BIOFIZICA CONTRACTIEI BIOFIZICA CONTRACTIEI MUSCULAREMUSCULARE

GeneralitatiGeneralitatiUna din caracteristicile esentiale ale Una din caracteristicile esentiale ale materiei vii este capacitatea de a-si materiei vii este capacitatea de a-si schimba localizarea in spatiu (motilitate) si schimba localizarea in spatiu (motilitate) si capacitatea de a genera forte capacitatea de a genera forte (contractilitatea).(contractilitatea).In sistemele biologice exista structuri In sistemele biologice exista structuri specializate care asigura producerea de specializate care asigura producerea de lucru mecanic ca rezultat direct al unor lucru mecanic ca rezultat direct al unor reactii chimice. Are loc o conversie a reactii chimice. Are loc o conversie a energiei chimice direct in lucru mecanic energiei chimice direct in lucru mecanic (fara caldura intermediara).(fara caldura intermediara).

GeneralitatiGeneralitatiSuportul energetic al contractiei musculare este Suportul energetic al contractiei musculare este reactia de hidroloza a ATP:reactia de hidroloza a ATP:

ATP + HATP + H22O ADP +PO ADP +PAA Cantitatea de energie stocata intr-un mol de ATP Cantitatea de energie stocata intr-un mol de ATP este 7,3 Kcal/mol. este 7,3 Kcal/mol. Principiul conversiei chemo-mecanice se bazeaza Principiul conversiei chemo-mecanice se bazeaza pe modificarile conformationale ale pe modificarile conformationale ale macromoleculelor proteice implicate in structura macromoleculelor proteice implicate in structura fibrei musculare:fibrei musculare:

– Sistemul actina- miozina la vertebrate.Sistemul actina- miozina la vertebrate.– Sistemul tubulina dienina la cili si flageliSistemul tubulina dienina la cili si flageli– Flagelina la bacteriiFlagelina la bacterii– Spasmina = proteina contractila specializata in legarea Spasmina = proteina contractila specializata in legarea

calciuluicalciului

Muschi reprezinta 45% din Muschi reprezinta 45% din greutatea totala a corpuluigreutatea totala a corpului

Corpul uman contine peste 650 de Corpul uman contine peste 650 de muschimuschi

Din punct de vedere structural, Din punct de vedere structural, exista urmatoarele tipuri de muschi: exista urmatoarele tipuri de muschi: scheletici sau striati, muschi netezi scheletici sau striati, muschi netezi sau viscerali si muschiul cardiac.sau viscerali si muschiul cardiac.

Structura muschilor striatiStructura muschilor striati

Structura muschilor striatiStructura muschilor striatiFibrele musculare au o grosime de ordimul zecilor de Fibrele musculare au o grosime de ordimul zecilor de micrometri (10micrometri (10-6-6m) si lungimea de 1-100 mm.m) si lungimea de 1-100 mm.Sarcolema este membrana celulara a fibrei Sarcolema este membrana celulara a fibrei musculare.musculare.Elementele contractile sunt miofibrilele cu un Elementele contractile sunt miofibrilele cu un diametru de aprox.1diametru de aprox.1μμm, o fibra musculara fiind m, o fibra musculara fiind alcatuita din aprox. 1000 de miofibrile aranjate alcatuita din aprox. 1000 de miofibrile aranjate paralel cu axa celulei.paralel cu axa celulei.Privite la microscop, miofibrilele prezinta o imagine Privite la microscop, miofibrilele prezinta o imagine striata alcatuita din benzi luminoase si intunecate.striata alcatuita din benzi luminoase si intunecate.Unitatea morfofunctionala a miofibrilei este Unitatea morfofunctionala a miofibrilei este sarcomerul cu o lungime de aprox. 2,2 sarcomerul cu o lungime de aprox. 2,2 μμm.m.

In zona intunecata sunt filamentele groase de miozina (diametru groase de miozina (diametru 100Å si lungime 1,5 100Å si lungime 1,5 μμm) care au o terminatie globulara orientata m) care au o terminatie globulara orientata spre exterior, cu activitate ATP-azica.spre exterior, cu activitate ATP-azica.Fiecare filament gros este inconjurat de 6 filamente subtiri Fiecare filament gros este inconjurat de 6 filamente subtiri (diametru50Å, lungime 1 (diametru50Å, lungime 1 μμm) alcatuite din molecule de actina, m) alcatuite din molecule de actina, tropomiozina si troponina.tropomiozina si troponina.

