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tema 4 biomecanica...

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA

ASIGNATURA: BIOMECÁNICA

BIOMECÁNICA DEL MÚSCULO

MIRYAM BEATRIZ SÁNCHEZ SÁNCHEZ

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BIOMECÁNICA DEL MÚSCULO

Tabla de contenido 1.

Introducción .......................................................................................................................... 2

2.

Tipos de tejido muscular ....................................................................................................... 2

3.

Funciones del tejido muscular .............................................................................................. 3

4.

Propiedades del tejido muscular........................................................................................... 3

5.

Tipos de fibras musculares .................................................................................................... 4

6.

Histología del músculo .......................................................................................................... 4

6.1.

Elementos pasivos o inertes .............................................................................................. 5

6.2.

Elementos activos o contráctiles....................................................................................... 5

6.2.1.

Sarcolema ...................................................................................................................... 6

6.2.2.

Miofibrillas .................................................................................................................... 6

7.

Contracción muscular............................................................................................................ 8

7.1.

Unidad motora .................................................................................................................. 9

7.2.

Placa motora o unión neuromuscular ............................................................................... 9

7.3.

Tipos de contracción muscular........................................................................................ 10

8.

Mecánica de la contracción muscular ................................................................................. 10

8.1.

Periodos de una con contracción muscular .................................................................... 10

8.2.

Sumación y contracción tetánica .................................................................................... 11

9.

Modelo unidimensional del músculo .................................................................................. 12

9.1.

Arquitectura del músculo ................................................................................................ 12

9.2.

Modelo mecánico del músculo ....................................................................................... 13

9.3.

Caracterización de la fuerza ............................................................................................ 14

9.4.

Caracterización de la fuerza pasiva del músculo............................................................. 15

9.5.

Caracterización de la fuerza activa.................................................................................. 16

9.5.1.

Relación tensión-longitud ........................................................................................... 16

9.5.2.

Relación carga-velocidad............................................................................................. 17

9.5.3.

Relación fuerza-tiempo ............................................................................................... 18

9.5.4.

Efecto de la fatiga del músculo ................................................................................... 18

9.5.5.

Efecto de la temperatura del músculo ........................................................................ 18

9.6.

Ensayos ............................................................................................................................ 18

10.

Modelo tridimensional .................................................................................................... 19

11.

Referencias ...................................................................................................................... 20

BIOMECÁNICA

1. Introducción La estructura biomecánica del ser humano está constituida por el esqueleto que actúa como un sistema de palancas, sin embargo, los músculos son a través de los cuales el cuerpo logra producir movimiento. El movimiento, que puede ser voluntario e involuntario, resulta de la contracción y relajación de los músculos, que representan el 40-50% del peso corporal total de un adulto. El tejido que forma el músculo se denomina tejido muscular y está formado por células especializadas denominadas miocitos que tienen la propiedad de aumentar o disminuir su longitud cuando son estimuladas por impulsos eléctricos procedentes del sistema nervioso. Además de para generar movimiento, los músculos tienen otras muchas funciones: funciones de estabilidad, protección, producción de calor….

2. Tipos de tejido muscular Existen tres tipos de tejido muscular: •

•

•

Tejido muscular esquelético o estriado: Se denomina esquelético porque la mayoría de estos músculos mueven el esqueleto y estriado porque presenta una sucesión de estrías formando bandas claras y oscuras alternadas compuestas de actina y miosina (figura 1). El músculo esquelético funciona principalmente de forma voluntaria, controlada conscientemente por las neuronas que forman parte del sistema nervioso. Aunque la mayoría se controlan también de forma inconsciente, no es necesario pensar en contraer los músculos para mantener la postura o pensar en respirar para contraer y relajar el diafragma. Los músculos estriados son la principal fuente de calor corporal y contribuyen a mantener la temperatura del organismo cercana a los 37º C. Tejido muscular liso, visceral o involuntario: está constituido por fibras lisas donde se pueden apreciar células en forma de huso, carece de estrías transversales, solo muestra ligeras estrías longitudinales. Se encuentra en las paredes musculares de las vísceras, en el aparato reproductor y excretor, en los vasos sanguíneos, la piel y otros órganos internos. Su acción suele ser involuntaria, el estímulo para su contracción está mediado por el sistema nervioso vegetativo autónomo. Las funciones del músculo liso son muy diferentes según su ubicación, la peristalsis del intestino, contracciones del útero, causan la disminución o aumento del calibre de los vasos sanguíneos o de los bronquios, hacen posible la dilatación o constricción de la pupila… Tejido muscular cardiaco: forma parte de la pared del corazón. Este tipo de músculo también es estriado y su acción es involuntaria. Las células están ramificadas e interconectadas que hace que la contracción sea sincronizada. Su función es bombear la sangre a través del sistema circulatorio.

