1

2015

CURSUL 5

Fiziologia fibrei musculare

FIZIOLOGIE GENERAL

UNIVERSITATEA DE MEDICIN I FARMACIE V.BABE TIMIOARA

DISCIPLINA DE FIZIOLOGIE

DEPARTAMENTUL DE TIINE FUNCIONALE

2

CUPRINS

1. Organizarea morfo-funcional a fibrei musculare scheletice

2. Placa motorie

3. Cuplarea excitaie contracie n fibra muscular scheletic4. Mecanismul contraciei musculare n fibra muscular scheletic 5. Particulariti fiziologice ale fibrei musculare netede

5.1. Tipuri de fibre musculare netede 5.2. Cuplarea excitaie contracie n fibra muscular

neted5.3. Contractilitatea fibrei musculare netede

3

OBIECTIVE

Studentul trebuie s: Descrie componentele structurale implicate n cuplarea excitaie

contracie i n contracia fibrei musculare striate Descrie etapele transmiterii excitaiei prin placa motorie i s discute

importana practic a blocantelor plcii motorii Descrie etapele cuplrii excitaie contracie i s discute rolul Ca2+ n

cuplarea excitaie contracie din fibra muscular striat Descrie mecanismul contraciei musculare i s discute rolul ATP-ului Descrie particularitile componentelor structurale implicate n cuplarea

excitaie contracie i n contracia fibrei musculare netede Explice particularitile morfologice, electrofiziologice i funcionale ale

fibrelor musculare netede de tip multiunitar i unitar Discute particularitile privind etapele cuplrii excitaie contracie i

parametrii contractilitii fibrei musculare netede n comparaie cu fibra muscular striat

4

1. ORGANIZAREA MORFO-FUNCIONAL A FIBREI MUSCULARE SCHELETICE

Celul cilindric, multinucleat cu nuclei dispui periferic lungime = 1 300 mm diametru = 10 150 m

Membrana celular = SARCOLEM

Citoplasma = SARCOPLASMA

(a) Poriune contractil cu MIOFIBRILE

(b) Poriune necontractil

Nr. de mitocondrii

RS bine dezvoltat

Mioglobin

Incluziuni de glicogen i lipide (trigliceride)

sub sarcolem n jurul miofibrilelor la nivelul plcii motorii

FIBR

5

1.1. SISTEMUL SARCOTUBULAR

DEFINIIE - structur specializat a

sarcolemei (tubuli T) i a RS (tubuli L)

care asigur cuplarea excitaie/contracie

(a) TUBULII TRANSVERSALI (T)

invaginaii transversale ale sarcolemei la

nivelul jonciunii dintre discul clar i

ntunecat al miofibrilelor

prezint canale lente de Ca2+ voltaj-

dependente (DHPR) activate n timpul

depolarizrii sarcolemei

Rol: conduc impulsurile de pe suprafaa

sarcolemei n interiorul celulei, ctre RS

DHPR = receptorul de dihidropiridin

RYR = receptorul de rianodin

6

[Ca2+ ]ic CONTRACIA

un segment longitudinal cu pompe de Ca2+ n repaus asigurrecaptarea Ca2+ n RS

[Ca2+]ic RELAXAREA

TRIADA SARCOPLASMATIC

ansamblul format din 1 tubul T + 2 cisterne

adiacente exist 2 triade/sarcomer

(b) TUBULII LONGITUDINALI (L) RS dispus sub form de reea n jurul

miofibrilelor Rol: depozit intracelular (ic) de Ca2+

Alctuit din: dou dilataii laterale = cisterne cu

canale lente de Ca2+ voltaj-dependente(RYR) la stimulare determin ieirea Ca2+ din RS n citoplasm

7

Sunt organite specifice cu funcie contractil reprezint aparatul contractil al celulei

Sunt dispuse de-a lungul axului longitudinal, pe ntreaga lungime a fibrei musculare reprezint 80% din volumul fibrei musculare

Sunt alctuite din miofilamente contractile de miozin i actin organizate n sarcomere

Cuprinde o succesiune ordonat de benzi sau discuri aspectul striat al fibrei musculare

