Fisiologia do músculo Contracção muscular estriada e lisa Fenómenos eléctricos e mecânicos

Mestrado Integrado em Ciências Farmacêuticas

Fisiologia do músculo



Contracção muscular

estriada e lisa



Fenómenos eléctricos e

mecânicos

Breve introdução

O movimento é uma característica fundamental dos seres vivos, atingindo, contudo, o maior

desenvolvimento nos animais devido ao seu tecido muscular. O tecido muscular é composto

por células alongadas (fibras musculares) que se contaem quando estimuladas. Uma célula

muscular é essencialmente um equipamento para converter a energia química de ATP em

energia mecânica de contrcção.

Os três tipos de tecido muscular são o músculo

esquelético

(voluntário – sujeito a controlo

consciente),

liso

e

cardíaco

(involuntários – habitualmente sem controlo consciente). A nossa

abordagem incidirá principalmente sobre a anatomoa microscópica e a fisiologia do músculo

estriado esquelético. O músculo liso e o músculo cardíaco serão discutidos de foma mais

abreviada para comparação das suas propriedades e funções com o músculo esquelético,

voltando a ser abordados com maior detalhe em futuras lições quando a sua aplicação for

relevante.

(

Trata-se de um motor linear, robusto, seguro, imediatamente disponível. Usa uma ampla gama de combustíveis (hidratos de carbono, lípidos, proteína, oxigénio...) e uma baixa potência de regimen, mas que pode elevar até 1 KW mecânico/Kg em poucos ms. Construção em módulos que permitem soluções á medida dos problemas mecânicos (Recrutamento);

Dois sistemas de controlo:

 Modalidades de excitação externa: unidades versáteis de aplicação geral; controlo digital por pulsações de pj; baixo consumo de energia, mas muito elevada relação sinal/ruído; amplificação energética de aproximadamente 106_{; velocidade máxima opcional entre 0.1 e 100 mm/s; tensão gerada de 2 a 5x10}-5_N.m2_;

 Modalidade autónoma com osciladores integrais: especialmente útil para aplicações de bombeio (coração, pulmões); módulos disponíveis de frequência e impedância adequada para sólidos (0.01 – 1.0 Hertz), líquidos (0.5 – 5 hertz) e gases (50 – 1000 hertz); período de vida útil desde 2.6x109 _{até 3.6x10}9 _{operações (+85 anos),}

independentemente da frequência; muitos extras opcionais com servocontrolo incorporado (comprimento e velocidade) quando se quer um controlo fino; acessos directos de oxigénio;gerador térmico;

É comestível..!

A MÁQUINA ANUNCIADA É O MÚSCULO..!

Sistema muscular –

características funcionais do músculo

As

funções

principais

do

tecido

muscular

são

movimento,

estabildade,

comunicação,

controlo

de

aberturas e passagens corporais e produção de calor.

Para levar a cabo estas funções todos os tecidos

musculares apresentam as seguintes características:

Excitabilidade: propriedade de todas as células vivas,

desenvolvida pelas células nervosas e musculares em maior grau. Quando estimuladas por sinais químicos (neurotransmissores), estiramento ou outros estímulos as fibras musculares respondem com alterações eléctricas na sua membrana;

Condutividade: a estimulação de uma fibra muscular provoca uma alteração eléctrica local a qual desencadeia uma onda

excitatória que se propaga rapidamente por toda a fibra e inicia o processo que conduz à contracção muscular;

Contractilidade: as fibras musculares possuem a habilidade única de encurtarem significativamente quando estimuladas, o que lhes confere a capacidade de mobilizar os ossos e outros tecidos e criar movimento do corpo e das suas partes;

Extensibilidade: muitas células sofrem ruptura se forem estiradas mesmo que ligeiramente, mas as fibras musculares podem ser estiradas cerca de três vezes o seu comprimento de contracção sem se romperem;

Elasticidade: após a distensão e libertação da tenção as fibras musculares tem a capacidade de regressar ao seu comprimento de repouso.

Sistema muscular –

os três tipos de fibras musculares

Fibras multinucleadas resultantes da fusão de células estaminais

designadas por mioblastos. Alguns mioblastos

permanecem como células satéliteque podem originar novas fibras na reparação de lesão muscular, embora esta seja maioritariamente efectuada por fibrose.

