Curs 5 - Note de curs 5 PDF

Preview

Summary

FIZIOLOGIEFIBRA MUSCULARATesutul muscular Fibra musculară este o celulă cu funcţie contractilă care are capacitatea de a dezvolta tensiune şi capacitatea de a se scurta. Muşchiul este o structură înalt organizată şi specializată, contracţia fiind o funcţie complexă sub controlul motoneuronilor siste...

Description

CURS NR. 5

FIZIOLOGIE

30.10.2012

FIBRA MUSCULARA Tesutul muscular Fibra musculară este o celulă cu funcţie contractilă care are capacitatea de a dezvolta tensiune şi capacitatea de a se scurta. Muşchiul este o structură înalt organizată şi specializată, contracţia fiind o funcţie complexă sub controlul motoneuronilor sistemului nervos central voluntar care trebuie să asigure un lucru mecanic intens cu un cost energetic redus în condiţii de rapiditate, repetitivitate, precizie şi rezistenţă în timp.

Caracterul striat, tărcat al fibrelor musculare de la nivelul muşchiului scheletic şi a muşchiului cardiac datorat particularităţilor lor de structură (ce la microscopul optic apar ca o succesiune regulată de benzi de culoare deschisă şi de culoare închisă) le-a dat denumirea generică de muşchi striat. Fibrele musculare scheletice sunt celule mari, cu mai mulţi nuclei – uneori extrem de mulţi – cu un diametru între 10-100 μm (cele mai multe între 20-80 μm) şi o lungime foarte mare, de peste 4 cm. În ţesutul embrionar nucleii sunt localizaţi în centrul fibrei musculare. Ulterior mulţimea acestor nuclei fuge spre periferie. Citoplasma este ocupată de către miofibrile, de către granule de glicogen şi de către mitocondrii, extrem de abundente mai ales în tipul oxidativ de fibre musculare, aşa zisele fibre de tip I.

Page 1 of 17

CURS NR. 5

FIZIOLOGIE

30.10.2012

Elementele contractile cuprinse în sarcoplasma unei fibre musculare sunt miofibrilele. Sarcoplasma unei singure fibre musculare poate conţine până la 10.000 de miofibrile. Miofibrilele reprezintă structuri fibroase subcelulare cu diametrul de 1 μm. Unitatea contractilă fundamentală a muşchiului este sarcomerul. Lungimea sarcomerului în repaus este de 2,5 μm. Fiecare sarcomer posedă două tipuri de filamente (subţiri şi groase) de natură proteică, filamente aranjate în paralel cu axul fibrei şi parţial suprapuse. Filamentele subţiri au o lărgime de 7 nm şi o lungime de 1 μm, iar filamentele groase o lărgime de 10-14 nm şi o lungime de 1,6 μm. Aranjamentul filamentelor subţiri şi groase produce aspectul striat, prin succesiunea regulată de benzi dense (cu o lungime de 1,6 μm) şi benzi de aspect mai clar, la microscop. Benzile dense conţin filamente groase şi sunt denumite benzi A fiind anizotropice la microscopie (indici de refracţie diferiţi pentru diferite planuri de polarizare ale luminii incidente).Benzile de culoare deschisă, denumite I (sunt izotrope, au un singur indice de refracţie), sunt alcătuite numai din filamente subţiri, extinse simetric în raport cu o linie mai densă ce le centrează, aşa numita linie Z. Filamentele subţiri se extind de o parte şi de alta a liniei Z pe câte 1 μm. Linia Z este alcătuită de o proteină în reţea ce apare în dezvoltarea embrionară înaintea filamentelor subţiri şi împletindu-se cu acestea, le ancorează. Astfel este menţinută dispunerea regulată a Page 2 of 17

CURS NR. 5

FIZIOLOGIE

30.10.2012

complexului filamentelor subţiri. Sarcomerul este alcătuit din structurile cuprinse între două linii Z consecutive.

În fibra musculară există trei tipuri de reţele filamentoase. Pe lângă reţeaua filamentelor groase (miozină) şi reţeaua filamentelor subţiri (actină şi alte proteine) există şi o reţea filamentoasă ce asigură elasticitatea musculară. Elasticitatea musculară intrinsecă este asigurată de către două proteine gigante titina şi nebulina. Page 3 of 17

CURS NR. 5

FIZIOLOGIE

30.10.2012

Titina sau conectina este o proteină gigantă (3000 KDa) şi extrem de abundentă (cantitativ a treia proteină a muşchiului după actină şi miozină). O porţiune a moleculei bogată în resturi de prolină, acid glutamic, valină şi lizină asigură elsaticitatea titinei şi impune o tensiune pasivă sarcomerelor. Nebulina (600-900 KDa) reprezintă 3% din proteinele musculare şi ancorează actina în discurile Z. Prezentă pe toată lungimea filamentului fin ea reglează numărul de monomeri de actină ce constituie acest filament.

