Biofísica Muscular

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Biofísica Muscular 
Introdução 
O músculo é a principal “máquina” 
do corpo que converte energia química em 
energia cinética (movimento), sendo o 
maior tecido individualizado do corpo. 
Três tipos de músculos são 
encontrados nos animais vertebrados: 
esquelético, liso e cardíaco. Tanto o 
esquelético e o cardíaco exibem uma 
aparência estriada, já o músculo liso, 
como o nome diz é liso. Ademais, os 
músculos lisos e cardíacos possuem 
movimentos involuntários. 
O músculo liso reveste órgãos ocos 
(estômago, intestinos, útero, vasos etc.), 
faz movimentos no conteúdo luminal e a 
regulação de fluxo sanguíneo por controle 
do diâmetro dos vasos. Está presente 
também no folículo piloso e na íris. 
O músculo cardíaco impulsiona o 
sangue pelo sistema circulatório, podendo 
sofrer contrações espontâneas. 
 O músculo esquelético está sob 
controle nervoso voluntário por estímulos 
externos que são processados por 
receptores, enviados ao sistema nervoso 
central e transmitidos aos efetores, que 
levam esse estímulo aos músculos. 
 
 
Músculo Esquelético 
Estrutura 
O músculo esquelético é composto 
por fibras musculares circundadas por 
uma membrana plasmática, o sarcolema, 
composto de uma fina camada de 
polissacarídeo com fibrilas colágenas. Essa 
camada se funde com uma fibra do 
tendão, que se une com várias dessas para 
formar os tendões que ligam os músculos 
aos ossos. 
Miofibrilas 
 Uma fibra muscular é constituída 
por um feixe com várias miofibrilas, 
embebidas no liquido intracelular, o 
sarcoplasma. Na miofibrila são vistas 
faixas alternadas entre escuras e claras. 
As faixas escuras são chamadas de 
faixas A (anisotrópicas, ou seja, 
birrefringentes na luz polarizada). As faixas 
claras são chamadas de faixas I 
(isotrópicas, ou seja, não se alteram com a 
luz polarizada). A região central da faixa A 
é chamada de zona H e aparece menos 
densa que o resto dela, tendo uma linha 
central chamada de linha M. A faixa I é 
dividida pelo disco Z muito denso e 
estreito. 
O sarcômero é a região entre dois 
discos Z adjacentes. Quando a fibra está 
contraída, o comprimento do sarcômero é 
de cerca de 2 micrômetros. Nesse 
comprimento, a actina sobrepõe 
completamente a miosina. 
 
 
 
