Transcript Abstract Metabole Netwerken in actie (8Q020)

Groep 1
Abstract Metabole Netwerken in actie (8Q020)
Op het moment dat het signaal van een zenuw aankomt bij een spier, komen er calciumionen vrij uit het
sarcoplasmatisch reticulum. Deze ionen binden aan troponine, waardoor deze een
conformatieverandering ondergaat. Door deze verschuiving kunnen myosinekoppen binden aan het
actinefilament (cross-bridge vorming). De myosinekoppen kunnen met behulp van ATP kromtrekken,
waardoor er spiercontractie plaatsvindt.
Er zijn twee soorten spierweefsel, slow- en fast-twitch. Fast-twitch, ook wel het witte spierweefsel
genoemd, heeft een hoge maar korte krachtlevering. De calciumionen komen in een relatief korte
periode vrij. Een slow-twitch spier, ook wel het rode spierweefsel genoemd, heeft een lage maar
langdurige krachtlevering en het duurt langer voordat dezelfde hoeveelheid calcium als bij de fast-twitch
spier vrij is gekomen.
Tijdens een warming-up treden er veranderingen op in een spier. Een gevolg is onder andere een
verhoging van de temperatuur. Maar wat is het effect van een warming-up op de spierkracht?
Dit is de onderzoeksvraag. Er wordt alleen gekeken naar het effect op de spier bij een verhoging van de
temperatuur.
Met als deelvragen:
- Wat is het verschil per spiersoort?
- Wat is het verschil bij zware en lichte inspanning?
De hypotheses bij de onderzoeksvraag zijn dat een fast-twitch spier meer kracht zal leveren dan een
slow-twitch spier, omdat bij een fast-twitch spier een hogere hoeveelheid calcium vrij komt. Bovendien
is de stijging van de calciumconcentratie sneller dan bij een slow-twitch spier. Ook zal zowel een
zwaardere inspanning als een hogere temperatuur er voor zorgen dat de spieren meer kracht zullen
leveren. Bij een zwaardere inspanning worden er meer cross-bridges tussen actine en myosine gevormd,
dus kan er meer kracht geleverd worden. Bij een hogere temperatuur verlopen reacties sneller, de
cross-bridges worden dan sneller gevormd en kan de spier meer kracht leveren.
Experiment
De onderzoeksvraag wordt beantwoord door middel van een experiment en een model. Bij het
experiment worden er 4 kanalen ven een myograaf gebruikt. 2 kanalen voor de fast-twitch spier van een
muis, de EDL (Extensor Digitorum Longus) en de slow-twitch spier van een muis, de Soleus. De spieren
worden per meting steeds 1 seconde gestimuleerd. Dit bij 2 verschillende temperaturen: 23°C en 30°C.
En bij 4 verschillende frequenties: 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz en 50 Hz. Om te controleren of de spier niet te
vermoeid raakt, worden er referentiepulsen en controlepulsen gegeven.
De data uit het experiment wordt bewerkt. Hierbij wordt de rustwaarde naar 0 gezet, door het
gemiddelde van de eerste 100 waarden van de data af te trekken. Ook wordt het beginpunt van de
elektrische stimulatie bepaald, door te bepalen wanneer de data boven een bepaalde waarde komen.
Om de resultaten te kunnen vergelijken wordt de data genormaliseerd naar gewicht. Dit wordt gedaan
door de data te delen door het gewicht van de corresponderende spier. Hierna word de geleverde
kracht per mg spiermassa uitgezet tegen de tijd in ms.
Conclusie
Uit de resultaten blijkt dat bij een hogere temperatuur de kracht lager is. Dit komt omdat de
terugresorptie sneller is. Bij 5 Hz was dit effect minder omdat de spieren meer tijd hebben om de
calciumionen terug te resorberen.
Groep 1
Een fast-twitch spier reageert sneller dan een slow-twitch spier, omdat de reacties sneller verlopen. De
soleus levert uiteindelijk meer kracht, omdat deze een lagere terugresorptie heeft.
Ook bleek dat bij een zwaardere inspanning meer kracht wordt geleverd, omdat de oppervlakte onder
de grafiek toeneemt. Er worden meer cross-bridges gevormd, dus kan er meer kracht gezet worden.
Er is bij de EDL een piek zichtbaar, waarna er later een plateau gevormd wordt. Een mogelijke verklaring
hiervoor is dat de terugresorptie van calciumionen afhankelijk is van de aanwezige calciumconcentratie.