Fibras ramificadas (mononucleadas)

Fibras fusiformes

mononucledas com um núcleo central

CÉLULA DO MÚSCULO ESTRIADO ESQUELÉTICO

CÉLULA DO MÚSCULO ESTRIADO CARDÍACO

(miócitos)

Sistema muscular –

Descrição funcional dos três tipos de músculo

Estriado esquelético

:

cerca de 40% do peso do corpo;

responsável pela

locomoção, expressão facial, fonação,

postura,

movimentos

respiratórios

e

muitos

outros

movimentos. As suas funções estão dependentes de

controlo

voluntário

ou consciente pelo SN;

Liso (não estriado)

:

paredes dos órgãos ocos e tubos,

músculos internos do olho (ciliar

pupilar), paredes dos

vasos sanguíneos e outras áreas. Grande variedade de

funções: propulsão da urina no tracto urinário, mistura e

mobilização dos alimentos no tubo digestivo, dilatação e

constrição da pupila e regulação do fluxo de sangue nos

vasos sanguíneos. As suas funções estão em larga medida

dependentes de

controlo neural involuntário e endócrino

;

Estriado

cardíaco

:

encontra-se

no

coração.

As

suas

contracções produzem a força necessária para

mover o

sangue através do sistema circulatório

.

Músculo esquelético –

arquitectura muscular

O músculo esquelético é

composto de

fascículos

que podem ser

observados á vista

desarmada;

Os fascículos são

feixes

de fibras ou células

musculares

, cujo

citoplasma é preenchido

por miofilamentos que,

por sua vez, se

organizam em

subunidades funcionais

designadas por

sarcómeros

.

Músculo esquelético -

componentes estruturais de revestimento:

lâmina externa, endomisium, perimisium e epimisium.

Lâmina externa: composta por fibras reticulares que envolve a fibra muscular esquelética; ao microscópio óptico não se distingue da

membrana citoplasmática aqui designada por sarcolema (do grego sarco = carne);

Endomisium (do grego mys = músculo): rede de tecido conjuntivo fibroso laxo com numerosas fibras reticulares que envolve cada fibra

muscular por fora da lâmina externa;

Perimisium: camada de tecido conjuntivo denso que envolve o fascículo;

Epimísium: envolve o conjunto de fascículos, sendo a continuação da fáscia sobre o músculo. É formado por tecido conjuntivo denso, fibroso e colagénico, sendo contínuo com os tendões; também ligado ao perimísium e osso.

Estes tecidos conjuntivos são contínuos com com as fibras colagénicas dos tendões e estes, por sua vez, com o colagénio da matriz óssea, pelo que quando a fibra muscular se contrai as fibras de

colagénio são distendidas e o osso é movientado. A elasticidade do colagénio e a disposição em série das fibras do tecido conjuntivo ajudam o retorno do músculo ao seu comprimento de repouso quando cessa a contracção.

Músculo esquelético –

sarcómero

O sarcómero

é a subunidade funcional

básica

de contracção do

músculo.

Consiste numa estrutura

organizada entre duas

linhas

Z

, sendo composta,

principalmente, pelos

filamentos deslizantes

actina

e

miosina

.

A linha Z é contituída por

uma proteína fibrosa

(conectina), serve de

ancoragem à actina e à titina

(também conectina),

encontrando-se, por sua vez

ligada ao sarcolema através

do citoesqueleto.

Músculo esquelético –

sarcómero e organização dos

miofilamentos deslizantes (I)

Uma fibra muscular contém no interior

do seu citoplasma (sarcoplasma)

numerosas

miofibrilhas

formadas por

uma série contínua de unidades

repetidas chamadas

sarcómeros

que

se estendem de uma linha Z a outra

linha Z;

Além das miofibrilhas, o sarcoplasma

contém organelos, como mitocôndrias

e RE, glicogénio como stock

energético e mioglobina como

fixadora de oxigénio;

As estrias características do músculo

estriado são devidas ao arranjo

espacial das proteínas contrácteis

(miofilamentos)

actina e miosina

dentro do sarcómero.

Estas

proteínas estão presentes em todas

as células, onde intervêm na

motilidade, mitose e transporte de

materiais intracelulares.

Músculo esquelético –

sarcómero e organização dos

miofilamentos deslizantes (II)

Músculo esquelético –

organização dos miofilamentos de

actina, miosina e titina no sarcómero

O músculo encurta porque os seus sarcómeros individuais encurtam, aproximando as linhas Z uma da outra e porque estas estão ligadas ao sarcolema através do citoesqueleto. Quando as linhas Z se aproximam umas das outras elas forçam as fibras musculares a encurtar e, consequentemente, todo o músculo encurta também.

Músculo esquelético –

organização tridimensional dos miofilamentos

de actina e miosina no sarcómero

Músculo esquelético –

organização da actina, tropomiosina e

troponina no miofilamento fino

Actina:

filamento composto por duas cadeias poliméricas de actina actina F, organizadas em

dupla hélice, composta por monómeros esféricos de actina G, cada um com um sitio

específico para ligação da ponte cruzada da miosina durante a contracção muscular.

Tropomiosina:

molécula proteica alongada que se insinua na fenda da dupla hélice de actina

F e cobre 7 locais activos de actina G. As moléculas de tropomiosina estão ligadas topo a

topo.