 
Filamentos 
As miofibrilas são constituídas de 
dois tipos de filamentos, responsáveis pela 
contração muscular. Os filamentos 
grossos são confinados às faixas A, 
contendo a proteína miosina. 
Os filamentos finos localizam-se na 
faixa I e se estendem até a faixa A, sem 
alcançar a zona H, contendo as proteínas 
actina, tropomiosina e troponina. Na 
faixa A, os filamentos finos estão dispostos 
em torno da miosina, formando um arranjo 
hexagonal. 
Os filamentos grossos e finos 
interagem por meio de pontes cruzadas, 
que são pequenas projeções laterais da 
miosina que se interagem com a actina, 
sendo responsáveis pelas contrações. 
Filamentos de Titina 
O posicionamento lado a lado da 
miosina e actina é mantido pelas proteínas 
chamadas titina, muito flexíveis. Tal 
flexibilidade mantém os filamentos de 
actina e miosina em seus lugares, 
permitindo a ação contrátil. Uma 
extremidade da titina é elástica, estando 
fixada ao disco Z, atuando como mola e 
variando seu tamanho conforme o 
sarcômero contrai e relaxa. A outra 
extremidade ancora na miosina. 
 Sarcoplasma 
Os espaços entre as miofibrilas são 
preenchidos por um liquido intracelular, o 
sarcoplasma, que contém potássio, 
magnésio, fosfato e enzimas. Também 
possui mitocôndrias que fornecem ATP 
para as miofibrilas que se contraem. 
Retículo Sarcoplasmático 
No sarcoplasma há um retículo que 
circunda as miofibrilas, o retículo 
sarcoplasmático. Ele tem a função de 
regular o armazenamento, a liberação e a 
recaptação de cálcio, além de auxiliar na 
contração muscular. 
Os chamados túbulos transversos 
(T) estão presentes nesse retículo, sendo 
condutores do sinal elétrico para o interior 
da fibra muscular. 
Contração Muscular - Resumida 
A contração muscular ocorre nas 
seguintes etapas: 
1. Potenciais de ação vão do nervo 
motor até as fibras musculares; 
2. Em cada terminação da fibra, o nervo 
secreta a substância acetilcolina; 
3. A acetilcolina age na membrana da 
fibra, abrindo canais de cátion; 
4. Esses canais permitem a difusão de 
sódio para dentro da membrana 
causando a despolarização local e o 
potencial de ação da membrana; 
5. Esse potencial de ação se propaga 
por toda a membrana da fina; 
6. A eletricidade do potencial flui pelo 
centro da fibra e permite que o 
retículo sarcoplasmático libere íons 
cálcio armazenados nesse retículo; 
7. Os íons cálcio fazem com que a 
miosina e actina se deslizem ao lado 
um do outro, gerando contração; 
8. O cálcio é bombeado de volta ao 
retículo por bomba de Ca2+ até que a 
contração cesse. 
Contração Muscular 
No estado relaxado, as 
extremidades dos filamentos de actina mal 
se sobrepõem. No estado contraído, essas 
actinas são tracionadas entre os filamentos 
de miosina, sobrepondo suas extremidades 
umas às outras, em uma extensão máxima. 
Desse modo, a contração muscular ocorre 
por deslizamentos dos filamentos. 
Esses deslizamentos resultam de 
forças geradas pelas pontes cruzadas das 
miosinas com actinas. No repouso essas 
forças são inativas, mas quando o potencial 
de ação faz com que o retículo 
sarcoplasmático libere Ca2+, esses íons 
ativam as forças e a contração começa. 
A energia para continuar a 
contração é derivada de moléculas de ATP 
(fornecidas por mitocôndrias), que são 
degradadas em ADP. 
Os Filamentos de Miosina 
Uma molécula de miosina é 
composta de seis cadeias polipeptídicas – 
duas pesadas e quatro leves. As pesadas 
se espiralam para formar uma dupla hélice, 
chamada de cauda. Uma ponta de cada 
cadeia pesada é dobrada para formar duas 
cabeças livres. As quatro cadeias leves 
também fazem parte dessa cabeça. 
Um filamento de miosina é formado 
por centenas de moléculas de miosina. O 
centro desses filamentos é formado pelas 
caudas das moléculas, sendo chamado de 
corpo do filamento, enquanto as cabeças 
das moléculas se projetam para as laterais 
desse corpo com ajuda de um braço, que 
estende essas cabeças. 
Os braços e as cabeças formam as 
pontes cruzadas, pois o braço permite que 
a cabeça se afaste ou se aproxime do corpo 
e a cabeça participa do processo real de 
contração. Cada ponte é flexível em dois 
locais, as dobradiças (um na junção entre 
o braço e o corpo e o outro na ligação da 
cabeça ao braço). 
Outra característica da cabeça é 
funcionar como uma ATPase, clivando uma 
molécula de ATP em ADP e utilizando sua 
energia para o processo de contração. 
Os Filamentos de Actina 
O filamento de actina é um filamento 
duplo de duas moléculas de actina F, que 
se enroscam em forma de hélice. 
Cada filamento em dupla hélice de 
actinas F é composto por moléculas de 
actina G polimerizadas. Ligadas a cada 
actina G existe uma molécula de ADP, que 
são os locais ativos da actina que 
interagem com as pontes cruzadas da 
miosina para produzir a contração. 
As Moléculas de Tropomiosina 
Os filamentos de actina contêm 
também as tropomiosinas. Elas estão 
espiraladas nos sulcos da dupla hélice das 
actinas F. Durante o repouso, as 
tropomiosinas recobrem os locais ativos da 
actina, impedindo a possibilidade de 
atração entre actina e miosina. 
Um filamento de actina composto por dois 
filamentos helicoidais de actinas F e dois filamentos 
de tropomiosina, que se encaixam nos sulcos entre 
os filamentos de actina. Ligado a uma extremidade 
de cada molécula de tropomiosina está o complexo 
de troponina que inicia a contração muscular. 
 