În condiţii de repaus în majoritatea muşchilor cele două tipuri de filamente se interpătrund pe o lungime destul de mare la fiecare capăt a benzii A. Dacă muşchiul este întins, supus tracţiunii fibrilele groase şi fibrilele scurte se separă, nu se mai întrepătrund. La o lungime a sarcomerului de 3,6 μm miofibrilele subţiri sunt trase afară din banda A şi cele două tipuri de fibrile scurte dispuse cap la cap. Dacă contracţia este extrem de puternică nu numai că fibrilele subţiri şi groase se suprapun ci fibrilele subţiri dintr-o parte şi alta alunecă unele către celelalte şi se suprapun între ele.

Page 4 of 17

CURS NR. 5

FIZIOLOGIE

30.10.2012

Membrana fibrei musculare – sarcolema Membrana ei bazală alcătuită din mucopolizaharide şi fibre de colagen se contopeşte la extremităţile celulei cu tendoanele. Membrana conferă rezistenţă la întinderea muşchiului şi împreună cu structurile ţesutului conjunctiv ce înconjoară fibrele musculare realizează aparatul “elementelor elastice paralele” cu rol mecanic. Membrana izolând fiecare fibră musculară una de cealaltă permite funcţionarea muşchiului pe baza unităţilor motorii: un motoneuron inervează un număr mai mic sau mai mare de fibre musculare ce se pot afla la distanţă una de alta şi care acţionează ca un ansamblu coerent şi izolat de restul muşchiului. Sarcolema se învaginează la nivelul fiecărui sarcomer pentru a forma o reţea membranară de tubuşoare transverse deservind fiecare miofibrilă. Sarcotubulele T se învaginează la nivelul fiecărei linii Z sau la joncţiunea benzilor A-I. Ei au un diametru de 0,03 μm şi permit undei de excitaţie să pătrundă rapid în fibră şi să excite practic simultan miofibrilele. Reticulul sarcoplasmatic este un sistem tubular complex ce înconjoară miofibrilele. Diametrul tubuşoarelor L este de 0,04 μm, ele mergand paralel cu miofilamentele. Reticulul sarcoplasmic fixează calciu printr-o ATP-ază calciu şi magneziu dependentă. Tubuşoarele se pot extinde pe toată lungimea sacromerului şi se termină în structuri denumite cisterne terminale.Funcţiile reticulului sarcoplasmic sunt eliberarea de calciu în timpul contracţiei musculare şi sechestrarea şi depozitarea calciului în timpul relaxării musculare.De o parte şi de alta a acestui spaţiu joncţional membranele sunt reunite de nişte picioruşe, structuri repetitive denumite “spanning proteins”. Page 5 of 17

CURS NR. 5

FIZIOLOGIE

30.10.2012

Un grup de sarcotubule şi două cisterne terminale (în total trei elemente) este denumit triadă. Triadele sunt regiuni unde sistemul tubular este în strânsă contiguitate cu părţile umflate ale reticulului sarcoplasmatic (aşa zisele cisterne).Triadele sunt elemente cheie ale cuplajului excitaţie-contracţie. În timpul excitaţiei musculare calciul stocat în cisternele terminale este eliberat pentru a se putea fixa pe troponină şi să permită interacţiunea filamentelor groase cu filamentele subţiri.

Filamentele subţiri sunt compuse din trei tipuri de proteină-actină, tropomiozină şi troponină aflate în proporţie de 7/1/1. Unitatea funcţională necesară pentru relaxare cuprinde 7 monomeri de actină, 1 complex de tropomiozină şi 1 complex de troponină. Page 6 of 17

CURS NR. 5

FIZIOLOGIE

30.10.2012

Filamentele groase sunt alcătuite din miozină şi în mult mai mică măsură din alte proteine. Numai actina şi miozina sunt direct implicate în generarea de tensiune, complexul tropomiozinic şi troponinic sunt proteine de reglare, întrucât reglează interacţiunea actină-miozină. Filamentele subţiri sunt formate din două lanţuri de actină F formate din polimerizarea actinei G (globulare). Actina G este o proteină monomerică globulară cu o greutate de 42.000 daltoni. Un glob de actină G are un diametru de 4-5 nm. Actina F este un polimer alcătuit din peste 300 monomeri de actină G.