Mecanismul molecular al contractiei Mecanismul molecular al contractiei muscularemusculare

Contractia fibrelor musculare se produce prin glisarea Contractia fibrelor musculare se produce prin glisarea filamentelor subtiri de actina printre filamentele de miozina.filamentelor subtiri de actina printre filamentele de miozina.

Mecanismul molecular al contractiei Mecanismul molecular al contractiei muscularemusculare

Mecanismul molecular al contractiei Mecanismul molecular al contractiei musculare. ETAPEmusculare. ETAPE

1.Capetele de miozina (crose) au tendinta de a lega 1.Capetele de miozina (crose) au tendinta de a lega ATP-ul celular.Complexul ATP-miozina format are ATP-ul celular.Complexul ATP-miozina format are afinitate pentru moleculele de actina cu care se afinitate pentru moleculele de actina cu care se cupleaza.cupleaza.

2. Complexul actomiozinic bogat in ATP, catalizeaza 2. Complexul actomiozinic bogat in ATP, catalizeaza hidroliza ATP in ADP si fosfat cu eliberare de hidroliza ATP in ADP si fosfat cu eliberare de energie.energie.

3.Energia eliberata este utilizata pentru modificarea 3.Energia eliberata este utilizata pentru modificarea conformationala a moleculelor de miozina care se conformationala a moleculelor de miozina care se inclina cu 45º. Prin aceasta filamentul de actina inclina cu 45º. Prin aceasta filamentul de actina se deplaseaza printre cele de miozina pe o se deplaseaza printre cele de miozina pe o distanta de aprox. 100 Å.distanta de aprox. 100 Å.

EtapeEtape4. In prezenta unei noi molecule de ATP capetele de 4. In prezenta unei noi molecule de ATP capetele de

miozina se detaseaza de pe molecula de actina miozina se detaseaza de pe molecula de actina trecand in pozitia initiala, iar apoi se reia ciclul trecand in pozitia initiala, iar apoi se reia ciclul printr-o noua legatura cu o alta molecula de printr-o noua legatura cu o alta molecula de actina.actina.

5. Un rol important il joaca Ca5. Un rol important il joaca Ca2+.2+. In repaos, In repaos, concentratia Caconcentratia Ca2+2+ din sarcoplasma este foarte din sarcoplasma este foarte redusa (10redusa (10-7-7M). In urma depolarizarii membranei, M). In urma depolarizarii membranei, se descarca vezicule cu calciu care se leaga de se descarca vezicule cu calciu care se leaga de troponina producand modificari conformationale troponina producand modificari conformationale ale acesteia. Aceasta duce la activarea functiei ale acesteia. Aceasta duce la activarea functiei ATPazice a complexului actomiozinic. Cand ATPazice a complexului actomiozinic. Cand depolarizarea inceteaza, concentratia calciului depolarizarea inceteaza, concentratia calciului revine la valorile initiale. revine la valorile initiale.

Dinamica activitatii musculareDinamica activitatii musculare

Tipuri de contractie:Tipuri de contractie:- Izotona = deplasare sub actiunea Izotona = deplasare sub actiunea

unei forte musculare constante.unei forte musculare constante.- Izometrica =dezvoltarea unei Izometrica =dezvoltarea unei

tensiuni musculare fara o deplasare tensiuni musculare fara o deplasare in exterior, efectuarea unui lucru in exterior, efectuarea unui lucru mecanic intern.mecanic intern.

Intensitatea producerii de lucru mecanic (puterea Intensitatea producerii de lucru mecanic (puterea mecanica) in functie de incarcaremecanica) in functie de incarcare

Pentru un muschi in contractie izotona exista un maxim corespunzator unei forte de incarcare de 30% din forta maxima (adica incarcarea care nu mai poate produce contractie).Deci pentru aceasta incarcare, randamentul mecanic al muschiului este maxim.

Relatia dintre forta de contractie si viteza de contractie (A.V. Hill 1938):

(F +a)(v+b)=(F0 +a)b = const,

a,b sunt constante cu dimensiuni de forta respectiv viteza. F0 este incarcarea maxima pentru care muschiul nu se mai poate contracta.

Viteza de contractie vViteza de contractie vmaxmax= (F= (F00 x b) / a x b) / a

Viteza de contractie este maxima pentru contractia libera (F=0).Exemplu. Relatia dintre greutatea aplicata si viteza de scurtare pentru un muschi de 8 cm lungime. Dependenta hiperbolica.