As Moléculas de Troponina 
Ligado aos lados das tropomiosinas 
estão as troponinas. Essas moléculas são 
três subunidades proteicas, com diferentes 
funções. A troponina I tem forte afinidade 
com a actina, a troponina T com a 
tropomiosina e a troponina C com os íons 
Ca2+. A afinidade da troponina pelos íons 
Ca2+ desencadeia o processo de contração.A Interação entre Miosina e Actina 
O filamento de actina, sem o 
complexo troponina-tropomiosina (mas 
com íons magnésio e ATP) se liga às 
cabeças da miosina. Mas se o complexo 
troponina-tropomiosina for adicionado, a 
união não ocorre, pois, tal complexo inibe 
os locais ativos da actina. Portanto, antes 
que a contração possa ocorrer, os efeitos 
inibidores do complexo devem ser inibidos. 
Esse complexo troponina-
tropomiosina é inibido na presença de íons 
Ca2+, pois os íons se ligam à troponina C e 
a molécula de tropomiosina é deslocada, 
“descobrindo” os locais ativos da actina e 
permitindo que esses locais ativos atraiam 
as pontes cruzadas das cabeças da 
miosina, prosseguindo a contração. 
A Teoria de “Ir para Diante” 
Quando uma cabeça se liga ao local 
ativo, alterações nas forças entre a cabeça 
e o braço são provocadas, fazendo com 
que a cabeça se incline em direção ao 
braço e leve com ela o filamento de actina. 
Essa inclinação é chamada de força de 
deslocamento (power stroke). Após a 
inclinação, a cabeça se separa do local 
ativo e retorna para sua direção estendida. 
O Papel do Complexo troponina-tropomiosina 
 
Ao retornar, a cabeça se combina 
com um novo local ativo e então a cabeça 
volta a se inclinar para efetuar um novo 
movimento de força e mover o filamento de 
actina novamente. Desse modo, as pontes 
cruzadas se inclinam para frente e para 
trás, puxando as extremidades livres de 
dois filamentos de actina em direção ao 
centro do filamento de miosina. 
ATP como Fonte de Energia 
Quando um músculo se contrai, 
grandes quantidades de ATP são usadas. 
Quanto maior o trabalho do músculo maior 
a quantidade de ATP degradada, o que é 
referido como o Efeito Fenn. Esse efeito 
ocorre na seguinte maneira: 
1. Antes da contração, as cabeças se 
ligam ao ATP, e a atividade da 
ATPase dessas cabeças cliva o ATP 
em ADP e um íon fosfato, que ainda 
permanecem na cabeça; 
2. Quando o complexo troponina-
tropomiosina se liga aos íons Ca2+, os 
locais ativos são descobertos, e as 
cabeças se ligam a esses locais; 
3. A ligação entre a ponte cruzada da 
cabeça e o local ativo causa 
alteração conformacional da cabeça, 
inclinando-a em direção ao braço, o 
que gera um movimento de força 
para puxar o filamento de actina. A 
energia que ativa esse movimento é 
a energia já armazenada (ADP + íons 
fosfato), como uma mola 
“engatilhada”; 
4. Quando a cabeça se inclina, o ADP é 
liberado. No local onde foi liberado o 
ADP, um novo ATP se liga, causando 
desligamento da cabeça pela actina; 
5. O novo ATP é clivado e o ciclo se 
inicia novamente. Ou seja, a energia 
volta a “engatilhar” a cabeça. 
Esse processo ocorre de maneira 
sucessiva até que os filamentos de actina 
puxem o disco Z contra as extremidades 
dos filamentos de miosina. 
As Fontes de Energia para a Contração 
A maior parte de energia necessária 
para a contração é para o mecanismo de 
ir para diante (walk-along), mas também é 
necessária para o bombeamento de Ca2+ 
de volta para o retículo sarcoplasmático e 
para o bombeamento de Na+ e K+ que 
mantém o ambiente apropriado para a 
propagação do potencial de ação. 
O ATP clivado para formar ADP só 
mantém a contração de 1 a 2 segundos. 
Esse ADP pode ser refosforilado por três 
fontes de energia para prosseguir a 
contração muscular. 
A primeira fonte é pela 
fosfocreatina, que é uma creatina que 
transporta uma ligação fosfato que se liga 
ao ADP para reconstituir o ATP. Porém, a 
quantidade total de fosfocreatina no 
músculo é pequena e ela é capaz de manter 
a contração por apenas 5 a 8 segundos. 
A segunda fonte é a glicólise do 
glicogênio armazenado nos músculos. O 
desdobramento do glicogênio em ácidos 
pirúvico e lático libera energia, utilizada 
para converter ADP em ATP. Esse ATP 
pode prosseguir com a contração ou 
reconstituir as moléculas de creatina. Esse 
mecanismo pode ocorrer na ausência de 
oxigênio por mais de 1 minuto. 
A terceira fonte é o metabolismo 
oxidativo, que combina o oxigênio com os 
produtos finais da glicólise para liberar ATP. 
Contrações longas derivam mais de 95% 
de suas energias do metabolismo oxidativo. 
Os nutrientes consumidos são gorduras, 
carboidratos e proteínas. Atividades de 1 a 
2 horas derivam sua energia principalmente 
da gordura, mas atividades de 2 a 4 horas 
derivam metade da energia de açucares. 
Contrações Isométricas e Isotônicas 
Uma contração é isométrica quando 
o músculo não encurta, e isotônica 
quando encurta, mas sua tensão 
permanece constante. 
 
