BIOFIZICA CONTRACIEI MUSCULARE1. Elemente destructur a muchiului striat2. Contracia muscular, etape3. Manifestrile mecanice ale contraciei musculare4. Aplicarea principiului I al termodinamicii n cazul contraciei musculareMusculaturareprezintunelement activ care controleaz deplasarea structurilor osoase i micrile altor structuri. Micrile datorate muchilor se bazeaz pe capacitatea fibrelor musculare deautiliza energia chimic procurat n procesele metabolice, de a se scurta i de a reveni la dimensiunile iniiale.Elemente de structur a muchiului striatMuchiulstriatestealctuit dintr-un mnunchi (sute, chiar mii) de fibre musculare. Fibrele musculare sunt celule polinucleate mrginite de o membran plasmatic -sarcolema, care nvelete fascicule demiofibrileseparate ntre ele deunsistem detubuliicisterne membranoasecare aparinreticulului sarcoplasmic. n fibra muscular existunmare numr de nuclee i organite celulare ca mitocondrii, ribozomi etc. (figura). Unitatea morfofuncional a miofibrilei estesarcomerul(la homeoterme - lungime 2,2m). La microscop sarcomerul apare sub forma unei succesiuni debenziluminoase i ntunecate, care corespund unor filamente longitudinale care se ntreptrund - aceste filamente formeaz aparatul contractil. Sarcomerele sunt separateprinaa-numitelelinii Z. Filamentele aparatului contractil sunt de dou feluri:filamentesubiri(50) care se nser pe linia Z ifilamentele groase(100) (figura,figura).Banda luminoas I conine filamentele subiri; banda ntunecata A conine filamente groase care se ntreptrund cu cele subiri, iar n centru se afl banda H format numai din filamente groase.n seciune transversal se observ urmtoareaimagine: fiecare filament grosestenconjurat de 6 filamente subiri i fiecare filament subire de 3 filamente groase.Filamentele subirisunt alctuite din trei tipuri de proteine:actina globular(actina G)( 42.000D),tropomiozinaitroponina. Filamentul propriu-zis este format din dou iruri paralele alipite formate dinactinaG, ca dou lanuri torsionate (a-helixuri) (150-200 molecule) care dau forma fibrilar (F-actina) (figura) Aceste filamente sunt nsoite de cte dou filamente de tropomiozin (70000 D) situate n anurile formate de moleculele de actin. Din loc n loc, la capetele moleculelor de tropomiozin se gsesc moleculele de troponin (50.000 D)(formate din trei proteine).n general, o tropomiozin nsoete 7 molecule de actin.Filamentele groasesunt alctuite din molecule demiozin(500.000 D) (300-400 molecule) protein fibrilar, asemntoare cu o baghet subire, terminat prin dou capete globulare (aspect de cros de hochei) (figura).Partea fibrilar este numitmeromiozin uoar (MMU), cea globular -meromiozin grea(MMG). Aceasta din urm are dou componente: S1(solubil n ap) i S2- legtura cu cea uoar; ntre ele se poate face ndoirea moleculei (figura). Filamentul de miozin este format din poriunea liniar, iar capetele globulare sunt orientate lateral, la exteriorul filamentului (figura), formnd aa-numitelepuni transversale miozinice(expansiuni laterale).S1are mare afinitate pentru actin i prezint, n prezena Mg++, activitate ATP-azic. La rndul ei,actinaareo mare afinitate pentru miozin. Prin legarea celor dou (actina i miozina) se formeaz complexul actomiozinic care amplific activitatea ATP-azic a miozinei de 250 de ori.Fibra muscularestestrbtut de 2 reele de canalicule: 1) un sistem de canalicule dispuse longitudinal care strbat ntreaga sarcoplasm i sunt n contact strns cu