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Biofísica do Aparelho Locomotor Fátima Pereira de Souza Sistema muscular Tipos de músculos: todo músculo é formado por um feixe de fibras. Existem dois tipos principais de fibras musculares, as lisas e as estriadas. Essa nomenclatura vem do seu aspecto microscópio. Fibras lisas: Contraem-se mais lentamente, mas a contratura pode demorar muito tempo. São encontradas nas vísceras e especialmente no tubo digestivo, bexiga e artérias. Fibras Estriadas: Contraem-se mais rapidamente, e em casos normais, sua contração dura pouco. Formam a massa dos músculos esqueléticos, e como um tipo especial do miocárdio, totalizando cerca de 40% da massa corporal. Relações Energéticas no Músculo O músculo é um biossistema que transforma energia elétrica potencial de biomoléculas em calor e trabalho mecânico. Em repouso, a energia está praticamente toda em seu estado potencial. Quando o músculo se contrai, há duas formas de liberação de calor, uma pela reação química e outra pelo atrito entre as estruturas. O movimento que representa o trabalho mecânico é representado pela contração muscular. Tanto o calor quanto o trabalho muscular, podem ser medidos com precisão. Eficiência mecânica (Ef) Ef = Trabalho realizado / energia gasta Tipos de Contrações Musculares Todas as contrações musculares podem ser classificadas como: 1) ISOMETRICAS ou 2) iSOTONICAS 1)isometricas ocorrem quando a tensão desenvolvida é dentro do músculo, mas os ângulos articulares permanecem constantes. Elas podem ser imaginadas como estáticas, já que pode ser desenvolvida uma quantidade significativa de tensão no músculo para manter o ângulo articular numa posição relativamente estática ou estável. Neste caso não há trabalho físico (Força x Distancia é nula) toda energia utilizada é dissipada em calor. Tipos de Contrações Musculares 2) isotônicas envolvem desenvolvimento de tensão por parte do músculo para originar ou controlar o movimento articular e podem ser imaginadas como contrações dinâmicas, já que a variação no grau de tensão dos músculos faz com que os ângulos articulares mudem. O tipo isotônico de contração muscular é ainda subdividido em concêntrico e excêntrico, dependendo se ocorrerá encurtamento ou alongamento. Já neste caso há trabalho pois o músculo se contrai e diminui seu comprimento e as distribuições de energia é descrito como na figura 14.1. Esses dois parâmetros de contração muscular (isométrica e isotônica) estão definidos pela a equação de Hill En = A + (a .Δ L) + (f . Δ L) Onde: A é o calor de ativação, a é o calor de contração, L é a distância percorrida e f é a força exercida pelo músculo. Isométrica ΔL = 0, pois o músculo não muda de comprimento, não há trabalho, neste caso En = A Isotônica ΔL ≠ 0 Logo é valida toda a equação de Hill Anatomia e Fisiologia do Músculo Esquelético Músculos esqueléticos são constituídos por inúmeras fibras que variam de 10 a 80µm Organização do músculo esquelético, do nível macroscópico ao molecular 40% músculo esquelético 10% músculo liso e cardíaco Estrutura de fibra muscular Sarcolema: membrana celular da fibra muscular constituída por fina camada fibrilar de colágeno, cada extremidade da fibra muscular, funde- se com fibra tendinosa e junta-se com feixe para formar os tendões do músculo que se inserem nos ossos. Miofibrilas: Filamento de actina e miosina Cada fibra contém várias centenas de miofibrilas Cada miofibrila é formada por 1.500 filamentos de miosina adjacentes e 3.000 filamentos de actina que são moléculas polimerizadas responsáveis pela contração muscular. •No estado relaxado = as extremidades dos filamentos de actina que se estendem de dois discos Z sucessivos, mal se sobrepõem; •No estado contraído= esses filamentos de actina são tracionados por entre os filamentos de miosina, de forma que suas extremidades se sobrepõem. Umas ás outras em sua extensão máxima; • Os discos Z foram tracionados pelos filamentos de actina ate as extremidades dos filamentos de miosina. Assim, a contração muscular ocorre por deslizamento dos filamentos. Sarcômero Estados contraído e relaxados da miofibrila mostrando (acima) o deslizamento dos filamentos de actina (azul), pelos espaço entre os filamentos de miosina (marron), e (abaixo) puxando as membranas Z umas contra as outras Arranjo dos filamentos de sarcomeros Macanismo geral de contração muscular Macanismo de contração muscular Potencial de açao sinal eletrico proviniente do cerebro ou da medula espinhal ate o moto neuronio alfa Macanismo de contraçao muscular Potencial de açao Terminais axonais Libera neurotransmissor Acatilcolina (Ach) Mecanismo Molecular da Contração Muscular Características Moleculares dos Filamentos Contráteis A=Molécula de miosina, B=combinação de muitas moléculas de miosina para formar o filamento de miosina. São mostrados, também milhares de pontes cruzadas de miosina e interações entre as cabeças das pontes com os filamentos adjacentes de actina Filamentos de Miosina; Atividade da ATPase da Cabeça de Miosina Filamentos de actina; As moléculas de troponina A troponina e seu papel na contração muscular calda cabeça Cadeia leve 2 cadeias pesadas Filamentos de miosina Mecanismo Molecular da Contração Muscular Filamentos de actina; Duplo filamento de actina-F dois filamentos claros as moléculas de troponina Filamentos de actina, composto por dois filamentos helicoidais de moléculas de actina F e dois filamento de moléculas de tropomiosina que se encaixam nos sulcos ente os filamentos de actina. Ligado a uma extremidade de cada molécula de tropomiosina está o complexo de tropomiosina que inicia a contração. Sitio ativo Complexo troponina tropomiosina Actina F Mecanismo de ir para diante para contração dos músculos Mecanismo Molecular da Contração Muscular Cabeças de duas pontes cruzadas se ligando e se desligando dos locais ativos de filamento de actina; e esse ligação provoca profunda alteração nas forças intramoleculares entre as cabeças e os braços dessas pontes cruzadas Sitio ativo Filamento de actina Filamento de miosina dobradiças Movimento de força http://highered.mcgraw- hill.com/sites/0072495855/student_view0/chapter10/animation__action_potentials_and_muscle_contraction.ht ml Contraído Relaxado Efeito do grau de Sobreposição dos Filamentos de Actina e de Miosina sobre o desenvolvimento de Tensão pela Contração Muscular Diagrama do comprimento-tensão para sarcômero único, totalmente contraído, mostrando a força máxima de contração quando o sarcômero tem 2.0 a 2.2 µ de comprimento. No lado superior direito, estão as posições relativas dos filamentos de actina e miosina em diferentes comprimentos do sarcomero do ponto A ao ponto D. Energética da Contração Muscular Relação entre a carga e a velocidade da contração do músculo esquelético Relação entre a velocidade de contração e a carga Contração oposto a carga (kg) A- Transmissão Neuromuscular B- Acoplamento Excitação-Contração Cada terminação nervosa forma uma junção (junção neuromuscular) com a fibra muscular próxima de seu ponto médio, e o potencial de ação resultante, na fibra muscular, percorre os 2 sentidos, na direção das extremidades dafibra muscular Excitação do Músculo Esquelético Liberação da acetilcolina das vesículas sinápticas na membrana neural da junção neuromuscular. Observe a proximidade entre os locais de liberação na membrana muscular, nas aberturas das fendas subneurais Moto neuronio libera Ach Que se liga a receptores no sarcolema Se ocorrer a ligaçao de uma quantidade suficiente de Ach, sera gerado um potencial de ao muscular Secreção de Acetilcolina pelas Terminações Nervosas Canal colinérgico. A = estado fechado B = depois que a acetilcolina (Ach) se ligou e uma alteração de conformação abriu o canal, permitindo que íons sódio penetrassem na fibra muscular e estimulassem a contração. Observe as cargas negativas na abertura do canal que impedem a passagem de íons negativos como o cloreto A entrada brusca de íons sódio no interior da fibra muscular quando os canais de acetilcolina se abrem faz com que o potencial de membrana da fibra na área local da placa motora aumente, na direção positiva, por até 50 a 75mV, dando origem a um potencial local denominado potencial de placa motora. Potencial de placa motora e excitação da fibra muscular esquelética Secreção de Acetilcolina pelas Terminações Nervosas Potenciais de placa motora ( em milivolts). A=potencial de placa motora de pequena amplitude registrado em um músculo