No sistema isométrico, o músculo se 
contrai sem se encurtar. No sistema 
isotônico, o músculo se encurta contra a 
carga, levantando o peso. As contrações 
isotônicas dependem da carga e da 
inércia da carga. As contrações isoméricas 
registram variações de tensão sem 
depender da inércia da carga. 
Portanto, a contração isotônica 
ocorre quando a força é superior à carga e 
a tensão permanece constante, mas o 
músculo se altera. A contração isométrica 
ocorre quando a carga é maior que a força 
e a tensão se altera, mas o comprimento do 
músculo permanece constante. 
A figura acima mostra três 
contrações isométricas de diferentes 
músculos esqueléticos. O músculo ocular 
deve ter contrações extremamente rápidas 
por estar nos olhos. O músculo 
gastrocnêmio se contrai moderadamente, 
permitindo o movimento dos membros para 
corridas e saltos. Já o músculo sóleo deve 
contrair lentamente para o suporte contínuo 
por longo período do corpo contra a 
gravidade. 
Fibras Rápidas e Fibras Lentas 
Cada músculo do corpo é constituído 
de fibras rápidas e fibras lentas. Músculos 
que reagem rapidamente são compostos 
em sua maior parte por fibras rápidas e 
músculos que respondem lentamente, mas 
com contração prolongada, são compostos 
em sua maior parte por fibras lentas. 
→ Fibras lentas: são menores que as 
rápidas e possuem fibras nervosas 
menores. Possuem um sistema de 
vascularização extenso e mais 
capilares, para suprir quantidades 
extras de oxigênio. Possuem mais 
mitocôndrias, devido ao alto nível de 
metabolismo oxidativo e mais 
mioglobinas (proteínas que se 
combinam com o oxigênio e o 
armazena até que seja necessário), o 
que dá a aparência e o nome de 
músculo vermelho; 
→ Fibras brancas: são grandes para 
obter grande força de contração. 
Possuem um extenso retículo 
sarcoplasmático para a rápida 
liberação de íons Ca2+. Possuem 
muitas enzimas glicolíticas, devido ao 
alto nível de glicólise. Têm um 
suprimento de sangue menos 
extenso e menos mitocôndrias, pois o 
metabolismo oxidativo tem pouca 
importância. Ao déficit de mioglobina 
dá-se o nome de músculo branco. 
Unidade Motora 
Cada motoneurônio (neurônio 
motor) inerva várias fibras musculares, 
constituindo uma unidade motora. Em 
geral, pequenos músculos, que reagem 
rapidamente, têm mais fibras nervosas e 
menos fibras musculares. Grandes 
músculos, que não necessitam de um 
controle preciso, podem ter muitas fibras 
musculares em uma unidade motora. 
Uma unidade motora consiste em um neurônio 
motor e o grupo de fibras que inerva. Um axônio 
motor pode se dividir para inervar várias fibras 
musculares. Embora cada fibra seja inervada por 
um único neurônio motor, um músculo completo 
pode receber inervação de vários neurônios 
motores. 
 