miofibrilele:reticulul sarcoplasmic.Acesta se dilat la nivelul liniei Z formndcisternele terminale(figura); 2)canalicule transversale (tubulii T)de la nivelul miofibrilelor pna la suprafaa celulei, unde se deschid printr-un por. Acetia se afl n vecintatea liniei Z. Cisternele reticulului sarcoplasmic i cu tubulii alctuiesc o triad.Cisternele reprezint rezervoare de ioni de Ca++(concentraia de 1000 ori mai mare dect n exteriorullor )(conin vezicule n care concentraia ionilorde calciu este de cteva ori mai mare dect n structurile vecine) i acetia se elibereaz n cursul contraciei musculare.Muchiul relaxatn repaus, concentraia sarcoplasmic a ionilor de Ca++estefoarte mic (10-7M).n aceast situaie locurile de legare ale actinei cu miozina sunt mascate prin interpunerea moleculelor de tropomiozin.Punile transversaleMMGnusunt legate de actin. Deoarece miozina are activitate ATP-azic, poate s scindeze ATP n ADP i Pi(figura),cuun turnover foarte sczut (25 s sau 2-3/min.)iproduii de scindare sunt eliberai n sarcoplasm.Contracia muscularContracia fibrei musculare implic trei etape succesive:1.excitaiafibrei;2.cuplajulexcitaie contracie;3.contraciapropriu-zis a fibrei.1.Excitaia. Nervul motor mielinizat are ramuri terminale nemielinizate. Acestea parcurg o formaiune specializat a sarcolemei formndsinapse neuro-musculare(placa motorie)(figura). La nivelul acestor sinapse ncepe excitaia fibrei musculare prin eliberarea moleculelor de mediator chimic (acetilcolina) din terminaia nervoas n urma unui impuls nervos.Moleculele de acetilcolin se fixeaz pe moleculele receptoare ale membranei postsinaptice, determinnd deschiderea unor canale cationice ale acesteia.Cationii intr n fibr, interiorul acesteia devine local pozitiv i n felul acesta se produce potenialul de aciune.Acesta se deplaseaz prin sarcolem n lungul fibrei, iar prin membrana tubilor transversali n profunzime.2.Cuplajul excitaie- contracie.Tubulii transversali sunt n legtur cu cisternele reticolului sarcoplasmic.Depolarizarea tubulilor duce, n momentul n care potenialul de aciune ajunge n dreptul cisternelor, la deschiderea canalelor de Ca. Ionii de Ca++sunteliberaidin cisterne, iar concentraia lor n sarcoplasm crete de la cca 0,1 mM la 10 mM (100 ori). Troponina fixeaz ionii de Ca i n urma unei modificri conformaionaledeplaseazmoleculele de tropomiozin din anurile filamentului subire astfel nct locurile de legare ale actinei cu miozina nu mai sunt mascate (figura).3.Contracia. Din acest moment se poate forma complexul actomiozinic i contracia ncepe. Contracia implic eliberarea energiei chimice necesare i fenomenele mecanice care stau la baza producerii forei, respectiv scurtrii fibrei. Etapele ei sunt:- n urma rearanjrii troponinei i tropomiozinei extremitatea globular S1a miozinei care dispune de 2 locuri de legare, unul pentru actin, altul pentru ATP, sefixeazpe locul de legare actinic. Dup cum am spus mai nainte, miozina scindeaz ATP n ADP i Pii n repaus, dar eliberarea lorestefoarte lent. Complexul ATP- miozin are mare afinitate pentru G-actin.- Prin formarea complexului actomiozinic activitatea ATP-azic crete de 250 ori, produii de scindare sunt eliberai rapid, se elibereaz energie, eliberarea Piinduce o modificare conformaional a S2, iar puntea (n poziie perpendicular n stare de repaus,atunci cnd produii de scindare a ATP nu au fost nc eliberai) se nclin cu 450fa de filament (figura, Alberts et al., 2002). Prin aceast nclinare ea antreneaz filamentul subire, deplasndu-l axial cu 7,5nm n direcia zonei mediane i sarcomerul este scurtat.Se dezvolt for.