufen

Da der DVZ in sehr vielen sportlichen Bewegungen eine Rolle spielt, wird nur auf 3 spezielle Beispiele eingegangen, an denen der DVZ verdeutlicht wird. Außerdem muss berücksichtigt werden, dass immer nur ein Muskel betrachtet wird, obwohl bei den meisten sportlichen Bewegungen mehrere DVZ bei der gleichen Bewegung vorkommen:

Bei einem CMJ steht der Sportler im hüftbreiten Stand.
Beim Absenken des Körperschwerpunkts (KSP) arbeitet zunächst die Wadenmuskulatur exzentrisch.
Nach der Abbremsbewegung und dem Übergang des Sportlers in die Aufwärtsbewegung,
arbeitet die Wadenmuskulatur nun konzentrisch bis hin zum Absprung.
Bei dieser Sprungform ist die Auswirkung des DVZ deutlich sichtbar, im Verlgeich zum Squat-Jump.
Dieser wird ohne eine entgegengesetzte Ausholbewegung gesprungen.
Im Vergleich der Sprünge kann man feststellen,
dass mit einem CMJ deutlich höhere Ergebnisse erreicht werden.

Bei einem Angriffsschlag im Volleyball wird unmittelbar vor dem Schlag eine Ausholbewegung mit dem Arm durchgeführt. Hierbei wird der Arm durch Kontraktion des Protagonisten (Trizeps) nach hinten gezogen, darbei wird zeitgleich der Bizeps gedehnt und somit in eine Vorinnervation gebracht. Dadurch kann der Sportler höhere Kräfte auf den Ball übertragen.

Abb. 3: Angriffsschlag Volleyball

Bei einem Marathonlauf macht die Muskulatur des Sportlers bei jedem Schritt einen kurzen DVZ. Vor dem Aufkommen des Fußes wird hierbei die Wadenmuskulatur gedehnt und bevor der Sportler sich wieder vom Boden abdrückt, arbeitet die Muskulatur wieder konzentrisch und zieht sich zusammen (siehe Abb. 2).

Zu den elastischen Einheiten gehören: Kollagen-Strukturen, Bänder, Sehnen, Titin, bindegewebige Strukturen der Muskelzelle und die Faserhüllen (Sarkolemm und Bindegewebe). Elastische Einheiten sind nicht gedanklich steuerbar. Sie sind dehnbar und haben bei einer kurzzeitigen Dehnung eine elastische Spannung, die sich bei der Kontraktion entlädt. Die kontraktilen Proteine im Muskel sind Aktin und Myosin. Sie bilden das kontraktile Element. Die kontraktilen Einheiten befinden sich ausschließlich in den Sarkomeren. Diese Einheiten kennzeichnen sich dadurch, dass sie nur konzentrisch arbeiten können.

Hier werden die beiden gebräuchlichsten Hill-Modelle vom Zusammenspiel kontraktiler und elastischer Einheiten dargestellt. Beide Modelle enthalten drei Komponenten: ein serienelastisches Element, ein parallelelastisches Element und ein kontraktiles Element.

Abb. 4: Hill-Modell[CC]

Dieses Modell[CC] beschreibt, dass das parallelelastische Element nur mit dem kontraktilen Element parallel geschaltet ist.
CC steht für „contractile component“, SEC für „series elastic component“ und PEC für „parallel elastic component“.

Abb. 5: Hill-Modell[CC + SEC]

Bei diesem Modell[CC + SEC] ist das parallelelastische Element (PEC), sowohl zum kontraktilen (CC), als auch zum serienelastischen Element (SEC), parallel geschaltet.

In beiden Modellen wird beim Dehnen des Muskels eine elastische Spannung erzeugt, vergleichbar mit einem Gummi oder einer elastischen Feder, die auseinander gezogen wird. Beim Kontrahieren des Muskels wird die Kraft der Spannung frei gesetzt und addiert sich zur konzentrischen Kraft des Muskels. Der Kraftzuwachs beträgt laut Messungen 10% im Vergleich zum MVC (maximum volunteer contraction), die willentliche maximale Kontraktion, die erzeugt werden kann, ohne dabei den DVZ zu nutzen. Nach Rhode sollte das Modell[CC] bevorzugt werden, da es seiner Meinung nach der Praxis am nächsten käme.