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Figura 1: Tipos de tejido muscular

3. Funciones del tejido muscular Los músculos desempañan una serie de funciones vitales para el organismo: • • •

•

Producir movimientos corporales: Los movimientos de todo el cuerpo, dependen de la función integrada de hu-sos, articulaciones y músculos. Estabilización del cuerpo: Las contracciones del tejido esquelético estabilizan las articulaciones y ayudan a mantener las posiciones corporales. Almacenamiento y movilización de sustancias en el organismo: La contracción sostenida de los músculos lisos ayudan en la función del almacenamiento que impiden la salida del contenido de un órgano hueco como ocurre con la comida en el estómago o la orina en la vejiga, el músculo cardiaco bombea sangre a través de los vasos sanguíneos del organismo y las contracciones del músculo liso de la pared de los vasos sanguíneos ayuda regular el flujo sanguíneo. También movilizan alimentos y sustancias como el flujo linfático, la sangre, la bilis y la orina. Generación de calor. En la contracción el tejido muscular produce calor; a lo que se denomina termogénesis, que se utiliza para mantener la temperatura del organismo. Los escalofríos o contracciones involuntarias del músculo esquelético pueden aumentar la tasa de producción de calor.

4. Propiedades del tejido muscular El tejido muscular tiene cuatro propiedades principales que lo diferencian del resto de los tejidos: • •

Excitabilidad eléctrica. El tejido muscular recibe impulsos eléctricos del sistema nervioso y tiene la capacidad de responder a los estímulos generando movimiento. Contractibilidad o capacidad del tejido muscular de contraerse. Al contraerse se provoca un acortamiento que provoca una tensión llamada fuerza de contracción.

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•

•

Extensibilidad. Es la capacidad del músculo para estirarse sin dañarse. Esta propiedad puede apreciarse en los músculos del estómago que se estiran considerablemente cuando el estómago se llena de comida durante el proceso de digestión. Elasticidad. Se refiere a la capacidad del tejido muscular de volver a su longitud y forma original después del proceso de contracción o tras su estiramiento.

5. Tipos de fibras musculares Existen varios tipos de fibras musculares esqueléticas que se diferencian por su funcionalidad y algunos aspectos de su estructura como es el contenido de mioglobina (proteína rojiza que se une al oxígeno dentro de las fibras musculares): o

o

o

Fibras tipo I o fibras rojas o de contracción lenta que predominan en los músculos posturales (músculos del tronco) cuya actividad es continua, pero de poca intensidad. Su color se debe a la cantidad de mioglobina y a que están irrigadas por un gran número de vasos sanguíneos. Son fibras que no se fatigan fácilmente, pues obtienen gran cantidad de energía debido a la capacidad de almacenamiento de oxígeno que tiene la mioglobina. Fibras musculares tipo II o fibras blancas o de contracción rápida, predominan en los músculos relacionados con el movimiento (músculos de las extremidades) que necesitan contraerse con mayor rapidez. Se utilizan para ejercicios de alta intensidad, pero poco duraderos en el tiempo. Son muy sensibles a la fatiga por tener poca mioglobina y está poco vascularizadas Fibras musculares tipo II a con características intermedias entre las de tipo I y tipo II. Dependiendo del tipo de entrenamiento que se realice estas fibras pueden transformarse en fibras de tipo I, si predominan los ejercicios de fuerza largos en el tiempo, o en fibras de tipo II si predominan ejercicios de corta duración, pero con actividad muscular intensa.