Troponina:

complexo heterotrimérico globular de 3 proteínas constituído por:

Troponina C

que liga o cálcio;

Troponina I,

inibidora da ligação cruzada à actina;

Troponina T

que se liga

à tropomiosina.

C T I

Músculo esquelético –

organização do miofilamento espesso

O miofilamento espesso é composto por várias centenas de moléculas de miosina, cada uma delas formada por 2 cadeias pesadas enroladas em dupla hélice, formando a porção cilíndrica e por uma cabeça globular dupla ou ponte cruzada que se estende lateralmente num dos extremos. Quatro cadeias leves ligam-se duas a duas às cabeças das cadeias pesadas. Cerca de 150 cabeças projectam-se de forma mutuamente oposta para cada extremidade do miofilamento.

As cabeças da miosina têm 3 propriedades importantes: (1) podem ligar-se aos sítios activos das moléculas de actina G (ligação das pontes cruzadas), (2) ligam-se à porção cilíndrica por uma zona encurvada que se pode dobrar durante a contracção (charneira/dobradiça) e (3) as cabeças têm actividade enzimática cinásica para fosforilar a cadeia leve da miosina e ATPasica

Músculo esquelético –

junção neuro-muscular

A conexão entre o neurónio motor e a fibra muscular designa-se por junção neuro-muscular, que mais não é do que uma sinapse química entre aquelas duas células.

No ponto de conexão a

membrana da fibra muscular (sarcolema) assume uma forma especializada designada por

placa motora terminal,

encontrando-se o sarcolema extensivamente invaginado. O terminal do neurónio motor ramifica-se penetrando no interior do sarcolema. O

citoplasma nos extremos distais deste neurónio motor é rico em mitocôndrias, contendo

vesículas sinápticas

.

Cada fibra muscular esquelética está

ligada a um ramo terminal de um

neurónio motor somático com origem

no SNC, só se contraindo quando é

estimulada.

Músculo esquelético –

comando neural: unidade motora

O controlo neural do músculo

esquelético faz-se atavés de unidades motoras. Uma unidade motora

muscular consiste num neurónio motor e no conjunto de todas as fibras musculares do mesmo tipo com as quais ele comunica através dos seus terminais. Cada fibra tem apenas uma junção neuromuscular central e

pertence assim a uma única undade motora.

As fibras da mesma unidade motora

não são adjacentes umas das outras, encontrando-se interdispersas no músculo, misturadas com as fibras das outras unidades motoras.

Um músculo é composto por várias

unidades motoras com número e diâmetro de fibra diferentesumas das outras.

Quando um PA é gerado e se propaga num neurónio motor, todas as fibras

Músculo esquelético –

retículo sarcoplasmático e túbulos transversos

Para que o Potencial de Acção (PA) seja propagado até ao interior da fibra muscular o sarcolema tem ao longo da sua superfície muitas

invaginações tubulares designadas por túbulos tranversos ou túbulos T

que se projectam para o interior nas regiões dos sarcómeros onde os miofilamentos da actina e miosina se sobrepõem.

O lúmen de cada túbulo T está cheio com fluido extracelular. Entre os túbulos T encontra-se o retículo sarcoplasmático (RSP) que forma dilatações chamadas cisternas terminais ou sacos laterais funcionalmente associados aos

túbulos T; o conjunto de um túbulo T e das duas cisternas adjacentes designa-se por tríada.

A membrana do retículo sarcoplasmático contém cálcio-ATPases que transportam activamente iões Ca2+_do

sarcoplasma para o lúmen das cisternas, onde estes iões são armazenados em elevada concentração comparativamente com o sarcoplasma.

Músculo esquelético -

relação dos túbulos T com o retículo

sarcoplasmático (RSP) - proteínas pedunculares

O potencial de acção propagado do sarcolema para os túbulos T altera a carga eléctrica do receptor de voltagem dihidropiridínico (R-DHP ) inserido na parede do túbulo;

A estimulação do R-DHP activa o receptor raionidinico a ele associado e que, por sua vez, está acoplado por um pedúnculo de ligação a um canal de cálcio no RSP, o qual se abre por acção da voltagem, levando o Ca2+ _a

movimentar-se por gradiente electroquímico dos sacos laterais para o sarcoplasma.