Tropomiozina previne interacţiunea miozinei cu actina, efect modulat de troponină. Tropomiozina este o proteină alungită, alcătuită din două lanţuri în elice. Are o greutate de 66.000 daltoni şi este dispusă în spaţiul dintre doi polimeri de actină. Fiecare moleculă de tropomiozină se extinde peste şapte monomeri de actină. Troponina este o proteină globulară, de fapt un complex alcătuit din trei proteine. Are o greutate de 70.000 daltoni. Există o moleculă atât de tropomiozină cât şi de troponină pentru fiecare şapte monomeri de actină. Din cele 3 proteine ce alcătuiesc troponina, troponina T se leagă de tropomiozină, troponina-I inhibă ATP-aza actomiozinei iar troponina-C leagă calciul. În prezenţa calciului configuraţia complexului troponină-tropomiozină se modifică şi miozina poate interacţiona cu actina.

Page 7 of 17

CURS NR. 5

FIZIOLOGIE

30.10.2012

Biochimic actina şi miozina puse împreună în condiţiile disocierii ATP se produce supraprecipitare cu formare de “dopuri” şi rezultă contracţie musculară. Actina şi miozina puse împreună în condiţiile în care nu se mai produce ruptura moleculei ATP (bunăoară absenţa Ca++) se produce disocierea actomiozinei, scăderea vâscozităţii şi relaxare musculară. ATP este singura sursă de energie pe care o pot folosi proteinele contractile dar fibra musculară are rezerve numai pentru opt contracţii. În timpul contracţiei musculare ATP este regenerat din ADP folosind energia din depozitele mai generoase de creatinfosfat. Contracţia musculară implică ca filamentele groase şi filamentele subţiri să se cupleze, alunecând unele de-a lungul celorlalte. Această alunecare este rezultatul forţei ce o exercită punţile create la nivelul capetelor de miozină ce trag de fibrele de actină spre centrul sarcomerului. Care este procesul fizic intim legat de crearea acestor punţi nu este încă bine cunoscut. Fiecare punte se fixează, trage şi se detaşează de actină. Energia este furnizată de către ATP. Procesul este reglat de către calciu, troponină şi tropomiozină.

Forţa de alunecare produsă depinde de cantitatea de calciu eliberată de către reticulul sarcoplasmic. Hidroliza ATP realizata de ATP-aza miozinei permite rotaţia capetelor de miozină în jurul situsului de legare a actinei. Forţa de alunecare depinde de numărul de punţi active şi de viteza de fixare şi detaşare a punţilor. Există şi o diferenţă între forţele sarcomerice individuale.

Page 8 of 17

CURS NR. 5

FIZIOLOGIE

30.10.2012

Detaşarea punţilor este de asemeni un proces activ, consumator de ATP. Sarcomerele acţionează asemeni unor cremaliere minuscule (Lassagne F.). Reticulul sarcoplasmic este actorul privilegiat al acestei piese. El are rol esenţial atât în contracţie (eliberarea calciului) cât şi în relaxarea musculară (captarea calciului intracitoplasmatic). Contracţia depinde de activarea canalului calcic cuplat cu receptorul sensibil la rianodină. Relaxarea depinde de capacitatea de stocare a calciului prin acţiunea unei ATP-aze calciu-magneziu dependente ce reconstituie depozitele calcice reticulare împotriva gradientului de concentraţie. Transportul a doi ioni de calciu în interiorul reticulului sarcoplasmic “costă” o moleculă de ATP ce urmează a fi hidrolizată. Calciu este pompat în timpul relaxării musculare de către reticulul longitudinal (membrană cu foarte multe pompe) iar stocarea şi eliberarea se face de către reticulul joncţional care are puţine pompe calcice dar multe canale calcice şi care conţine proteina ce leagă calciul, calcequestrina. Când potenţialul de acţiune prin sistemul de tuburi T depolarizează membrana se induce eliberarea calciului din reticulul sarcoplasmic în citoplasmă. Concentraţia calciului liber în citoplasmă creşte de o sută de ori (de la 0,1 μM la 10 μM). Calciul interacţionează cu troponina C, tropomiosina trage de actină expunând-o miozinei, se formează punţi, este suprimată inhibarea ATP-azei actomiozinice de către troponina-I. Rezultă contracţia musculară. Când reticulul sarcoplasmatic sechestrează calciu şi se restabileşte inhibiţia prin troponină – tropomiozină se produce relaxare musculară.