 
 
 
Somação das Forças 
Somação significa a soma de abalos 
individuais, para aumentar a intensidade da 
contração total. A somação pode ocorrer 
por dois meios: pelo aumento do número de 
unidades motoras que se contraem ao 
mesmo tempo (somação por fibras 
múltiplas); e pelo aumento da frequência 
de contração (somação por frequência) 
que pode levar à tetanização. 
Somação por Fibras Múltiplas 
Quando o SNC envia um sinal fraco 
de contração, as menores unidades são 
estimuladas em preferência às maiores. 
Logo, à medida que a força do sinal 
aumenta, unidades motoras maiores 
começam a ser excitadas. Esse fenômeno, 
conhecido como princípio de tamanho 
permite a gradação da força muscular 
quandogrande quantidade de força é 
necessária. 
Somação por Frequência e a Tetanização 
A figura a seguir mostra essa 
somação. O lado esquerdo mostra 
contrações musculares individuais 
sucedendo-se uma após a outra, com 
baixa frequência. À medida que a 
frequência aumenta novas contrações 
ocorrem antes que as anteriores terminem, 
resultando em contrações somadas com 
forças de contração maiores. Quando a 
frequência chega em um nível crítico, as 
contrações ficam tão rápidas que se 
fundem, e a contração aparenta ser 
uniforme e contínua (tetanização). Com 
uma frequência um pouco maior, a força de 
contração atinge sua capacidade máxima. 
 
A tetania ocorre porque quantidades 
suficientes de íons cálcio são mantidas no 
sarcoplasma, mesmo entre os potenciais 
de ação, de modo que o estado contrátil 
total é mantido sem nenhum grau de 
relaxamento entre os potenciais. 
O Efeito da Escada (treppe) 
Quando um músculo começa a se 
contrair, sua força inicial de contração é 
muito menor que a força final. Isso significa 
que a força de contração aumenta até 
atingir uma estabilidade, fenômeno 
conhecido como efeito da escada ou 
treppe. 
Tônus Muscular 
Músculos em repouso ainda podem 
apresentar tensão, tensão essa conhecida 
como tônus muscular. Esse tônus resulta 
inteiramente de baixa frequência de 
impulsos nervosos vindos da medula 
espinal. 
Fadiga Muscular 
Contrações muito fortes e 
prolongadas levam à famosa fadiga 
muscular. Essa fadiga aumenta em 
proporção diretamente com a intensidade 
de perda de glicogênio muscular. A fadiga 
surge, então, pela incapacidade contrátil. 
Além disso, a transmissão dos 
sinais nervosos também pode diminuir 
após intensa atividade muscular, 
diminuindo assim a contração. 
A interrupção do fluxo sanguíneo 
leva à fadiga em apenas 1 ou 2 minutos, 
devido à perda de nutrientes, 
especialmente o oxigênio. 
A Junção Neuromuscular 
As fibras musculares são inervadas 
por fibras nervosas, que podem se ramificar 
e estimular centenas de fibras musculares. 
Cada terminação nervosa faz uma junção, 
a junção neuromuscular. Toda essa 
estrutura pode ser chamada de placa 
motora. Ocorre uma junção entre o 
terminal de um axônio e a membrana da 
fibra muscular. A membrana invaginada é 
chamada goteira sináptica, e o espaço 
entre o terminal e a membrana da fibra é 
chamado de fenda sináptica. No fundo da 
goteira sináptica estão pequenas dobras da 
membrana muscular, chamadas fendas 
subneurais que aumentam a superfície de 
contato do transmissor sináptico. 
Há muitas mitocôndrias no terminal 
axônico, responsáveis for fornecer ATP 
para a síntese de acetilcolina, um 
neurotransmissor que excita o sarcolema. A 
acetilcolina, antes de ser enviada, fica 
armazenada nas vesículas sinápticas. No 
espaço sináptico estão as enzimas 
acetilcolinesterase, que destroem a 
acetilcolina depois de ser liberada. 
Secreção da Acetilcolina 
Na superfície da membrana neural 
estão as barras densas e, nos lados 
dessas barras, estão canais de cálcio. 
Quando um potencial de ação se propaga 
pelo terminal, os canais se abrem e os íons 
Ca2+ se difundem para o terminal nervoso, 
liberando as vesículas de acetilcolina para 
próximas à membrana neural. As vesículas 
então lançam a acetilcolina no espaço 
sináptico por exocitose. 
Liberação de Acetilcolina das Vesículas 
Sinápticas na membrana neural 
Acetilcolina e Canais de Sódio 
Após ser lançada, a acetilcolina se 
conecta a receptores de acetilcolina na 
membrana da fibra muscular e canais de 
Na+ controlados pela acetilcolina se 
localizam na fenda subneural. 
Os canais iônicos permitam a 
entrada de Na+ que provocam alteração 
potencial local positiva, chamado de 
potencial da placa motora. Esse potencial 
inicia um potencial de ação, que se propaga 
pelo sarcolema e causa a contração. 
Canal de Na+ controlado pela Acetilcolina (Ach) 
Destruição da Acetilcolina 
Após ser liberada no espaço 
sináptico, a acetilcolina deve ser removida 
rapidamente para evitar a reexcitação 
continuada do músculo. Essa destruição é 
feita pela enzima acetilcolinesterase. 
A Excitação da Fibra Muscular 
O influxo dos íons Na+ para a fibra 
muscular cria o potencial da placa motora. 
A junção neuromuscular tem alto fator de 
segurança devido a amplitude desse 
potencial. A estimulação da fibra nervosa 
com frequências maiores que 100 vezes 
por segundo diminuem o número de 
vesículas de acetilcolina fazendo com que 
os impulsos não sejam transmitidos à fibra, 
levando à fadiga da junção neuromuscular. 
Fármacos e a Junção Neuromuscular 
A metacolina, o carbacol e a nicotina 
estimulam a fibra muscular com uma ação 
semelhante à da acetilcolina. Porém, eles 
não são destruídos pela colinesterase, 
deixando a contração ocorrer por várias 
horas em estado de espasmo muscular. 
 