Do aumento do Ca2+ _{no sarcoplasma resulta a}

sua ligação à troponina e, simultaneamente, o seu bombeamento do sarcoplasma para os sacos laterais do RSP por uma bomba cálcio-ATPase, o que, na ausência de estímulo, conduz à diminuição da concentração

sarcoplasmática do Ca2+ _{, sua deslocação da}

Músculo esquelético –

ciclo das pontes cruzadas e rigor mortis

O rigor mortis deve-se ao declínio do ATP que não permite a separação das pontes cruzadas da actina na etapa 3, ficando o músculo rigido durante algumas horas Cálcio Movimento da ponte cruzada e encurtamento do sarcómero Acoplamento/contracção Energização

Músculo esquelético –excitação-contracção-relaxamento

FASE DE LATÊNCIA (EXCITAÇÃO)

-

- A ligação da Ach ao receptor nicotínico no sarcolema causa a abertura dos canais de sódio ligando-dependentes, o que torna a membrana mais permeável a este ião que se difunde para o interior da fibra muscular, desencadeando a geração e propagação do PA na membrana da fibra muscular;

- A Ach é rapidamente degradada na fenda sináptica numa reacção catalisada pela acetilcolinestrase, originando ácido acético e colina, o que limita o tempo de ligação da Ach ao seu receptor;

- O PA gerado no centro da fibra muscular é propagado no sarcolema em direcção a ambos os extremos e também para o interior através dos túbulos T;

- A despolarização que ocorre nos túbulos T altera a carga eléctrica do receptor de voltagem DHP o que modifica a conformação do receptor raionidinico adjacente (alcalóide vegetal) o que, por sua vez, induz a abertura do canal de cálcio do RS que lhe está associado. Os iões cálcio difundem das cisternas do RSP para o sarcoplasma e ligam-se à troponina, daí resultando que o complexo troponina-tropomiosina altera a sua posição e expõe o sitio

Músculo esquelético –

excitação-contracção-relaxamento (cont.)

FASE DE CONTRACÇÃO COM EVENTUAL ENCURTAMENTO

- As pontes cruzadas entre as moléculas de actina e de miosina formam-se, movem-se, libertam-se e voltam a formar-se muitas vezes, gerando tensão e provocando o eventual encurtamento do sarcómero, na dependência da carga aplicada.

- A energia armazenada nas cabeças das moléculas de miosina permitem a ligação das pontes cruzadas e o seu movimento. Após a ocorrência do movimento das pontes cruzadas, o ATP liga-se às cabeças de miosina, provocando o seu desacoplamento da actina, após o que é hidrolisado a ADP+Pi, sendo alguma da energia armazenada na cabeça de miosina usada para a ligação da próxima ponte cruzada e para o seu movimento. A maior parte da energia é libertada sob a forma de calor levando ao aquecimento do músculo.

FASE DE RELAXAMENTO

Na ausência de novo estímulo, o contínuo transporte activo dos iões cálcio do sarcoplasma para a cisterna do retículo sarcoplasmático supera a sua libertação no sentido inverso, fazendo com que este ião se desligue da troponina e o complexo desta com a tropomiosina bloquei o sitio de ligação das pontes cruzadas, levando assim ao relaxamento da fibra muscular.

Músculo esquelético –

mecânica da contração da fibra muscular:

pulso contráctil, espasmo ou abalo muscular

Embora a função muscular normal seja mais complexa, a compreensão de um pulso contráctil (twitch ou abalo

muscular) facilita a percepção do funcionamento do músculo;

Um pulso contáctil ou abalo muscular é a contracção de uma fibra muscular em resposta a um único potencial de acção;

Há uma curta fase de latência

após a aplicação do estímulo correspondente à excitação,

seguida de uma fase de aumento da tensão correspondente à

contracçãoe de uma fase de

relaxamento.

Músculo esquelético –

mecânica da contração da fibra muscular: contracção

isométrica, isotónica e de alongamento

Contracção isotónica de alongamento ou excêntrica: alongamento do músculo, mantendo-se a tensão constante

por a carga ser muito maior que a tensão gerada pelas pontes cruzadas. É típica do abaixamento de pesos, mas pode conduzir à lesão do músculo por rotura de ligamento ou tendão (exemplo da tortura de estiramento por roldana - inquisição).

Contracção isotónica ou concêntrica: encurtamento do músculo com tensão constante. Inicia-se quando a tensão interna ultrapassa a tensão elástica e a força exercida pela carga, movendo-a, mantendo-se a partir daí a tensão constante. É típica do

levantamento de pesos ou do acto de pedalar. Contracção isométrica (comprimento constante): desenvolvimento de tensão interna sem encurtamento. Ocorre no início de todas as contracções por absorção de tensão pelos componentes elásticos do sarcómeroe quando a força exercida por um objecto sobre o músculo em contracção (carga) é superior à tensão desenvolvida, mantendo-se a carga imóvel

Músc. esquelético –

mecânica da contração da fibra muscular: tensão

isométrica versus comprimento do sarcómero no repouso

A tensão isométrica

máxima é produzida

para o

comprimento

óptimo do sarcómero, I

.

O estiramento ou o

encurtamento do

sarcómero além ou

aquém do seu

comprimento óptimo

diminui a tensão gerada,

devido à

sobreposição

inadequada das

proteínas contrácteis

.