TetaniaTetaniaDaca un muschi este Daca un muschi este stimulat cu frecvente stimulat cu frecvente de marimi progresive, de marimi progresive, in final se poate atinge in final se poate atinge o frecventa la care o frecventa la care contractiile succesive contractiile succesive fuzioneaza si nu se fuzioneaza si nu se mai pot distinge una mai pot distinge una de alta. Aceasta stare de alta. Aceasta stare se numeste se numeste tetanie,tetanie, iar frecventa cea mai iar frecventa cea mai mica la care apare se mica la care apare se numeste numeste frecventa frecventa critica.critica.

Efectul FennEfectul FennIn 1924 Fenn a demonstrat ca toata In 1924 Fenn a demonstrat ca toata energia produsa de un muschi izolat energia produsa de un muschi izolat (deci Q+L) in timpul unei stimulari (deci Q+L) in timpul unei stimulari tetanice este mai mare atunci cand tetanice este mai mare atunci cand muschiul se scurteaza, decat atunci muschiul se scurteaza, decat atunci cand muschiul functioneaza izometric. cand muschiul functioneaza izometric.

Aceasta reprezinta de fapt Aceasta reprezinta de fapt dependenta conversiei de energie si a dependenta conversiei de energie si a cantitatii de ATP folosita, de conditiile cantitatii de ATP folosita, de conditiile mecanice impuse.mecanice impuse.

Diversitatea sistemului acto-Diversitatea sistemului acto-miozinicmiozinic

Muschii scheletici pot fi albi sau rosii.Muschii scheletici pot fi albi sau rosii.Muschii albiMuschii albi contin cantitati mari de contin cantitati mari de glicogen. Ei se pot scurta rapid, se mai glicogen. Ei se pot scurta rapid, se mai numesc muschi fazici sau de tractiune. numesc muschi fazici sau de tractiune. Glicogenul stocat poate fi rapid Glicogenul stocat poate fi rapid transformat in ATP fara aport de oxigen.transformat in ATP fara aport de oxigen.Muschii rosiiMuschii rosii sau tonici sunt destinati sau tonici sunt destinati contractiilor continue sau pentru perioade contractiilor continue sau pentru perioade lungi de timp.Culoarea rosie se datoreaza lungi de timp.Culoarea rosie se datoreaza mioglobinei care participa la fosforilarea mioglobinei care participa la fosforilarea oxidativa pentru a forma o rezerva oxidativa pentru a forma o rezerva continua de ATP.continua de ATP.

Viteza maxima de scurtare a muschilor Viteza maxima de scurtare a muschilor tonici este de trei ori mai mica decat a tonici este de trei ori mai mica decat a muschilor de tractiune. Aceasta are muschilor de tractiune. Aceasta are legatura cu rata de hidroliza a ATP-ului.legatura cu rata de hidroliza a ATP-ului.Raporul actina/miozina difera in functie de Raporul actina/miozina difera in functie de tipul de muschi astfel:tipul de muschi astfel:

- 4:1 pentru muschiul scheletic tipic.4:1 pentru muschiul scheletic tipic.- 20:1 pentru muschiul neted tipic20:1 pentru muschiul neted tipic- 100:1 pentru celule eucariote cu 100:1 pentru celule eucariote cu

proprietati de motilitate.proprietati de motilitate.

Puterea mecanica a inimii este 2,5 WPuterea mecanica a inimii este 2,5 W

80% din aceasta valoare este furnizata de 80% din aceasta valoare este furnizata de ventricolul stang care pompeaza sangele ventricolul stang care pompeaza sangele oxigenat spre artere.oxigenat spre artere.Puterea ventricolului drept este mai Puterea ventricolului drept este mai redusa, el pompeaza sange doar in artera redusa, el pompeaza sange doar in artera pulmonara.pulmonara.Debitul cardiac pentru un om sanatos este Debitul cardiac pentru un om sanatos este 5 l/minut, dar se poate dubla in cazul unui 5 l/minut, dar se poate dubla in cazul unui effort sustinut.effort sustinut.In decursul vietii medii, volumul total al In decursul vietii medii, volumul total al sangelui pompat este de aprox. 5 milioane sangelui pompat este de aprox. 5 milioane de litrii.de litrii.