curarizado, insuficiente para desencadear um potencial de ação; B= potencial de placa motora normal , desencadeando um potencial de ação muscular; C= Potencial de placa motora reduzido em amplitude pela toxina botulinica, que diminui a liberação de acetilcolina na placa motora o potencial é insuficientepara desencadear um potencial de ação muscular 1)Potencial de repouso aproximadamente -70 a -80mV nas fibras esqueléticas 2) Durante o potencial de ação 1 a 5ms no músculo esquelético 3) Velocidade de condução 3 a 5 m/s aproximadamente 1/13 da velocidade de condução das grandes fibras nervosas mielinizadas que excitam o músculo esquelético Potencial de Ação do Músculo B) Acoplamento Excitação-Contração Potencial de Ação do Músculo Sistema túbulo transverso (T) reticulo sarcoplasmático. Observe que os túbulos T se comunicam com a parte externa da membrana celular e, profundamente na fibra muscular cada túbulo T se situa adjacente as extremidades dos túbulos longitudinais do reticulo sarcoplasmático que circundam as miofibrilas que de fato se contraem. Estas ilustrações foi desenhada do músculo de sapo que tem túbulos T por sarcomero, localizado na linha Z. Um arranjo similar é encontrado no músculo cardíaco dos mamíferos; porém, o músculo esquelético dos mamíferos tem dois túbulos T por sarcomero localizado nas junções das bandas A-I Resumo do processo de contração muscular Energia para a contração muscular http://highered.mcgraw- hill.com/sites/0072495855/student_view0/chapter10/animation__action_potentials_and_muscle_contraction.ht ml Processo ativo – Energia - ATP Acoplamento Excitação-Contração Liberação de íons cálcio pelo reticulo sarcoplasmático Acoplamento excitação-contração no músculo, mostrando (1) Um potencial de ação que causa liberação de íons cálcio do reticulo sarcoplasmático e, em seguida (2) receptação dos íons cálcio por uma bomba de cálcio. Referências GUYTON, A. C.; HALL, J. E. Tratado de Fisiologia Médica. Elsevier, 11ªed. Rio de Janeiro –RJ, 2006. HENEINE I. F. Biofísica Básica. São Paulo: editora Atheneu, 2010 http://highered.mcgraw- hill.com/sites/0072495855/student_view0/chapter10/animation__breakdow n_of_atp_and_cross-bridge_movement_during_muscle_contraction.html http://highered.mcgraw- hill.com/sites/0072495855/student_view0/chapter10/animation__action_potentials_and_muscle_contraction.ht ml http://highered.mcgraw- hill.com/sites/0072495855/student_view0/chapter10/animation__function_of_the_n euromuscular_junction__quiz_1_.html http://highered.mcgraw- hill.com/sites/0072495855/student_view0/chapter10/animation__myofilament_ contraction.html http://highered.mcgraw- hill.com/sites/0072495855/student_view0/chapter10/animation__sarcomere _contraction.html Exercícios Exemplo 1- um músculo realiza certo trabalho, e o calor desperdiçado é medido dando um valor de 850J. O trabalho mecânico foi levantar massa de 30kg a 1 metro de altura. a) Qual a eficiência mecânica? b) e qual o calor produzido? 2- um homem de 70 kg sobe correndo uma escada de 6 metros de altura em 10 segundos. A) O trabalho físico realizado pelo é? b)Qual o trabalho biológico se o trabalho biológico foi 25% do trabalho físico? 3- Descreva o mecanismo molecular de contração muscular? Estudo dirigido 1-Descreva o processo de despolarização da membrana. Descreva os quais mecanismos estão envolvido neste processo e qual a sua importância. 3- Qual a participação do transporte passivo e ativo polarização da membrana celular. 4- O que e sinapse e qual sua importância? Deferência sinapse física de sinapse química. 5- Diferencie sinapse excitatória de sinapse inibitória. Descreva detalhadamente cada uma. 6- Descreva os passos para a transdução de um potencial de ação na sinapse. 7-Como a acetilcolina participa do processo de sinapse? 8-No processo auditivo descreva quais são as partes envolvidas na: Captação e condução e na transformação da energia sonora em deslocamento mecânico e amplificação da onda mecânica. 9- Qual a função da cóclea na transformação do movimento mecânico em hidráulico, e hidráulico em pulso elétrico? 10- Quais são as principais componentes do órgão de corte e qual seu papel na decodificação do pulso elétrico.
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