6. Histología del músculo El tejido muscular está formado por miles de células denominadas miocito o fibras musculares, que es la unidad funcional y estructural del músculo esquelético. Varias fibras musculares se agrupan para formar un fascículo, y varios de estos fascículos a su vez forman el músculo completo que está envuelto por una membrana de tejido conjuntivo llamada fascia. El cuerpo humano contiene aproximadamente 650 músculos estriados. El tejido muscular constituye entre el 40-45% de la masa corporal, y contiene elementos inertes o pasivos y elementos contráctiles o activos.

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Figura 2: Estructura del músculo

6.1. Elementos pasivos o inertes La fascia es una capa de tejido conjuntivo o conectivo que sostiene, rodea y protege a los músculos y a otros órganos del cuerpo. Existen dos tipos de fascias: • •

Fascia superficial que separa al músculo de la piel y permite la circulación sanguínea y linfática y contiene la red de nervios. Fascia profunda que reviste las paredes de los miembros y el tronco, permite el movimiento de los músculos y sirve de vía para los vasos sanguíneos, linfáticos y los nervios, además rellena el espacio entre ellos.

Por debajo de la fascia profunda se encuentran tres capas de tejido conectivo: la más externa es el epimisio que envuelve al músculo, la siguiente es el perimisio que divide al músculo en haces llamados fascículos que contiene varias figuras musculares y en el interior de cada fascículo y separando a las fibras se encuentra el endomisio. La conexión entre el músculo y el hueso puede hacerse por medio de una expansión fibrosa denominada tendón, compuesto por tejido conectivo denso y regular que forman haces de fibras colágenas que fijan el músculo al periostio del hueso. Cuando los elementos del tejido conectivo se extienden como una lámina ancha y fina, el tendón se denomina aponeurosis.

6.2. Elementos activos o contráctiles Alrededor del 80% de la masa muscular son figuras musculares capaces de contraerse como respuesta a un estímulo producido por el sistema nervioso. La fibra muscular es una célula alargada de forma cilíndrica, de unas 50 micras de diámetro y con una longitud que puede alcanzar varios centímetros. Cada fibra puede contener varias células, por lo que presenta

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numerosos núcleos situados en su periferia (célula multinucleada). Está constituida por: sarcolema y miofibrillas.

6.2.1. Sarcolema El sarcolema es la membrana plasmática de la fibra muscular y se sitúa por debajo del endomisio. El sarcolema puede mantener un potencial a través de ella debido a la diferencia en la concentración de cargas positivas y negativas en el interior y exterior de la célula. El primer paso en el proceso que lleva a la contracción es un cambio brusco en el potencial transmembrana, llamado potencial de acción. El sarcolema está formado por espacios huecos y túbulos: o

o

o

Túbulos transversales o túbulos T: son invaginaciones del espacio extracelular que se introducen perpendicularmente en la zona de unión de la banda A con la banda I, penetrando en el interior de la fibra. Retículo sarcoplasmático: red de canales paralelos a los filamentos de la sarcómera y perpendiculares a los túbulos T, excepto en la zona dónde el retículo sarcoplasmático linda con los túbulos T que entonces son paralelos a los mismos, formando a cada lado de los túbulos los sacos laterales o cisternas. Triada: es el conjunto de dos cisternas laterales y u túbulo en T.

El sarcoplasma es el citoplasma de la célula muscular o fibra muscular. Posee una gran cantidad de glucógeno y de una proteína denominada mioglobina que libera el oxígeno cuando se requiere para la formación de ATP (adenosín trifosfato), sustancia necesaria para la contracción de la fibra.