Já a neostigmina, figostigmina e o 
fluorofosfato de di-isopropol estimulam a 
junção neuromuscular inativando a 
acetilcolinesterase. Desse modo, a 
acetilcolina se acumula e estimula 
rapidamente a fibra muscular por meio dos 
espasmos musculares. 
A D-tubocurarina bloqueia a ação da 
acetilcolina, evitando, assim, o aumento da 
permeabilidade dos canais de sódio. 
Miastenia Grave 
A miastenia grave é uma doença 
autoimune que causa fraqueza muscular 
devido à incapacidade de as junções 
neuromusculares transmitirem sinais das 
fibras nervosas para as fibras musculares. 
Seus pacientes desenvolvem 
anticorpos que destroem seus próprios 
receptores para acetilcolina. A neostigmina 
pode melhorar os sintomas dessa doença 
ao inativar a acetilcolinesterase. 
Os Potenciais de Ação e os Túbulos T 
Os potenciais de ação não 
conseguem provocar o fluxo de corrente no 
interior da fibra. Desse modo, a penetração 
se dá pelos túbulos transversos, que 
penetram a fibra muscular, de um lado a 
outro. Os potenciais de ação no túbulo T 
provocam a liberação de íons Ca2+ pelo 
retículo sarcoplasmático. 
Esses túbulos T são invaginações do 
sarcolema. Portanto, quando um potencial 
de ação se propaga pelo sarcolema, ele 
também se propaga pelos túbulos T. 
Entre os dois lados de um túbulo T, 
estão os retículos sarcoplasmáticos, 
compostos de cisternas terminais que se 
conectam aos túbulos T e de longos 
túbulos longitudinais que circundam as 
miofibrilas. 
Liberação de Cálcio 
Dentro do retículo sarcoplasmático 
existe um excesso de íons Ca2+ liberados 
pelo potencial de ação dos túbulos T. 
Receptores de canal de rianodina 
(DHP) encontrados nas cisternas 
desencadeiam a abertura de canais de 
cálcio para os túbulos longitudinais ao 
receberem o potencial dos túbulos T. 
Remoção de Cálcio 
Quando liberados, os íons Ca2+ se 
difundem nas miofibrilas e promovem a 
contração até que haja cálcio. Porém, uma 
bomba de Ca2+ bombeia os íons cálcio de 
volta para o retículo sarcoplasmático com a 
ajuda da proteína calsequestrina, que 
pode quelar o cálcio.