Ook treed er tijdens het experiment ruis op, dit komt onder andere door aanrakingen van de tafel waar
de opstelling op stond en trillingen van het touwtje.
Model
Een model moet de werkelijkheid zo goed mogelijk simuleren. De parameters van het model moeten
dus worden aangepast met de verkregen data uit het experiment. Om de parameters te kunnen bepalen
worden de data naar de maximale geleverde kracht genormaliseerd.
De parameterbepaling begint met de parameters uit de reader als invoer. De parameters voor de EDL en
de soleus worden apart bepaald. Als eerste wordt het verschil tussen de grafieken uit het model en van
de data uit het experiment berekend en gekwadrateerd om de negatieve waardes te corrigeren, dit is de
referentiewaarde. De nieuwe parameters worden berekend door er een random getal tussen 0 en 1 bij
op te tellen, als blijkt dat de verandering geen positief effect op de precisie van het model heeft, dan
wordt bij de volgende cyclus een random waarde van de parameter afgetrokken in plaats van opgeteld.
De random waarde wordt steeds kleiner, om te zorgen dat de verandering van de parameter steeds
kleiner wordt. De verbeterde parameter wordt onthouden en het programma wordt 50 keer doorlopen
voor iedere parameter. Om de snelheid van het programma hoog en het model fysiologisch reëel te
houden, is er rekening mee gehouden dat er parameters zijn, die gelijk zijn of van elkaar afhangen.
Bij het starten van het programma zijn er verschillende opties mogelijk. Er kan gekozen worden om de
calciumpuls te plotten en om de parameters te begrenzen tussen 1/10 en 10 keer de beginwaarde. Er
kan een databestand worden geselecteerd en de lengte van de stimulatie kan worden ingevoerd.
Conclusie
Uit de veranderingen van de parameters door het model blijkt dat, deze zo zijn aangepast dat ze een
snellere kracht toe- en afname simuleren voor de fast-twitch spier ten opzichte van de slow-twitch. Het
zelfde fenomeen is te zien bij een hogere temperatuur ten opzichte van een lagere temperatuur. Hieruit
val te concluderen dat verschillen in de spier niet alleen afhangen van de calciumconcentratie, maar ook
van andere biochemische processen in de spier.
Het model kan nooit helemaal kloppend zijn, onder andere doordat ruis is meegenomen met de
normalisatie. Door de ruis lijkt de maximale kracht groter dan dat die in werkelijkheid is. Daarnaast
worden er meerdere parameters bepaald op 1 dataset, hierdoor zijn er meerdere mogelijkheden voor
de waardes van deze parameters.
Algemene Conclusie
Zonder een warming up kun je meer kracht leveren. Maar raakt de spier verkrampt. Dit komt omdat de
calciumconcentratie maximaal is in de spier (plateau vorming). Bij een Slow twitch spier heb je meer
kans op kramp.
Groep 1
Bij een warming up neemt de terugresorptie van calcium toe, waardoor de calciumconcentratie in de
spier niet maximaal blijft en dus voordeliger is voor de sporter. Er wordt minder kracht geleverd maar
zonder verkramping.
Literatuur
1) Marieb, Hoehn: Human Anatomy & Physiology, 7th ed., Pearson Education.
2) Ueno et.al., Effects of pH and Temperature on Force and Stiffness of Skeletal Muscle Fibers during Contraction
and Relaxation in Relation to Musculoskeletal Disorders, Industrial Health, Vol. 40, No. 4(2002), pages 362-369
3) Natal van Riel, Reader Metabolic Networks in Action.
4) Baylor S.M., Hollingworth S., Sarcoplasmic reticulum calcium release compared in slow
fibres of mouse muscle, J. Physiol., 551: 125 138 (2003).
–
‐twitch and fasttwitch
5) Groenendaal W, Jeneson JA, Verhoog PJ, van Riel NA, Ten Eikelder HM, Nicolay K, Hilbers PA.,
Computational modelling identifies the impact of subtle anatomical variations between amphibian and
mammalian skeletal muscle on spatiotemporal calcium dynamics. IET Syst Biol. 2(6): 411 422 (2008).
‐
6) van Stiphout RG, van Riel NA, Verhoog PJ, Hilbers PA, Nicolay K, Jeneson JA., Computational model of
excitable cell indicates ATP free energy dynamics in response to calcium oscillations are undampened
by cytosolic ATP buffers. Syst Biol. 153(5): 405 408 (2006).
‐