Figura 3: Estructura de la sarcolema [1]

6.2.2. Miofibrillas Las miofibrillas es la estructura contráctil que atraviesa las células del tejido muscular y les da la propiedad de contracción y de elasticidad, la cual permite realizar los movimientos característicos del músculo. Cada fibra muscular contiene varios cientos o millares de

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miofibrillas, que a su vez están formadas por haces de miofilamentos, que pueden ser gruesos y finos. En general hay dos filamentos finos por cada filamento grueso. Estos filamentos se organizan en compartimentos o unidades funcionales repetitivas denominadas sarcómeros. Los sarcómeros son las unidades funcionales más pequeñas de la fibra muscular y cada uno de ellos contiene filamentos gruesos, filamentos delgados, proteínas que estabilizan la posición de los filamentos y proteínas que regulan las interacciones entre los filamentos delgados y gruesos. Las interacciones entre los filamentos gruesos y delgados de los sarcómeros son las responsables de la contracción muscular. El sarcómero tiene un aspecto estriado que es debido a las diferencias en tamaño, densidad y distribución de los filamentos gruesos y delgados. Estos filamentos se superponen y dan origen a unas series de bandas que pueden ser: o

o

Bandas oscuras (bandas-A) que recorren toda la longitud de los filamentos gruesos y en los extremos de estas bandas se superponen los filamentos gruesos y finos. El nombre de banda A deriva de la palabra anisotrópico por la apariencia que tienen estas bandas bajo el microscopio. Existe una fina zona H que pasa por el centro de cada banda A. A las proteínas que sirven de sostén de los filamentos gruesos en el medio de cada zona H se denomina línea M, por la ubicación medial en el sarcómero. Bandas claras (bandas-I) que contienen el resto de los filamentos finos y deriva de la palabra isotrópico. Las líneas Z pasan por el centro de las bandas I.

Figura 4: Estructura de las miofibrillas Las miofibrillas se componen de tres tipos de proteínas: o

Proteínas contráctiles que son la miosina (componente de los filamentos gruesos) y actina (componente de los filamentos finos). La miosina actúa como la proteína motora y se encarga de presionar o traccionar las estructuras celulares para llevar a cabo el movimiento. Está presente en los tres tipos de tejido muscular. Las moléculas individuales de actina se combinan, enrollándose como una hélice, para formar el filamento fino.

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o o

Proteínas reguladoras que contribuyen a activar y desactivar el proceso contráctil, como son la troponina y la tropomiosina que se encuentran en el filamento fino. Proteínas estructurales que proveen a las miofibrillas de las características de alineación, estabilidad, elasticidad y extensibilidad y las unen al sarcolema y a la matriz extracelular. Algún ejemplo son la titina, la miomesina, la nebulina…

7. Contracción muscular La contracción muscular provoca un desplazamiento que hace que los elementos contráctiles (actina y miosina) se deslicen unos sobre otros, sin que la longitud de los filamentos finos y gruesos de forma individual varíen; de forma que provoca el acortamiento de los sarcómeros que a su vez induce el acortamiento de toda la fibra muscular y a su vez el de la totalidad del músculo. Durante la contracción se produce un acortamiento del sarcómero por el aumento del solapamiento entre los filamentos de actina y miosina, esto produce una aproximación de las líneas Z hacia la línea M. En reposo las proteínas contráctiles, miosina y actinia, tienen afinidad una por la otra, pero no están en contacto porque las proteínas reguladoras, la troponina y la tropomiosina, lo evitan puesto que están entrelazadas alrededor de ellas; sin embargo, cuando los iones de calcio llegan se unen a la troponina haciendo que el complejo troponina-tropomiosina cambie y permitiendo que las proteínas contráctiles se pongan en contacto. El ciclo de contracción se inicia en la cabeza de la miosina donde se produce la hidrólisis del ATP mediante una enzima que lo convierte en ADP (adenosín disfosfato), gracias a esta reacción química se produce la energía necesaria para realizar la contracción. Primeramente, las proteínas se ponen en contacto a través de un acoplamiento entre la miosina y la actina a lo que se le denomina puente cruzado. Posteriormente se produce un movimiento de deslizamiento del filamento de actina a lo largo del filamento de miosina, durante este deslizamiento se rompe el puente cruzado y se libera el ADP. Una vez finalizado el movimiento, se produce el desacoplamiento entre la miosina y la actina por med...