DECHEMAX Initiative für Chemische Technik und Biotechnologie

Frage der Woche

Frage der Woche

Fahrrad fahren – lasst die Muskeln spielen!

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Bildquelle: pixabay

Im Jahre 1815 brach in Indonesien der Vulkan Tambora aus. Er spie dabei so viel Asche aus, dass es bei uns, im 12.000 Kilometer entfernten Europa, 1816 ein „Jahr ohne Sommer“ gab. Es kam zu Missernten und das Vieh starb wegen Futtermangel. Das wirkte sich auch auf das damalige Hauptverkehrsmittel aus: man benutzte hauptsächlich Pferde, um möglichst schnell und bequem voranzukommen. Vielleicht war dieses Ereignis ein Glücksfall für die Entwicklung des Fahrrads, denn just zu dieser Zeit stellte Karl Drais seine Laufmaschine (Draisine) vor. Wie bei den heute üblichen Kinder-Laufrädern stieß man sich mit den Füßen ab und ließ sich rollen. Am 12.07.1817 fuhr er von der Mannheimer Innenstadt bis zur Schwetzinger Postpferdestation und zurück. Für die ca. 14 km lange Strecke benötigte er eine knappe Stunde und war somit schneller als jede Postkutsche. Ein halbes Jahrhundert später entwickelte sich das Laufrad zum echten Fahrrad weiter.

Frage (Klassen 7-11)

Wenn Kräfte im Unsichtbaren wirken

Sieht man einen Fahrradfahrer lässig dahinfahren und sich in die Kurven legen, scheint dies eine leichte Übung zu sein. Das Gleichgewicht auf zwei Rädern zu halten, ist aber gar nicht so einfach. Das Fahrradfahren ist ein ständiger Kampf zwischen zwei Kräften.

Ein stehendes Fahrrad kippt einfach um.
Welche Kraft ist hierfür verantwortlich? Wähle aus:

Schwerkraft
Fliehkraft
Zentri-Pedal-Kraft

Lösung:

Es handelt sich um die Schwerkraft.
Die Zentri-Pedal-Kraft war natürlich eine wunderschöne Wortschöpfung von uns, die die Nähe zum Fahrrad-Pedal "vortäuschen" sollte und gleichzeitig an die Zentripetalkraft erinnert.

Wenn wir fahren, verhindern wir durch einen kaum wahrnehmbaren Lenkereinschlag das Kippen. Wer also schnell geradeaus fährt, pendelt ständig durch minimales Lenken um die Gleichgewichtslage. Je langsamer wir werden, desto schwieriger ist die Koordination, also das Halten des Gleichgewichts. Diese Kraft wirkt nur auf bewegte Gegenstände.

Um welche Kraft handelt es sich?

Lösung:

Die Zentrifugalkraft oder auch Fliehkraft. Das ist die Kraft, die unser Fahrrad aus der Kurve trägt wenn wir zu schnell sind oder die den Sitz des Kettenkarussells nach außen drückt.

Zusatzfrage (Klassenstufen 8-11)

Nutzung der Muskelkraft

Die Kraft für das Fahrradfahren kommt hauptsächlich aus den Beinen. Der Tretvorgang erfolgt auf einer Kreisbahn. Zur Veranschaulichung der benutzten Muskulatur kann man den Trittvorgang in vier Bereiche unterteilen.

Akku-Schema

Um welche Phase handelt es sich? Ordnet die beteiligten Muskeln der Phase zu.

  1. gerader Muskel des Oberschenkels (Musculus rectus femoris). Der Hüftbeuger zieht den Oberschenkel Richtung Bauch.
  2. große Gesäßmuskel (Musculus gluteus maximus). Der Gesäßmuskel sorgt dafür, dass das Bein sich nach unten streckt.
  3. vierköpfige Oberschenkelmuskel (Musculus quadriceps femoris). Der Vordere Oberschenkelmuskel streckt den Unterschenkel im Kniegelenk.
  4. Hüftgelenksextensoren oder rückseitige Oberschenkelmuskulatur (ischiocrurale Muskulatur). Der hintere Oberschenkelmuskel unterstützt den Gesäßmuskel und beugt den Unterschenkel
  5. Der Wadenmuskel streckt den Fuß in seinem Gelenk

1. "c" ist aktiv in der ...

Lösung:

Schubphase

2. "a" und "d" sind aktiv in der ...

Lösung:

Hubphase

3. "b", "c" und "e" sind aktiv in der ...

Lösung:

Druckphase

4. "b", "d" und "e" sind aktiv in der ...

Lösung:

Zugphase

Zusatzfrage (Klassenstufen 9-11)

Woher die Energie kommt

Jede noch so kleine Bewegung kostet unseren Körper Energie. Was für das Auto das Benzin ist, ist für den menschlichen Körper das ATP.
Durch Spaltung eines ATP-Moleküls in ADP und ein freies Phosphat kann jede Zelle direkt Energie gewinnen. Die im Muskel vorhandene Menge reicht jedoch nur für etwa zehn Kontraktionen. Das ADP muss dann wieder zu ATP umgewandelt werden. Es gibt mehrere Wege, um ATP zu regenerieren, die nacheinander ablaufen. Zuerst springt das Kreatinphosphat für einige Sekunden ein. Dieser Stoff gibt zur ein Phosphat ab, das für die Wiederherstellung des ATP genutzt werden kann. Auf diese Weise kann ATP sehr schnell wieder hergestellt werden, es steht sofort wieder zur Verfügung, liefert aber nur Energie für weitere 10 Sekunden oder 50 weitere Kontraktionen.
Danach wird Energie aus Glykogen gewonnen. Glykogen ist bei Mensch und Tier die Speicherform von Glucose. Das meiste Glykogen befindet sich in den Muskeln und in der Leber. Das Glykogen in den Muskeln wird ausschließlich zur Versorgung der Muskulatur benutzt. Die Leberreserven werden unter anderem auch zum Regulieren des Blutzuckerspiegels benötigt. Zwei unterschiedliche Prozesse können das Glykogen verarbeiten. ATP kann dabei unter aeroben und anaeroben Bedingungen gewonnen werden.

