BIOFIZICA CONTRACBIOFIZICA CONTRACŢŢIEI MUSCULAREIEI MUSCULARE

1. Proprietăți mecanice ale corpurilor solide

2. Elemente de structură a muşchiului striat

3. Etapele contracţiei musculare

4. Manifestările mecanice ale contracţiei musculare

5. Aplicarea principiului I al termodinamicii în cazul contracţiei musculare

6. Efecte biologice ale unor factori mecanici

7. Pârghiile în medicină

Proprietăți elastice ale corpurilorDeformarea corpurilor rigide se poate face prin:

întindere

comprimare

încovoiere

forfecare

torsiune

Deformare elastică:

dacă este direct proporțională cu mărimea forței deformatoare

dispare după încetarea acțiunii forței

Legea lui Hooke F = k ∆l

Limită de elasticitate

Limită de rupere

sistem ososarticulaţii muşchi

Aparatul locomotor

Sistemul osos

creșterea rezistenței globale a osului

orientarea formaţiunilor trabeculare se face de-a lungul traiectoriilor pe

care se exercită tensiunea maximă

Orientarea trabeculelor pe

direcţia efortului maxim

Curbe de tracţiune şi compresie ale

extremităţii superioare a femurului

Articulaţia sinovialăLichidul sinovial dintre cartilaje - rol de

lubrifiant

Vâscozitatea lichidului sinovial variază la efort

Există diferite modele ale mecanismului de

lubrifiere

Elemente de structurElemente de structură ă a mua muşşchiului striatchiului striatmănunchi de fibre musculare (celule

polinucleate)

sarcolemă:

înveleşte fascicule de miofibrile separate

între ele de un sistem de tubuli şi cisterne

membranoase care aparţin reticulului

sarcoplasmic

Extremitatea unei fibre musculare (M – miofibrile, liniile Z care delimitează sarcomerele, TT – tubii transversali, SNM – sinapsa neuromusculară, S – sarcolema, N – nucleii)

Fibra musculară

SarcomerulSarcomerul

Linii ZLinii Z –– separsepară ă sarcomerelesarcomerele

Filamente subFilamente subţţiri iri ((∼∼5050 ÅÅ) )

Filamente Filamente groase (groase (∼∼100100ÅÅ) )

Filamente subFilamente subţţiri iri ((∼∼5050 ÅÅ) )

actina globularactina globulară ă (actina G) (42 kDa) (actina G) (42 kDa)

ttropomiozinaropomiozina (70 kDa) (70 kDa)

troponina (50 kDa)troponina (50 kDa)

Filamente Filamente groase (groase (∼∼100100ÅÅ))Molecule de miozinMolecule de miozină ă (500 kDa) (500 kDa)

Partea fibrilarPartea fibrilară ă -- Meromiozin Meromiozină ă uuşşoaroară ă (MMU)(MMU)

Partea globularPartea globulară ă -- Meromiozin Meromiozină ă grea (MMG)grea (MMG)SS11 -- solubilsolubilă ă îîn apn apă ă

SS22 -- leg legăătura cu cea utura cu cea uşşoaroară ă

PPununţţi transversale miozinice i transversale miozinice

Prin legarea actinPrin legarea actineiei şşi miozini miozineiei se formeaz se formează ă complexul complexul

actomiozinicactomiozinic care care amplificamplificăă activitatea ATP activitatea ATP--azicazică ă a miozinei de a miozinei de

250 de ori250 de ori

MuMuşşchiul relaxat chiul relaxat

CCCa++Ca++ ∼∼1010--77 MM

locurile de legare ale actinei cu miozina mascate locurile de legare ale actinei cu miozina mascate

de de tropomiozintropomiozinăă

ppununţţile transversale MMG nu sunt legate de actinile transversale MMG nu sunt legate de actinăă

miozina miozina -- activitate ATP activitate ATP--azicazicăă sc scăăzutzutăă

produproduşşii de scindare sunt eliberaii de scindare sunt eliberaţţi i îîn sarcoplasmn sarcoplasmăă

