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

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1 Mestrado Integrado em Ciências Farmacêuticas Fisiologia do músculo Contracção muscular estriada e lisa Fenómenos eléctricos e mecânicos FFL 2012/2013

2 Sistema muscular 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.

3 Sistema muscular o músculo como máquina (Prof. Wilkie Conferência dirigida à Institution of Electrical Engineers, Londres, 11 de Fevereiro de ) 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 10 6 ; velocidade máxima opcional entre 0.1 e 100 mm/s; tensão gerada de 2 a 5x10-5 N.m 2 ; Modalidade autónoma com osciladores integrais: especialmente útil para aplicações de bombeio (coração, pulmões); módulos disponíveis de frequência e impedância adequada para sólidos ( Hertz), líquidos (0.5 5 hertz) e gases ( hertz); período de vida útil desde 2.6x10 9 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..!

4 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.

5 Sistema muscular os três tipos de fibras musculares CÉLULA DO MÚSCULO ESTRIADO ESQUELÉTICO CÉLULA DO MÚSCULO ESTRIADO CARDÍACO (miócitos) Fibras multinucleadas resultantes da fusão de células estaminais designadas por mioblastos. Alguns mioblastos permanecem como células satélite que podem originar novas fibras na reparação de lesão muscular, embora esta seja maioritariamente efectuada por fibrose. Fibras ramificadas (mononucleadas) CÉLULA DO MÚSCULO LISO (miócitos) Fibras fusiformes mononucledas com um núcleo central

6 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.

7 Músculo esquelético arquitectura muscular Miofilamento Sarcómero Miofibrilha Fibra muscular Fascículo Músculo 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.

8 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.

9 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.

10 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.

11 Músculo esquelético sarcómero e organização dos miofilamentos deslizantes (II) Linha M

12 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.

13 Músculo esquelético organização tridimensional dos miofilamentos de actina e miosina no sarcómero

14 Músculo esquelético organização da actina, tropomiosina e troponina no miofilamento fino C T I 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.

15 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 para desdobrar ATP e libertar energia para dobrar a porção em charneira da molécula de miosina durante a contracção e o movimento da ponte cruzada.

16 Músculo esquelético junção neuro-muscular 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. A conexão entre o neurónio motor e a fibra muscular designa-se por junção neuromuscular, 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. Placa motora terminal Mitocôndrias Vesículas sinápticas 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.

17 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 diferentes umas das outras. Quando um PA é gerado e se propaga num neurónio motor, todas as fibras musculares da sua unidade motora são estimuladas a conntrairem-se

18 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 Ca 2+ do sarcoplasma para o lúmen das cisternas, onde estes iões são armazenados em elevada concentração comparativamente com o sarcoplasma.

19 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 Ca 2+ a movimentar-se por gradiente electroquímico dos sacos laterais para o sarcoplasma. Do aumento do Ca 2+ 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 Ca 2+, sua deslocação da troponina e, consequentemente, ao relaxamento da fibra muscular.

20 Músculo esquelético ciclo das pontes cruzadas e rigor mortis Acoplamento/contracção Cálcio Energização 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 Movimento da ponte cruzada e encurtamento do sarcómero Desacoplamento/relaxamento

21 Músculo esquelético excitação-contracção-relaxamento FASE DE LATÊNCIA (EXCITAÇÃO) - Em resposta a um estímulo gera-se um potencial de acção (PA) que se propaga pelo axónio até ao terminal présinápico do neurónio motor do sistema nervoso somático, aumentando assim a permeaqbilidade da membrana ao ião cálcio, o qual se difunde par o interior, provocando, com o concurso da sinaptotagmina e das proteínas SNARE, a fusão das vesículas e a exocitose de acetilcolina (Ach) para a fenda sináptica; - 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 activo dos filamentos de actina aos quais se ligam as pontes cruzadas da miosina.

22 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.

23 Músculo esquelético mecânica da contração da fibra muscular: pulso contráctil, espasmo ou abalo muscular Pulso contráctil 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 contracção e de uma fase de relaxamento.

24 Músculo esquelético mecânica da contração da fibra muscular: contracção isométrica, isotónica e de alongamento 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 sarcómero e quando a força exercida por um objecto sobre o músculo em contracção (carga) é superior à tensão desenvolvida, mantendo-se a carga imóvel 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 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).

25 Músc. esquelético mecânica da contração da fibra muscular: tensão isométrica versus comprimento do sarcómero no repouso Sobreposição excessíva Sobreposição adequada Sobreposição insuficiente A tensão isométrica máxima é produzida para o comprimento óptimo do sarcómero, I 0. 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. Percent of sarcomere lenght