Abb. 6: Arbeitsweise des Titins

Wie auf diesem Bild zu erkennen ist, geht die Theorie davon aus, dass beim Dehnen des Muskels bestimmte Stellen des Titins, die so genannte PEVK-Region, sich an die Bindungstellen der durch die Dehnung freiwerdenden Aktin-Filamente bindet, wodurch sich die molekulare Federlänge des Titins verkürzt. Dies führt zu erhöhten passiven Kräften, die bei der Kontraktion zur höheren Maximalkraft führen. Beim Kontrahieren reißt die PEVK-Region wieder ab und die vorher durch die PEVK-Region besetzte Stelle wird wieder für die Myosinköpfchen freigegeben.

Erläuterung am Beispiel des DVZ:
Wird der Muskel beim Dehnen in eine Vorinnervation gebracht, so bindet sich die PEVK-Region des Titins an die freien Stellen der Aktin-Filamente und durch das Titin im Sarkomer entsteht eine Vorspannung. Beim Kontrahieren wird die Kraft frei gesetzt und im Weiteren mit dem MVC und der Kraft aus den anderen elastischen Einheiten summiert. Somit entsteht der Effekt des DVZ.

Die entscheidende Aussage für das einfache Verständnis ist, dass Titin nicht nur, wie in älterer Literatur beschrieben, ausschließlich für den Zusammenhalt des Sarkomers zuständig ist, sondern dass durch Titin beim kurzzeitigen Dehnen des Muskels zudem passive Kräfte erzeugt werden, zu welchen die kontraktilen Einheiten alleine nicht im Stande sind.

Da es zur Zeit kein passendes Videomaterial zu diesem Thema gibt, wurde diese kleine Animation erstellt, um das Ganze noch einmal zu veranschaulichen.
Um diese Animation öffnen und anschauen zu können, beachten Sie bitte folgende Schritte:

1. Klicken Sie bitte auf die angezeigte zip-Datei.

2. Um diese zip-Datei öffnen zu können, benötigen Sie ein Entpackprogramm. Wir empfehlen Ihnen WinRAR.

3. Sie haben die Wahl es herunterzuladen oder es direkt mit dem Entpackprogramm zu öffnen.

4. Nun öffnet sich ein Fenster mit Animation.jar. Öffnen Sie diese mit einem Doppelklick. Um die Animation öffnen zu können, benötigen Sie Java.

animation.zip

Die Animation zeigt das Verhalten des Beinstreckers, während eines Counter-Movement-Jumps mit vorgehaltenen Armen, einmal im Modell[CC] und Modell[CC + SE]. Das letzte Modell zeigt, wie sich das Titin während dieser Bewegung im Muskel verhält.

Sie können die Animation „Abspielen“/„Stoppen“. Während das Video gestoppt ist, können die einzelnen Bilder mit „Weiter“ und „Zurück“ angeschaut werden.

Alles, was hier vorgestellt ist, ist rein hypothetisch. Es kann keine verbindliche Aussage getroffen werden, da hier nur ein Modell vorgestellt wird, das wissenschaftlich noch nicht endgültig bewiesen ist. Aber da es zur Zeit eins der ersten und interessantesten Modelle ist, haben sich die Authoren für dieses entschieden.

1. Nenne die Lage und Bindestelle des Titins!
2. Erkläre den DVZ anhand eines sportpraktischen Beispieles!
3. Nenne den Unterschied zwischen dem Modell[CC] und dem Modell[CC+SEC]!
4. Wie trägt das Titin zur Verbesserung des DVZ bei?

vgl. Dr. Friedman, Karl (2008). Trainingslehre - Sporttheorie für die Schule
vgl. Göhner, Ulrich (2008). Angewandte Bewegungslehrer und Biomechanik des Sports
vgl. Dr. Rode, Christian (2009). Interaction Between Passive and Contractile Muscle Elements: Re-evaluation and New Mechanisms
Abb. 1: vgl. Rode, 2009, S.3
Abb. 2: vgl. Bubeck, 2002, S.20
Abb. 3: http://www.sportunterricht.de/lksport/vbastr.gif
Abb. 4: vgl. Friedman, 2008, S.112
Abb. 5: vgl. Rode, 2009, S.11
Abb. 6: vgl. Rode, 2009, S.58

Interaction Between Passive and Contractile Muscle Elements: Re-evaluation and New Mechanisms von Dr. Christian Rode

Fabian Hoitz: Einleitung, Struktur, Was ist Titin?
Patrick Schröder: Was ist der DVZ?, Einsatz vom DVZ im Sport an Beispielen
Markus Welzel: Was sind kontraktile und elastische Einheiten?, Bildbearbeitung (in der Animation)
Fabian Zwetsch: Aufgabe des Titins im DVZ, Animation

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