Worin liegt der Unterschied? Ordnet zu!

1. im aeroben Stoffwechsel: mit Sauerstoffzufuhr

Als Abfall entstehen CO2, das wir ausatmen, und Wasser.
Als Abfallprodukt fällt Lactat (Milchsäure) an.

Lösung:

Als Abfall entsteht CO2, das wir ausatmen, und Wasser.

2. im aneroben Stoffwechsel: ohne Sauerstoffzufuhr

Als Abfall entstehen CO2, das wir ausatmen, und Wasser.
Als Abfallprodukt fällt Lactat (Milchsäure) an.

Lösung:

Als Abfallprodukt fällt Lactat (Milchsäure) an.

Zusatzfrage (Klassenstufen 10-11)

Wird bei der körperlichen Belastung der Sauerstoff knapp, können Muskelzellen vorübergehend durch Milchsäuregärung ATP produzieren.

Welche Aussage stimmt?

Bei der Milchsäuregärung wird Glucose zu Milchsäure umgewandelt. Durch den Prozess der Milchsäuregärung werden zwei ATP pro Glucose-Molekül gebildet.
Bei der Milchsäuregärung wird die Milchsäure zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umgewandelt. Die dabei freigesetzte Energie wird zum Aufbau von vier ATP verwendet.

Lösung:

Bei der Milchsäuregärung wird Glucose zu Milchsäure umgewandelt. Durch den Prozess der Milchsäuregärung werden zwei ATP pro Glucose-Molekül gebildet.

Welches ist die Formel für die Milchsäuregärung?

Gleichung 1:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 Phosphat -> 2 C3H6O3 + 2 ATP
Gleichung 2:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 Phosphat -> 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 H2O + 2 ATP

Lösung:

Richtig ist Gleichung 1: C6H12O6 + 2 ADP + 2 Phosphat -> 2 C3H6O3 + 2 ATP

Durch den Prozess der Milchsäuregärung wird ein Glucose-Molekül zu zwei Milchsäure-Molekülen (bzw. Lactat) abgebaut. Das Lactat reichert sich mit der Zeit im Blutkreislauf an und kann wiederum von Herz, Niere und Leber aerob verstoffwechselt werden. Wird mehr Lactat gebildet, als die Organe abbauen können, reichert es sich im Blut an und beeinflusst den pH-Wert, was wiederum bestimmte Stoffwechselwege in den Muskelzellen verlangsamt – die Muskeln „brennen“. Mit Muskelkater hat das Lactat übrigens nichts zu tun. Früher hatte man angenommen, dass Muskelkater entsteht, wenn bei hoher Belastung zu viel Milchsäure den Muskel übersäuert.

Wie entsteht Muskelkater stattdessen?

Lösung:

Muskelkater entsteht durch Mikrorisse in der Muskulatur. Durch diese Risse dringt langsam Wasser ein und die Muskelfaser schwillt an.

Zusatzfrage (Klassenstufe 11)

Wie der Muskel funktioniert

Der Muskel besteht aus vielen Muskelfaserbündeln. Die einzelnen Muskelfasern sind wiederum in Muskelzellen unterteilt. In ihnen befindet sich das eigentliche Kraftwerk. Biochemisch gesteuert, hakt sich das Myosin, ein Eiweißmolekül, am Aktinfaden an und zieht ihn heran, die Muskelzelle verkürzt sich. Aus der Verkürzung vieler Zellen resultiert die eigentliche Muskelkontraktion. Bekommt das Myosinköpfchen das Signal loszulassen, entspannt sich der Muskel wieder.

Betrachten wir einmal die Wechselwirkung von Myosin und Aktin bei der Muskelkontraktion näher. Hier haben sich 3 Fehler eingeschlichen.
Finde die Fehler:

Der Muskel befindet sich zunächst im Ruhezustand

  1. Das Myosinköpfchen ist noch nicht an ATP gebunden und befindet sich in der energiearmen Konformation.
  2. ATP wird durch Glykolyse in ADP+P gespalten. Der Myosinkopf ist nun energiereich.
  3. Das Myosinköpfchen lagert sich an frei werdende Bindungsstelle der Aktins an und bildet Längsbrücken aus.
  4. ADP+P werden freigesetzt. Myosin kehrt in seine energiearme Konfiguration zurück.
  5. Durch die Bindung eines neuen ATP-Moleküls löst sich der Myosinkopf vom Actin.
    Ein neuer Zyklus beginnt.

Fehler 1:

Lösung:

Das Myosinköpfchen ist noch nicht (es IST gebunden) an ATP gebunden und befindet sich in der energiearmen Konformation.

Fehler 2:

Lösung:

ATP wird durch Glykolyse (richtig: Hydrolyse) in ADP+P gespalten. Der Myosinkopf ist nun energiereich.

Fehler 3:

Lösung:

Das Myosinköpfchen lagert sich an frei werdende Bindungsstelle der Aktins an und bildet Längsbrücken (Querbrücke) aus.

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