1.2. MIOFIBRILELE

Sarcomer

Miofilamente

subiriMiofilamente

groase

Banda Z Banda Z

Disc I Disc IDisc A

Banda H

8

DISCURILE CLARE, IZOTROPE (discurile I)

conin actin

sunt mprite n 2 hemidiscuri de ctre banda Z

DISCURILE NTUNECATE, ANIZOTROPE (discurile A)

conin miozin i parial actin

prezint central banda H, bisectat de ctre linia M

Sarcomer

Miofilamente

subiriMiofilamente

groase

Banda Z Banda Z

Disc I Disc IDisc A

Banda H

9

MIOFILAMENTELE CONTRACTILE

1. Miofilamente groase

constituite din miozin

diametrul = 10 nm

lungimea = 1,5 m

2. Miofilamente subiri

constituite din actin

diametrul = 5 nm

lungimea = 2 m

RAPORTURI: la nivelul discului A (ntunecat)

1 miofilament de miozin / 6 miofilamente de actin

1 miofilament de actin / 3 miofilamente de miozin

Sarcomer

Miofilamente

subiriMiofilamente

groase

Banda Z Banda Z

Disc I Disc IDisc A

Banda H

10

se scurteaz n timpul contraciei prin glisarea filamentelor de

actin printre cele de miozin i apropierea membranelor Z

SARCOMERUL

unitatea morfo-funcional a miofibrilei

format din - 1 disc ntunecat (A)

- 2 hemidiscuri clare (I)

delimitat de dou membrane Z

lungime de 22,25 m n repaus

PROTEINELE MUSCULARE

1. Proteine contractile actina i miozina

2. Proteine reglatoare troponinele i tropomiozina, care intr n

structura miofilamentului subire, alturi de actin

11

1.3. MIOGLOBINA

FIBRE MUSCULARE ROII bogate n mioglobin metabolism predominent aerob (+ O2) rezistente la oboseal for i vitez redus de contracie

FIBRE MUSCULARE ALBE srace n mioglobin metabolism predominant anaerob (- O2) puin rezistente la oboseal for i viteza crescut de contracie

protein care conine Fe2+

constituie un rezervor temporar de O2 favorizeaz disocierea HbO2 la nivel muscular

Fe2+

12

1.4. PROTEINELE MUSCULARE CONTRACTILE

(a) MIOZINA fraciunea proteic major, complex, asimetric

alctuit din 2 lanuri grele i 4 lanuri uoare

organizare n 2 pri:

1. Light meromiozina (LMM)

formeaz coada(axul) miofilamentului

cuprinde cele 2 lanuri grele dispuse

ntr-o conformaie de alfa-helix,

nfurate unul n jurul celuilalt

2. Heavy meromiozina (HMM) cuprinde:

capul alctuit din extremitatea lanurilor grele i lanurile uoare

gtul (braul) leag capul de coad i asigur mobilitatea capului

13

CAPUL MIOZINIC

Format din extremitatea plicaturat alanului greu + lanurile uoare

Prezint: un situs de interaciune cu actina

un situs nucleotidic ATP-azic (Mg2+- dependent) care leag ATP i l scindeaz pentru a genera energia necesar contraciei

Orientarea capului fa de axul filamentului 90n condiii de repaus 45n timpul contraciei

Rol: capul + gtul (are mobilitate) formeaz puntea de legare cu actina (crossbridge)care iniiaz contracia

14

(b) ACTINA se gsete sub 2 forme:

actina globular (actina G) = forma monomeric actina fibrilar (actina F) = forma polimeric (340-380 monomeri)

are 2 proprieti: capacitate de polimerizare capacitate de interaciune cu miozina

Miofilamentul de ACTIN

Troponinele (C,T,I) Tropomiozina (TMZ) Actina G

15

(a) TROPOMIOZINA (Tmz)

este dispus sub form de bastonae de-a lungul miofilamentului

de actin - 1 molecul de Tmz/ 7 monomeri de actin G- 50 molecule de Tmz/ 1 filament de actin

cnd [Ca2+] citosolic scade la 10-7M (repaus) Tmz se interpune

ntre actin i miozin mpiedic interaciunea actino-miozinic

1.5. PROTEINELE MUSCULARE REGLATORII

cnd [Ca2+] citosolic crete la

10-5M (stimulare) Tmz se

deplaseaz lateral i permite

formarea punilor transversale

actino-miozinice iniierea

contraciei musculare

16

2. Troponina T (TnT) leag complexul de troponine de Tmz

3. Troponina I (TnI) leag complexul de troponine de actin menine Tmz n poziia de blocare a

interaciunii actino-miozinice inhib ATP-aza capului miozinic

(b) TROPONINELE complex de 3 molecule reglatorii

1.Troponina C (TnC)

fixeaz Ca2+ cnd [Ca2+] citosolic crete la 10-5M i declaneaz deplasarea lateral a Tmz se pot forma punile transversale actino-miozinice

17

2. PLACA MOTORIE

DEFINIIE: jonciunea dintre axonul neuronului motor cu originea n

coarnele anterioare a mduvei spinrii sau n nucleii motori somatici

ai trunchiului cerebral i fibra muscular striat scheletic

CARACTERISTICI STRUCTURALE

1.Componenta presinaptic - butonul

terminal al moto-neuronului, cu

vezicule cu Ach

2.Fanta sinaptic

3.Componenta postsinaptic - invaginaie

plicaturat a sarcolemei, cu Rec.