Page 9 of 17

CURS NR. 5

FIZIOLOGIE

30.10.2012

Cum se transmite impulsul de la nerv la muşchiul striat? Cea mai mică parte dintr-un muşchi ce se poate contracta independent se numeşte unitate motorie. Unitatea motorie este alcătuită dintr-un singur neuron motor şi de grupul de fibre musculare pe care acesta le inervează. Frecvenţa impulsurilor ce vin prin neuronul motor variază mult, limita inferioară a impulsurilor fiind de 16/secundă iar limita maximă ce duce la o contracţie rapidă, brutală a fibrei este de 50/secundă (maximum cât poate propaga un axon de mamifer). Numărul fibrelor musculare dintr-o unitate motorie a unui muşchi variază în funcţie de precizia cu care tensiunea dezvoltată de către respectivul muşchi este controlată. Cel mai mic număr de fibre musculare per unitate motorie au muşchii ce dezvoltă mişcări de mare fineţe: muşchii striaţi oculomotori au mai puţin de 10 fibre musculare per unitate motorie, muşchii ce mişcă osişoarele urechii mijlocii au 10-125 fibre, muşchii faringieni au 2-6 fibre musculare iar muşchii laringieni au 2-3 fibre musculare per unitate motorie. Muşchii ce execută mişcări de mică precizie, cum ar fi muşchiul gastrocnemian au un raport mare de 1/2000. -Contactul dintre axonul neuronului motor şi fibra musculară se face la nivelul unei formaţiuni specializate denumite placa neuro-motorie. -De altfel, între cele două nu există un contact direct. La nivelul plăcii motorii membrana modificată a fibrei musculare formează o serie de pliuri. -Terminaţiile demielinizate ale neuronului motor se află în şanţurile menajate de aceste pliuri între cele două structuri fiind o fantă sinaptică foarte îngustă de 500 A. -Terminaţiile nervoase posedă multiple vezicule sinaptice ce conţin acetilcolină. Pe partea opusă, în crestele plăcii motorii se află receptori nicotinici. În fanta joncţională se află enzima acetilcolinesteraza. Acetilcolina are un rol central în procesul de transmisie neuromusculară.Transmisia neuromusculară este un proces de amplificare întrucât potenţialul de acţiune a nervului produce un potenţial de acţiune a muşchiului cu mult mai mare.

Page 10 of 17

CURS NR. 5

FIZIOLOGIE

30.10.2012

Acetilcolina este sintetizată în axoplasma neuronului din colină şi acetilcoenzimă A. În faţa crestelor de pe faldurile postsinaptice de pe membrana muşchiului sunt dispuse pe capătul nervos presinaptic aşa numitele bare dense având la capăt vezicule de acetilcolină imediat mobilizabile. Stimularea nervului creşte sinteza de acetilcolină prin creşterea concentraţiei intracelulare de sodiu. Acetilcolina este depozitată în nervul terminal în vezicule. O cantitate de 80% din acetilcolina depozitată în nerv poate fi eliberată de către potenţialul de acţiune.