Etapele contracEtapele contracţţiei musculareiei musculare

1.1. ExcitaExcitaţţia fibreiia fibrei

2.2. Cuplajul excitaCuplajul excitaţţie ie –– contraccontracţţieie

3.3. ContracContracţţia propriuia propriu--ziszisă ă a fibreia fibrei

ExcitaExcitaţţia ia îîncepe ncepe la nivelul la nivelul sinapselor neurosinapselor neuro--muscularemusculare prin eliberarea prin eliberarea

acetilcolinacetilcolineiei ACAC

mmoleculele oleculele ACAC se fixeaz se fixează ă pe moleculele receptoare ale pe moleculele receptoare ale

membranei postsinaptice membranei postsinaptice

deschidereadeschiderea canalelor cationicecanalelor cationice

ccationii intrationii intră ă îîn fibrn fibrăă

produceproducerearea PA PA

PAPA se deplaseaz se deplasează ă

prin sarcolemprin sarcolemă ă îîn lungul fibrei n lungul fibrei

prin membrana tubilor transversali prin membrana tubilor transversali îîn profunzimen profunzime

Cuplajul excitaCuplajul excitaţţieie-- contraccontracţţie ie

ddepolarizarea tubulilor epolarizarea tubulilor

deschiderea canalelor de Cadeschiderea canalelor de Ca++++

CaCa++++ esteeste eliberateliberat din cisterne, din cisterne, concentraconcentraţţia lia luiui îîn sarcoplasmn sarcoplasmă ă crecreşşte de la ~ 0,1 te de la ~ 0,1 µµM la 10 M la 10 µµMM

ttroponina fixeazroponina fixează ă CaCa++++ şşi i deplaseazdeplasează ă moleculele de moleculele de tropomiozintropomiozinăă

ContracContracţţia ia miozinmiozinaa sese fixeafixeazzăă pe locul de legare actinicpe locul de legare actinic

complexul actomioziniccomplexul actomiozinic crecreşştete activitatea ATP activitatea ATP--azicazică ă de 250 ori de 250 ori

produproduşşii de scindare sunt eliberaii de scindare sunt eliberaţţi rapid i rapid

eliberarea Peliberarea Pii induce o modificare conformainduce o modificare conformaţţionalionalăă, puntea se , puntea se îînclinnclină ă cu 45cu 4500 fafaţţă ă de filamentde filament,, deplasândudeplasându--l axial cu 7,5 nm l axial cu 7,5 nm

sarcomerul este scurtat sarcomerul este scurtat

FORFORŢŢĂĂ

ataataşşarea uneiarea unei nnoioi moleculmoleculee de ATP de ATP (du(duppă ă 1010--33 s) s) care care comandcomandă ă desprinderea pundesprinderea punţţii de filamentul subii de filamentul subţţireire

ciclul se reiaciclul se reia

Adăugarea moleculelor de Ca2++

Scurtarea sarcomeruluiScurtarea sarcomerului

ÎÎnn lipslipsaa ATP ATP ((dupdupăă moartemoarte, de ex.), de ex.)

ciclulciclul se se îîntrerupentrerupe îînn fazafaza îînn

care care punteapuntea esteeste legatlegatăă de de

filamentulfilamentul subsubţţireire, , fiindfiind

îînclinatnclinatăă la 45la 4500

leglegăăturatura actomiozinicactomiozinicăă

devdevineine permanentpermanentăă

aapare pare rigor mortisrigor mortis

((rigiditatearigiditatea cadavericcadavericăă))TeoriaTeoria glisglisăăriirii

CicluriCicluri biochimicebiochimice

RelaxareaRelaxarease se îînchid canalele de nchid canalele de CaCa++++ din cisternedin cisterne

se reface concentrase reface concentraţţia ia de 10de 1033 ori mai mare ori mai mare îîn n cisterne decât cisterne decât îîn n sarcoplasmsarcoplasmăă

troponina troponina îîsi reia si reia conformaconformaţţia, ia, tropomiozina tropomiozina mascheazmaschează ă locurile de locurile de legarelegare cu miozinacu miozina

MeMecanismele de refacere a rezervei de ATP canismele de refacere a rezervei de ATP

GlicolizGlicoliză ă anaerobanaerobăă

Fosforilare oxidativFosforilare oxidativăă

ReacReacţţia creatinia creatin--chinazei (Lohmann):chinazei (Lohmann):

ADP + CP ADP + CP →→ ATP + CATP + C

ReacReacţţia miochinazei:ia miochinazei:

ADP + ADP ADP + ADP →→ ATP + AMPATP + AMP

MuMuşşchiul glicerinat chiul glicerinat ⇓

parţial sau total lipsit de sarcolemă, tubi transversali şi reticul sarcoplasmic

se pot desfăşura cele 2 cicluri prin modificarea concentraţiei

de ioni de Ca++ şi ATP în soluţia în care se află fibra:

În soluţie lipsită de ATP -rigor mortis

La adăugare de ATP - relaxare

La adăugarea Ca++ se produce contracţia

La îndepărtarea Ca++ (cu chelatori) se produce relaxarea sau

rigor mortis

ManifestManifestăările mecanice ale contracrile mecanice ale contracţţiei iei muscularemusculare

ContracContracţţie ie izotonicizotonicăă -- forforţţă ă exterioarexterioarăă constantconstantăă

ContracContracţţie ie neizotonicneizotonicăă -- forforţţă ă exterioarexterioară ă variabilvariabilă ă

ContracContracţţie ie izometricizometricăă -- lungimea mulungimea muşşchiului chiului

constantconstantăă, tensiunea cre, tensiunea creşşte te

ContracContracţţia ia tetanictetanicăă --

stimulat cu un impuls stimulat cu un impuls

unic, muunic, muşşchiul se chiul se

contractcontractă ă sub forma sub forma

unei secuse uniceunei secuse unice

RelaRelaţţia foria forţţă ă -- lungimelungimeforţa generată depinde de lungimea sarcomerelor

valoarea maximă pentru o lungime iniţială a fibrei (în repaus)

forţa nulă: muşchiul întins peste o lungime a sarcomerelor de 3,6mm

forţa MAXIMĂ: toate punţile sunt implicate în interacţiunea

actomiozinică

RelaRelaţţia dintre foria dintre forţţa de contraca de contracţţie ie şşi lungimea mui lungimea muşşchiuluichiului

RelaRelaţţia foria forţţă ă -- vitez viteză ă de scurtare (Hill)de scurtare (Hill)

(F + a)(v + b) = (F(F + a)(v + b) = (Fmaxmax + a)b+ a)b

Puterea dezvoltatPuterea dezvoltată ă de de mumuşşchichi

( )( )aF

bFFFvFP

+−

=⋅= max

Lucrul mecanic efectuat de muşchi

dFLrr

⋅=Muşchi de formă cilindrică

Lmax = Fmax ⋅ Cmax

Fmax = kSC max = k1l

L max = kS k1lL max = k2 V Lucrul mecanic efectuat de muşchi

depinde direct de volumul muşchiului

Aplicarea Aplicarea principiului I principiului I îîn n cazul contraccazul contracţţiei iei

muscularemusculare

căldura de repaus Q1

căldura de contracţie: căldura de menţinere a forţei de contracţie Q2

căldura de scurtare Q3 (proporţională cu gradul scurtării)

căldura de relaxare Q4 se produce imediat după încetarea stimulării

căldura de restabilire Q5 se produce în urma reacţiilor chimice de

regenerare a ATP

BiofiBiofizzica mecanorecepica mecanorecepţţieiiei

atingere atingere –– corpusculii corpusculii MeissnerMeissner

apapăăsare sare –– corpusculii corpusculii PaciniPacini

tensiunetensiune –– corpusculii corpusculii GolgiGolgi

îîntindere ntindere –– fusurilefusurile neuroneuro--muscularemusculare

Receptori Receptori tactilitactili

MecanoMecano--receptori receptori

Corpusculii MeissnerCorpusculii MeissnerAtingerea pieliiAtingerea pieliiGenerarea potenGenerarea potenţţialelor de acialelor de acţţiuneiune

Corpusculul PaciniCorpusculul Pacini sesizeaz sesizează ă schimbschimbăările de presiunerile de presiunebrubruşştete

Corpusculul GolgiCorpusculul GolgiTensiunea mecanicTensiunea mecanică ă din tendoane din tendoane

prin prin

MMăăsurarea forsurarea forţţei de contracei de contracţţieie

Fusurile Fusurile neuroneuro--

muscularemusculare

MMăăsoarsoară ă gradul de gradul de scurtare sau de scurtare sau de

alungire a mualungire a muşşchiuluichiului

Efectele biologice ale presiunilor Efectele biologice ale presiunilor hidrostatice marihidrostatice mari

diviziunea celulară este blocată forţa şi viteza contracţiei musculare scad excitabilitatea nervoasă creşte, până la autoexcitabilitate