Nicotinici

PLACA MOTORIE = sinaps chimic de tip excitator

18

mediator chimic: ACh depozitat n veziculele butonului

receptori postsinaptici: Rec. Nicotinic

ntrziere sinaptic: 0,5 1 msec

potenial de plac: PPSE

CARACTERISTICI FUNCIONALE

Receptorul nicotinic = canal de Na+ i K+ gNa+ >> gK+

PR muscular = - 90 mV

PA (spike) = + 30 mV

19

TRANSMITEREA EXCITAIEI N PLACA MOTORIE

1.Invazia butonului sinaptic de ctre PA neuronal influx de Ca2+

2.Eliberarea i difuziunea ACh n fanta sinaptic3.Aciunea Ach asupra Rec. Nicotinici

4. Inactivarea ACh sub aciunea AChE desfacerea complexul ACh-Receptor i hidroliza ACh

Influx de Na+ prin canale rapide voltaj-dependente depolarizare muscular (pn la + 30 mV)

Influx de Na+ prin canale operate de ligand

Potenial de plac sumare temporo-spaial pn la valoarea prag a PA muscular (- 55 mV)

PA muscular propagat lent (30 m/sec) la nivelul sarcolemei i apoi prin tubulii T

20

BLOCANTELE PLCII MOTORII

1. MEDICAIA ADJUVANT n timpul anesteziei permite obinerea relaxrii musculare (paralizie muscular flacid) combate spasmele i convulsiile

(a) Blocante ale receptorului nicotinic de tip CURARA

determin scderea progresiv a

amplitudinii i duratei PPSE pe

msura creterii dozei de curara

blocajul este complet (curarizare

total) cnd amplitudinea PPSE

scade la 1/3 din amplitudinea

normal

mpiedic fixarea ACh pe Rec. nicotinic

21

n faza I - produc depolarizarea

postisnaptic contracie tranzitorie

n faza II - rmn fixate de Rec. nicotinic

desensibilizeaz Rec.nicotinic la ACh

menin sarcolema n stare repolarizat

2. TOXINA BOTULINIC

este produs de bacilul

botulinic (anaerob)

blocheaz exocitoza ACh

de la nivel presinaptic

poate produce paralizie

(b) Blocante ale Rec. nicotinic de tip SUCCINILCOLIN

22

3. CUPLAREA EXCITAIE-CONTRACIE

DEFINIIE - succesiunea de fenomene care realizeaz legtura funcional ntre sarcolem i structurile contractile care determindeclanarea contraciei i declanarea relaxrii musculare

este o funcie a SISTEMULUI SARCOTUBULAR

Declanarea contraciei Declanarea relaxrii

23

Activarea canalelor lente de Ca2+ (RYR) din membrana cisternelor tubulilor L determin ieirea Ca2+ n citoplasm creterea concentraiei de la 10-7M pn la 10-5 M

1.Fixarea Ca2+ pe troponina C 2.Deplasarea lateral a Tmz eliberarea

situsurilor de interaciune actino-miozinic 3.Formarea punilor actino-miozinice

I.DECLANAREA CONTRACIEI MUSCULARE

CONTRACIA MUSCULAR

PA muscular se propag lent de-a lungul sarcolemei activeaz canalele lente de Ca 2+ (DHPR) din membrana tubulilor T

25

Activarea pompelor de Ca2+ din segmentul longitudinal al tubulilor L determin recaptarea Ca2+ n depozite (stocare pe calsechestrin) scderea concentraiei Ca2+ citosolic de la 10-5M pn la 10-7M

II. DECLANAREA RELAXRII MUSCULARE

1.Eliberarea Ca2+ de pe troponina C

2.Revenirea Tmz n poziia iniial blocarea situsurilor de interaciune actino - miozinic

3.Desfacerea punilor actino-miozinice

RELAXAREA MUSCULAR

26

4. MECANISMUL CONTRACIEI MUSCULARE

Reprezint alunecarea (glisarea) miofilamentelor de actin printre cele de miozin apropierea discurilor Zi scurtarea sarcomerului

hemidiscurile clare se micoreaz

discul ntunecat rmne nemodificat

CICLUL PUNILOR

Reprezint mecanismul molecular al contraciei formarea i desfacerea ciclic a punilor transversale actino-miozinice att timp ct concentraia Ca2+ este 10-5 M