- Locul de legare rmnnd liber, o nou molecul de ATPesteataat (dup 10-3s) i aceasta comand desprinderea punii de filamentul subire (figura). ATPestedin nou scindat, puntea se leag din nou de filament ntr-o poziie apropiat de linia Z i procesul se repet.n felul acesta, punile transversale se comport ca vslele unei brci i sarcomerul se scurteaz (figura,figura).Hidroliza ATPestemai rapid ca n repaus.Turnoverul crete la cca.10/s. n felul acesta ciclul biochimic al miozineiestecontinuat, cnd ncepe contracia, de cel actomiozinic (figura). Observaie: n timpul scurtrii sarcomerelor nu se scurteaz filamentele - ele se ntreptrund - gliseaz.Teoria glisriia fost elaborat n mod independent de ctre A. F. Huxley i H.E. Huxley n 1954.n lips ATP, cum se ntmpl dup moarte, ciclul se ntrerupe n faza n care punteaestelegat de filamentul subire, fiind nclinat la 450, legtura actomiozinic devenind permanent.Aparerigor mortis(rigiditatea cadaveric).RelaxareaDup ncetarea excitaiei se produce relaxarea n urmtoarele etape: - se nchid canalele de Ca++din cisterne, se reface concentraia de 103ori mai mare n cisterne dect n sarcoplasma, datoritpompeide Ca. Prin scderea concentraiei calciului, proteinele filamentelor subiri (troponina) si reiau conformaia, tropomiozina mascheaz locurile de legare.Att contracia ct i meninerea strii de repaus se fac cu consum de energie. Exist muchi ale cror sisteme contractile sunt reglate de ionii de Ca++prin aciunea acestora asupra miozinei i nu prin intermediul sistemului troponin- tropomiozin, aa cum exist i muchi care pot apela la ambele sisteme de reglare a funciei contractile.Mecanismele de refacere a rezervei de ATPRezervele de ATP din muchi se pot reface pe cteva ci:-Glicoliz anaerob-Fosforilare oxidativ-Reacia creatin-chinazei (reacia Lohmann):ADP + CP->ATP + C-Reacia miochinazei:ADP + ADP->ATP + AMPMuchiul glicerinatFibra muscular tratat cu soluie de glicerin - devine parial (sau chiar total) lipsit de sarcolem, tubi transversali i reticul sarcoplasmic (o asemenea stare poate fi creat i prin tratare cu detergeni sau prin microdisecie). Se constat c i n asemenea fibre se pot desfura cele 2 cicluri dac se modific concentraia de ioni de Ca++i ATP n soluia n care se afl fibra. n soluie lipsit de ATP -rigor mortis. La adugare de ATP - relaxare. La adugarea ionilor de Ca++se produce contracia.La ndeprtarea ionilor de Ca++(cu EDTA, EGTA -chelatori) se produce ori relaxarea, ori rigor (depinznd de prezena ATP).Manifestrile mecanice ale contraciei musculareTipuri de contracieMuchiul dezvolt o for de contracie egal i de sens contrar forei creia i se opune. n funcie de mrimea acestei fore muchiul se poate scurta, alungi sau poate pstra aceeai lungime.- Contracie izotonic - muchiul se contract contra unei fore exterioare constante (ridicarea unei greuti). - Contracie neizotonic - fora variaz ca mrime - ntinderea unui resort.- Contracie izometric - contracie n care lungimea muchiului nu se modific, dar tensiunea n el crete. Fora dezvoltatesteegal cu cea care trebuie nvins (contracia postural sau pentru susinerea unui obiect).Muchiul nu efectueaz lucru mecanic.