Efectele biologice ale gravitaEfectele biologice ale gravitaţţieiieiimponderabilitate

Efectele biologice ale acceleraEfectele biologice ale acceleraţţiiloriilor

apare riscul redistribuirii sângelui în patul vascular, ducând la pierderea temporară a vederii în hipotensiunea cerebralăacumularea sângelui în extremitatea cefalică

ForForţţa gravitaa gravitaţţionalionalăăLegea graviaLegea graviaţţiei a lui Newtoniei a lui Newton: : orice particulorice particulă ă de de

materie din Univers atrage orice altmaterie din Univers atrage orice altă ă particulparticulă ă cu o cu o

forforţţă ă care este direct proporcare este direct proporţţionalională ă cu produsul cu produsul

maselor particulelor maselor particulelor şşi invers propori invers proporţţionalională ă cu cu

ppăătratul distantratul distanţţei dintre eleei dintre ele. .

2

'r

mmKFg =

Considerând Considerând PPăământul mântul o sfero sferă ă omogenomogenă ă de de

razrază ă RR şşi masi masă ă mmPP, greutatea , greutatea GG a unui corp de a unui corp de

masmasă ă mm aflat la suprafaaflat la suprafaţţa Pa Păământului estemântului este

2RKmm

FG Pg ==

2RKm

g P=

Centrul de greutateCentrul de greutate (CG)(CG) al corpului umanal corpului uman

formformă ă neregulatneregulată ă şşi o i o

structurstructură ă neomogenneomogenă ă

şşi nerigidi nerigidă ă

CG al corpului uman se CG al corpului uman se

modificmodifică ă îîn n

permanenpermanenţţăă

CG al corpului uman se CG al corpului uman se

aflaflăă la intersecla intersecţţia a ia a

trei plane reciproc trei plane reciproc

perpendiculare perpendiculare

StaticaStatica

Studiul echilibruluiStudiul echilibrului

01

=∑=

n

iiFr

01

=∑=

n

iiM

r

Suma forţelor să fie nulă Suma momentelor să fie nulă

Momentul forMomentul forţţeiei

PoziPoziţţii anormale ale corpului umanii anormale ale corpului umanpoziţa momentană datorată purtării unei greutăţi;

atitudini patologice datorate flexiei sau extensiei anormale a diferitelor segmente;

poziţii vicioase:

scolioza(deformare a coloanei

vertebrale)

cifoza - exagerare a curburii dorsale, pentru a cărei compensare se produce o aplificare a curburii lombare cu convexitatea anterioară -

lordoza;

piciorul plat - datorat discordanţei dintre apăsarea puternică şi continuă a corpului celui care stă mult timp în picioare şi este supraîncărcat cu greutăţi şi rezistenţa oaselor şi a ligamentelor

Echilibrul corpului Echilibrul corpului îîn n şşedereedere

Echilibrul corpului Echilibrul corpului îîn pozin poziţţie culcatie culcatăă

echilibrul cel mai stabilCG are poziţia cea mai joasă;

poligonul convex de sprijin are aria cea mai mare

echilibru instabil - subiectul este culcat pe o parteacest lucru poate fi îndepărtat prin îndoirea membrelor aflate în

contact cu planul de sprijin

efortul muscular minim, toţi muşchii fiind relaxaţi

de echilibru

de forţă

de deplasare

Pârghiile

Pârghiile în medicinăPârghii de gradul I în organism

elemente de echilibrutrunchiul pe picioare

capul pe atlas

antebraţul în extensie

Pârghiile de gradul al II-lea (de forţă)

incisivii şi caninii

piciorul are ca rezistenţă

greutatea corpului

transmisă prin tibie şi

aplicată la nivelul

articulaţiei tibio-tarsiene

instrumente medicale

(bisturiu, daltă, lanţetă)

Pârghii de gradul al III-lea

elemente de deplasare

antebraţul în flexie funcţionează ca o pârghie de gradul al

III-lea când muşchii flexori se contractă pentru a-l ridica

Pârghii umane multiplegrupe de pârghii acţionate de un singur muşchi

ex: falangele care au extensorii şi flexorii comuni

suma rotaţiilor diverselor pârghii osoase mişcate de

un singur muşchi = rotaţia pe care ar determina-o

acest muşchi, acţionând asupra unei singure pârghii

umane, muşchiul contractându-se cu aceeaşi

lungime

Pârghii asociate