Nu se desfoar simultan la nivelul unui sarcomer o parte din puni menin ancorate miofilamentele de actin deja glisate spre interiorul sarcomerului

27

afinitatea capului miozinic pentru actin este sczut

legturile actino-miozinice sunt slabe

la nivelul capului miozinei este fixat ADP i Pi

ntre capul miozinic i axul filamentului exist un unghi de 90

energia este acumulat n poziionarea situsul de interaciune miozinic n dreptul situsului de interaciune actinic

(a) INIIEREA CICLULUI PUNILOR

28

legturile actino-miozinice devin puternice

ADP i Pi sunt eliberate de la nivelul capului miozinic

eliberarea energiei acumulate (working stroke) determin:

1. flexia capului miozinic

2.micorarea unghiului fa de axul miofilamentului de la 90 la 45

3.alunecarea miofilamentului de actin spre centrul sarcomerului

(b) FORMAREA PUNILOR TRANSVERSALE

29

(c) DESFACEREA PUNILOR TRANSVERSALE

detaarea capului miozinic de miofilamentul de actin are loc

NUMAI dup fixarea unei noi molecule de ATP pe capul miozinei

capul rmne flectat pe braul miofilamentului de miozin

n lipsa ATP-ului punile acto-miozinice rmn ataate i ciclurile

sunt blocate rigiditatea cadaveric (rigor mortis)

30

(d) RELUAREA CICLULUI PUNILOR

hidroliza ATP-ului sub aciunea ATP-azei miozinice determin:

1. fixarea ADP i Pi la nivelul situsului nucleotidic al capului miozinei

2. restabilirea unghiului de 90 ntre capul miozinic i axul

miofilamentului de miozin

3. orientarea capului miozinic spre urmtoarea actin G

4. restabilirea legturilor iniiale actino-miozinice slabe

31

FORMA - fusiform lungime: 20 500 m diametru: 2 10 m

STRUCTUR Nucleu: unic, central

5. PARTICULARITI FIZIOLOGICE ALE FIBREI MUSCULARE NETEDE

Sarcolema pompe ionice: pompe de Ca2+

canale lente de Ca2+ - voltaj-dependente - operate de ligand - operate mecanic

Zone specializate caveole - nlocuiesc tubii T corpi deni - nlocuiesc discurile Z conexoni - sinapse electrice ntre celule

32

formeaz miofilamente groase de miozini subiri de actin care nu sunt organizate n sarcomere

corpii deni nlocuiesc discurile Z (aspectul neted al fibrei musculare)

activitatea ATP- azei miozinice este sczut interaciunea actino-miozinic depinde de

gradul de fosforilare a lanurilor uoare miozinice

UNITATEA CONTRACTIL cuprinde 15 miofilamente de actin fixate pe doi corpi deni, situate n jurul unui singur filament de miozin

PROTEINELE CONTRACTILE

PROTEINE REGLATORII tropomiozina (Tmz) calmodulina (CaM) nlocuiete Tn-C

33

Caracteristicimorfologice

Fibra muscular multiunitar

Distribuie Muchii intrinseci ai globilor oculari

Vasele mari

Organizare Dispuse separat

Fr conexoni

Inervaie Individual

Jonciune neuro-muscular

Jonciuni de contact 1 varicozitate cu NT pentru fiecare fibr muscular

5.1. TIPURI DE FIBRE MUSCULARE

NETEDE

34

Particularitimorfologice

Fibra muscularunitar

Distribuie Pereii viscerelor cavitare Vasele mici

Organizare Grupate n tunici musculare

Nr. de conexoni

Inervaie Stratul superficial al tunicii musculare

Jonciune neuro-muscular

Jonciuni difuze 1 varicozitate cu NT pentru mai multe fibre musculare

35

Particulariti electrofiziologice

Fibra muscular multiunitar

Fibra muscularunitar

Potenialul de repaus = - 60 mV

Constant Oscilaii lente n jur de 50 mV frecvena 3 12 / min amplitudine de civa mV automatism ntreinut de o celul pacemaker

CONTRACIE = depolarizare prin influx de Ca2+ declanat de:

stimularea parasimpatic (ACh) ntinderea fibrei musculare RELAXARE = hiperpolarizare prin

eflux de K+ declanat de: stimularea simpatic (NAdr)