- Contracia tetanic - Prin stimulare cuunimpuls unic muchiul se contract sub forma unei secuse unice (intervalul ntre stimuli trebuie s fie mai lung dect timpul necesar contraciei i relaxrii); la stimulare repetitiv cu o anumit frecven, peste o limit dat, contraciile individuale fuzioneaz ntr-o contracie unic -contracie tetanic(figura). Frecvena depinde de tipul de muchi (mai mare la muchii rapizi)(musculatura ocular 350 stimuli/secund, muchi solear 30).- Alungirea muchiului - dac fora exterioarestemai mare dect valoarea maxim a forei pe care o poate dezvolta muchiul, acesta se alungete cu toate c se contract activ.Relaia for-lungimeFora generat ntr-o contracie muscular depinde dedistanadintre extremitaile sale - deci de lungimea sarcomerelor sale. Ea are valoarea maxim pentru o lungime iniial afibrei(n repaus). Dacestentins peste aceast lungime i determinat s se contracte, sau contracia pornete de la o lungime mai mic, fora de contracie descrete (figura,figura). Pentruaexplica aceast dependen trebuie s se in cont de numrul de puni transversale implicate n contracie (figura). Dac un muchi este ntins peste o lungime a sarcomerelor de 3,6m, nu mai are loc ntreptrunderea filamentelor groase i subiri, deci nu se poate forma complexul actomiozinic i fora va fi nul. Foraestemaxim atunci cnd toate punile sunt implicate n interaciunea actomiozinic. La muchiulscurtatapareo interptrundere suplimentar a filamentelor subiri aparinnd aceluiai sarcomer repezentnd astfel un obstacol n interaciunea actomiozinic; F =0 cnd filamentul subire atinge linia Z din partea opus.Relaia fora-vitez de scurtare (A.V.Hill)Viteza de scurtare a unui muchi depinde de fora exterioar ce trebuie nvins (deci de fora de contracie launmomentdat).Astfel, un obiect uor este ridicat mai rapid, unul mai greu, mai lent.Ecuaia care reprezint acest proces, ecuaia Hill, este:(F+a)(v+b) = (Fmax+a)bAceastaesteecuaia unei hiperbole (figura).F- fora de contracie, v-viteza de contracie, a,b, -constante (a-dimensiune de for, b de vitez). Fmax- fora maxim dezvoltat de muchi pentru o anumit lungime iniial la care se declaneaz contracia (izometric).De aici, viteza de contracie va fi:v = (Fmax-F)b/(F+a)Se obine viteza maxim, vmax, pentru F=0.La foremarimuchiul se alungete i nu mai respect relaia Hill.Puterea dezvoltat de muchi:P = Fv =F(Fmax-F)b/(F+a)Putereaestenul pentru F = 0 i F = Fmax(izometric) (figura).Ecuaia Hill corespunde unei curgeri vscoase (frecarea la nivelul punilor n glisare).Aplicarea principiului I n cazul contraciei musculareLa scurtarea unui muchi cux, mpotriva unei fore F, se efectueazunlucru mecanic L = Fx.Att n repaus, ct i n contracie, muchiul degaj cldur.Cldura disipat (figura) de muchieste :- Q1- cldura de repaus;-cldurade contracie, care la rndul ei este cldura de meninere a forei de contracie Q2i cldura de scurtare Q3(proporional cu gradul scurtrii);-cldurade relaxare Q4, care se produce imediat dup ncetarea stimulrii;-cldurade restabilire Q5, care se produce n urma reaciilor chimice de regenerare a ATP. ntruct pentru acest din urm procesestenecesar un timp mult mai lung, el nu apare reprezentat n grafic.Cldura degajat de muchiesterezultatul reaciilor chimice i proceselor mecanice (ntinderea unor structuri elastice din muchi, frecri interne). Energia intern a muchiului este rezultatul unor reacii chimice (hidroliza ATP, reacia creatinchinazei,amiochinazei etc.) Variaia energiei chimice se calculeaz pentru fiecarereacie :U =iUmoli= Q - Fxunde:i- numrul de moli de reactani consumai (gradul de avansare a reaciei)Umoli- energia molar a reaciei respective, luat din tabele.