Puterea dezvoltata in timpul Puterea dezvoltata in timpul mersuluimersului

In timpul deplasarii pe orizontala se consuma In timpul deplasarii pe orizontala se consuma un lucru mecanic semnificativ pentru a un lucru mecanic semnificativ pentru a invinge gravitatia, frecarea cu aerul si alte invinge gravitatia, frecarea cu aerul si alte forte externe.Centrul de greutate nu se forte externe.Centrul de greutate nu se deplaseaza pe orizontala, ci descrie arce de deplaseaza pe orizontala, ci descrie arce de cerc in urcare si coborare.cerc in urcare si coborare.Energia consumata la un pas facut:Energia consumata la un pas facut:

E = greutatea x inaltimea pasuluiE = greutatea x inaltimea pasului E = mgh = 70Kg x 10N/Kg x 0,08mE = mgh = 70Kg x 10N/Kg x 0,08m E= 56 J, sau E= 56KJ pentru 1 Km parcurs.E= 56 J, sau E= 56KJ pentru 1 Km parcurs.Daca viteza de mers este in medie 5Km/h,Daca viteza de mers este in medie 5Km/h,Puterea consumata estePuterea consumata esteP= 5Km/h x 56000 J/ 36000 P= 5Km/h x 56000 J/ 36000 P= 78 WP= 78 W

Electromiografia (EMG)Electromiografia (EMG)Defineste o tehnica prin care se masoara activitatea Defineste o tehnica prin care se masoara activitatea electrica a muschilor. Inregistrarea obtinuta prin aceasta electrica a muschilor. Inregistrarea obtinuta prin aceasta metoda se numeste electromiograma (EMG). metoda se numeste electromiograma (EMG).

In timp ce neuronul motor stimuleaza fibrele musculare la In timp ce neuronul motor stimuleaza fibrele musculare la nivelul placii motorii, impulsuri electrice sunt conduse de-nivelul placii motorii, impulsuri electrice sunt conduse de-a lungul fiecarei fibre pe masura ce aceasta se a lungul fiecarei fibre pe masura ce aceasta se depolarizeaza. Acest semnal poate fi detectat de electozi depolarizeaza. Acest semnal poate fi detectat de electozi plasati pe piele si apmlificat. Electrozii se ataseaza de-a plasati pe piele si apmlificat. Electrozii se ataseaza de-a lungul unui muschi, la capetele acestuia sau in muschi (in lungul unui muschi, la capetele acestuia sau in muschi (in cazul electrozilor ac).cazul electrozilor ac).

Electromiografia este o metoda de investigatie clinica Electromiografia este o metoda de investigatie clinica care completeaza examinarea medicala fizica si ofera care completeaza examinarea medicala fizica si ofera informatii suplimentare (de exemplu poate ajuta la informatii suplimentare (de exemplu poate ajuta la stabilirea cauzelor unei boli: neurogenice sau miopatice). stabilirea cauzelor unei boli: neurogenice sau miopatice). Deasemenea, este un instrument util in cercetare, in Deasemenea, este un instrument util in cercetare, in studiul fiziologiei si fiziopatologiei musculare. studiul fiziologiei si fiziopatologiei musculare.

Tipuri de unde EMGTipuri de unde EMGFibrilatiileReprezinta descarcari anormale spontane care apar datorita hipersensibilitatii fibrelor musculare. Apar in cazul deinerverii fibrelor musculare (eg. leziuni ale nervilor). Datorita faptului ca fibra musculara nu mai este inervata, aceasta devine extrem de sensibila si in lipsa unor stimuli corespunzatori incepe sa se contracte spontan, undele de depolarizare astfel generate fiind inregistrate pe EMG sub forma de fibrilatii .

NeuromiotoniaNeuromiotonia

Apare datorita hiperexcitabilitatii Apare datorita hiperexcitabilitatii axonilor motori periferici. Se axonilor motori periferici. Se inregistreaza unde provocate de inregistreaza unde provocate de descarcari cu frecventa mare, descarcari cu frecventa mare, simple, duble, tripe sau multiple .simple, duble, tripe sau multiple .

FasciculatiileFasciculatiileAceste unde apar in urma descarcarii electrice a Aceste unde apar in urma descarcarii electrice a unei unitatii motorii. Se aseamana cu fibrilatiile unei unitatii motorii. Se aseamana cu fibrilatiile dar spre deosebire de acestea sunt mai mari si dar spre deosebire de acestea sunt mai mari si mai complexe (figura 6). mai complexe (figura 6). Fasciculatiile apar la Fasciculatiile apar la

intervale neregulateintervale neregulate..

Descarcari miotoniceDescarcari miotoniceSunt caracteristice afectiunilor ce implica Sunt caracteristice afectiunilor ce implica canalele ionice din membrana fibrei musculare: canalele ionice din membrana fibrei musculare: distrofia miotonica, miotonii congenitale, etc. Pot distrofia miotonica, miotonii congenitale, etc. Pot sa apar si datorita miscarii electrozilor, lovirea sa apar si datorita miscarii electrozilor, lovirea muschiului in timpul inregistrarii muschiului in timpul inregistrarii

electromiogrameielectromiogramei..