36

Particulariti electrofiziologice

Fibra muscular multiunitar

Fibra muscularunitar

Potenialul de aciune Vrfuri (spike) cu

durata de 50 msecprag = - 40 mV

depolarizare pn la 0 mV prin influx de Ca2+

Numai prin stimulare nervoas

Apar pe platoul undei lente Nr. de vrfuri este direct proporional cu intensitatea depolarizrii Dispar cnd depolarizarea este total

37

Caracteristici Funcionale

Muchi neted multiunitar

Muchi neted unitar

Tonus bazal Mecanism neurogenic(stimulare nervoas)

Mecanism miogenic (automatism)

Contracie (alunecarea filamentelor de actin printre cele de miozin)

Fiecare fibr se contract individual permite gradarea contraciei

Excitaia este condus rapid de la o celul la alta prin conexoni fibrele se contract ca un tot unitar (sinciiu funcional)

Controlul contraciei

Nervos Nervos i Hormonal

38

(a) CUPLARE ELECTRO - MECANIC

Influxul nervos determin activarea canalelor de Ca2+ voltaj dependente (L) din sarcolem

(b) CUPLARE FARMACO- MECANIC

(c ) CUPLARE MECANO - MECANIC

Factorii CONSTRICTORI determin: 1. Activarea canalelor de Ca2+

operate de ligand din sarcolem 2. Activarea proteinei Gq cuplat cu

fosfolipaza C IP3 (mesager secundar) care activeaz canalele de Ca2+ din membrana RS

ntinderea fibrei musculare determin activarea canalelor de Ca2+ operate mecanic din sarcolem

5.2. CUPLAREA EXCITAIE CONTRACIE

I. DECLANAREA CONTRACIEI [Ca2+] din citoplasm

39

4 Ca2+ + Calmodulina

Activarea MLCK (myosin light chain kinase)

Fosforilarea lanurilor uoare miozinice

(n prezena ATP i a Mg2+)

Formarea punilor actino-miozinice

CONTRACIE MUSCULAR

40

II. DECLANAREA RELAXRII [Ca2+] din citoplasm

Activarea pompelor de Ca2+ din sarcolem i membrana RS

Activarea MLCP (myosin light chain phosphatase)

Defosforilarea lanurilor uoare miozinice

Desfacerea punilor actino-miozinice

RELAXARE MUSCULAR

Desfacerea complexului 4Ca2+ - Calmodulin

Factorii RELAXANI care AMPc sau GMPc

(+)

(+)

41

5.3. CONTRACTILITATEA FIBREI MUSCULARE

NETEDE1. Activitatea ATP-azic sczut - determin o vitez redus de

desfurare a ciclului punilor transversale:

2. Absena benzilor Z - determin: o capacitate mare de scurtare (pn la 2/3 din lungimea iniial

fa de 1/3 la fibra striat) o for de contracie/suprafaa de seciune mai mare (4 - 6 kg/cm2

fa de 3 - 4 kg/cm2 la fibra striat)

durata mai mare a contraciei (1 3 sec, de 30 de ori mai mare dect n fibra striat)

energie necesar pentru a susine a contracie mai redus (1/10 1/300 fa de fibra striat)

meninerea prelungit a contraciei musculare la un nivel minim de stimulare, cu durata de ore sau zile, i cu un consum minim de energie = mecanism de blocare (latch)

* Tubulii transversali din fibra muscular scheletic:A. Reprezint un depozit de Ca2+ la nivelul cisternelor

terminale B. Prezint canale rapide de Na+ voltaj-dependente

cuplate cu membrana cisternelor terminale C. Prezint pompe de Ca2+ D. Sunt componente ale triadei sarcoplasmaticeE. Prezint canale de Ca2+ voltaj dependente n

structura receptorului pentru rianodin

TEST (complement simplu)

Curara este un blocant al plcii motorii: A. Utilizat ca medicaie adjuvant n timpul anesteziei

generale B. mpiedic exocitoza veziculelor presinaptice cu

acetilcolin C. Determin scderea progresiv a amplitudinii i duratei

potentialului postsinaptic excitator pe msura creterii dozei

D. Combate spasmele i convulsiile E. Produce o depolarizare postsinaptic tranzitorie

TEST (complement multiplu)

Muchiul neted multiunitar: A. Are un tonus bazal meninut prin mecanism miogenicB. Cuprinde fibre musculare care se contract individualC. Permite gradarea contractieiD. Cuprinde fibre musculare care constituie un sinciiuE. Este controlat exclusiv prin mecanism nervos

TEST (complement multiplu)