Page 11 of 17

CURS NR. 5

FIZIOLOGIE

30.10.2012

Ce anume varsă o veziculă în fanta sinaptică? Pe lângă acetilcolină se elimină ATP, veziculină, colesterol, fosfolipide şi calciu. Toţi componenţii sunt reciclaţi şi reintroduşi în circuit. Un potenţial de acţiune al nervului implică exocitoza a 200 de vezicule ce conţin 200x1500= 300.000 de molecule de acetilcolină ce declanşează un potenţial la nivelul plăcii muşchiului. Ca impulsul să se propage prin nerv sărind peste nodurile lui Ranvier este necesară prezenţa calciului extracelular. Exocitoza veziculelor este de asemenea condiţionată de către calciu. Calciul se leagă de proteina numită calmodulin, complexul calci-calmodulin activează diverse enzime şi afectează proteinele structurale ale veziculelor inclusiv sinapsina. Vezicula fuzionează cu membrana prejoncţională a nervului şi îşi varsă conţinutul în fantă. Pentru fiecare moleculă de acetilcolină eliberată există 10 receptori ce aşteaptă de cealaltă parte a fantei. După excitaţia receptorului porul nicotinic a acestuia se deschide, membrana devenind permeabilă pentru sodiu, potasiu, calciu, magneziu şi amoniu. Fiecare moleculă de acetilcolină poate stimula un singur receptor de nicotină şi să deschidă canalul ionic doar pentru o milisecundă.După acest interval acetilcolina este hidrolizată de către acetilcolinesterază. Acetilcolinesteraza este localizată în pliurile joncţionale şi în lamina bazală a structurilor fantei sinaptice. Fiecare moleculă de acetilcolinesterază are şase situsuri enzimatice ce atrage şi hidrolizează acetilcolina. Receptori nicotinici se află şi pe terminaţiile nervului ei având rolul să crească mobilizarea acetilcolinei şi eliberarea acesteia din vezicule printr-un feed-back pozitiv. Printr-un mecanism încă incomplet înţeles receptorii de acetilcolină dispuşi prejoncţional mobilizează veziculele de acetilcolină să se deplaseze în zona activă gata de eliberare în cazul în care soseşte un alt impuls nervos. MOB=mobilizare. Potenţialul transmembranar la nivelul plăcii este de – 90mV. Interiorul fibrei musculare este electronegativ. În condiţii normale de Page 12 of 17

CURS NR. 5

FIZIOLOGIE

30.10.2012

funcţionare se produce o depolarizare de 40 mV, potenţialul transmembranar scăzând la -50 mV. Când potenţialul plăcii neuromotorii atinge acest nivel critic se propagă un potenţial de acţiune ce se supune legii tot sau nimic şi care trece via sarcolemă să elibereze Ca++ din reticulul sarcoplasmatic să activeze contracţia fibrei musculare. Receptorii nicotinici Receptorii nicotinici pentru acetilcolină a membranei postsinaptice sunt dispuşi în ciorchini distincţi pe „umerii” faldurilor membranei joncţionale. Fiecare ciorchine are un diametru de 0,1µM şi conţine câteva sute de receptori. Fiecare receptor are cinci subunităţi din care două, aşa zisele alfa (cu o greutate moleculară de 40.000 daltoni) sunt identice. Receptorii alcătuiesc structuri cilindrice ce traversează membrana celulară şi care alcătuiesc un canal central, aşa numitul ionofor, care în mod obişnuit este închis. Fiecare unitate alfa are pe suprafaţa sa extracelulară o unică zonă de legare pentru acetilcolină, zonă în care se pot fixa şi pahicurarele. Pentru ca un receptor să fie activat trebuie ca ambele situsuri alfa să fie ocupate. Consecutiv legării celor două situsuri din subunităţile alfa se produce o modificare structurală a complexului receptor care deschide pentru o clipă canalul ionofor (aici clipa este egală cu o milisecundă).

Page 13 of 17

CURS NR. 5

FIZIOLOGIE

30.10.2012

O stimulare unică produce un ciclu contracţie-relaxare a muşchiului numit secusă. Secusa este precedată de o perioadă de latenţă de 2-4 msecunde iar uneori în această perioadă muşchiul ce trebuie să execute contracţia se lungeşte. Este aşa numita relaxare de latenţă a cărei substrat subcelular nu se cunoaşte dar care creează condiţii optime pentru dinamica punţilor dintre fibrele contractile ale muşchiului. O stimulare repetată, efectuată înaintea relaxării complete a muşchiului, duce la o contracţie care este sumată cu prima. Este aşa numitul fenomen de sumare. Efectul de sumare este rezultatul adiţionării calciului liber din sarcoplasmă, eliberat din reticul de cel două stimulări. Repetarea la rată mare a stimulului va face ca muşchiul să rămână constant contractat. Este aşa numitul tetanus (în greaca veche tetanos=rigid).

Platoul contracţiei tetanice este la un nivel mai ridicat de tensiune decât vârful secusei. Tetanosul nu poate fi menţinut foarte mult timp din cauza oboselii a cărei mecanism intim rămâne necunoscut. O diviziune de timp este de 5 ms. S=stimulus, LP=perioadă de latenţă, LR=relaxare de latenţă Muşchiul scheletic este un ansamblu de fibre cu caracter divers, având proprietăţi metabolice şi contractile proprii. -muşchii posturali ce acţionând antigravitaţional menţin postura.Sunt alcătuiţi prioritar din fibre de tip I, foarte rezistente la oboseală, fibre „roşii” cu contracţie lentă şi metabolism oxidativ; -muşchii fazici (de acţiune), cei c...