Fiziologia fibrei musculare

Daca in cazul neuronilor excitabilitatea este implicata in producerea si propagarea impulsurilor nervoase cu rol in coordonarea activitatii efectorilor in functie de aferentele senzitive, in cazul muschilor excitabilitatea este legata de generarea unor potentiale de actiune ce determina o activitate mecanica specifica – contractia musculara.

Formand aproximativ 50% din greutatea corpului, tesutul muscular este reprezentat in proportie de 4/5 de muschiul striat scheletic, restul fiind muschiul neted si muschiul striat cardiac.

1. FIZIOLOGIA FIBREI MUSCULARE STRIATE DE TIP SCHELETIC

1.1. Organizarea morfofunctionala a fibrei musculare scheletice

Fibra musculara striata are o forma cvasicilindrica,  cu un diametru ce variaza intre 25 si 100 mm si o lungime de 1-300 mm. Citoplasma  fibrei musculare  este organizata in:

• citoplasma contractila (inoplasma) – cuprinde aparatul contractil (miofibrilele);
• citoplasma necontractila – cuprinde numerosi nuclei, organite celulare comune si structuri specifice fibrei musculare – sistemul sarcotubular si mioglobina.

1.  MIOFIBRILELE sunt organite speciale contractile cu o grosime de 0,2-2 mm, dispuse pe intreaga lungime a fibrei musculare, ocupand aproximativ 80% din volumul acesteia. Sunt alcatuite dintr-o succesiune de benzi sau discuri, care sunt de doua tipuri:

• discuri clare, izotrope (discurile I) – contin actina;
• discuri intunecate, anizotrope (discurile A) – contin miozina si partial actina.

   Discul clar este, la randul sau, impartit in doua hemidiscuri de catre banda Z, iar discul intunecat are in partea centrala banda H, bisectata de linia M. Intre doua membrane Z succesive este delimitat sarcomerul – unitatea morfofunctionala a miofibrilei, cu o lungime de 2,5 mm si format dintr-un disc intunecat flancat de doua hemidiscuri clare.

Fig. 1. Organizarea  morfofunctionala a fibrei musculare scheletice.

Fig. 2. Structura sarcomerului.

Miofibrilele sunt alcatuite din miofilamente contractile:

• de miozina – groase (diametrul de 10 nm si lungimea de 1,5 mm);
• de actina – subtiri (diametrul de 5 nm si lungime de 2 mm).

Fiecare miofilament de miozina este inconjurat de 6 miofilamente de actina si fiecare miofilament de actina este marginit de 3 miofilamente de miozina. Miofilamentele sunt alcatuite din proteine:

• contractile – miozina si actina;
• reglatorii – tropomiozina si troponina (intra in structura miofilamentelor subtiri).

Miozina reprezinta fractiunea proteica majora, fiind o proteina complexa, asimetrica, formata din 6 lanturi polipeptidice: 2 lanturi grele si 4 lanturi usoare. Cele doua lanturi grele sunt identice, prezinta o conformatie de a-helix, fiind infasurate unul in jurul celuilalt si alcatuiesc axul filamentului de miozina – light meromiozina (LMM). La unul din capete, cele doua lanturi grele pierd conformatia de a-helix in favoarea celei de pliere, rezultand “capul” miofilamentului de miozina, alcatuit din doua parti simetrice. Orientarea  capetelor miozinice este transversala fata de axul filamentului, stabilind un unghi de 90° in conditii de repaus muscular.

Capul miozinic  (subfragmentul S1 de 70 kDa) prezinta doua zone:

• situsul nucleotidic ATP-azic (ATP-aza miozinica Mg²⁺ dependenta), de fixare si hidroliza a ATP-ului, activat de cresterea concentratiei Ca²⁺ in citosol;
• zona de interactiune cu actina  in care se fixeaza o molecula de actina.

Intre  capul miozinic si axul filamentului de miozina se interpune  “gatul” sau “bratul” puntii transversale (subfragmentul S2 de 20 kDa). Acesta, impreuna cu capul miozinic si lanturile usoare formeaza heavy meromiozina (HMM).

Fig. 3. Structura miozinei.

Actina

–              Actina exista sub doua forme – actina globulara (actina-G) monomerica si actina fibrilara(actina-F) polimerica.

–              Un filament actinic contine 340-380 monomeri de actina-G.

–              Cele mai importante proprietati ale actinei sunt:

–              capacitatea de polimerizare;

–              interactiunea cu miozina (prezinta situsuri de legare).

   Tropomiozina este dispusa sub forma de  bastonase de-a lungul axului de actina-F, revenind aproximativ 50 de molecule tropomiozinice pentru un filament de actina (o molecula de tropomiozina pentru 7 monomeri de actina-G). Tropomiozina blocheaza situsurile de legare ale actinei deoarece se interpune intre filamentul de actina  si cel de miozina, impiedicand interactiunea acestora in conditii de repaus.

   Troponina este atasata de unul din capetele moleculei de tropomiozina si este alcatuita dintr-un complex de molecule reglatorii:

• troponina C – fixeaza ionii de Ca²⁺ din citosol, fenomen urmat de modificarea conformatiei spatiale a troponinei si deplasarea tropomiozinei, astfel incat actina se cupleaza cu miozina;
• troponina T – leaga complexul  troponinic de tropomiozina;
• troponina I – leaga complexul troponinic de actina, mentine tropomiozina in pozitie de blocare a interactiunii miozina-actina si inhiba activitatea ATP-azica a capului miozinic. 

Fig. 4. Structura filamentului usor.

1. SISTEMUL SARCOTUBULAReste format din tubulii T (transversali) si o retea de tubuli L (longitudinali) dispusa in jurul miofibrilelor.

Tubulii T sunt o continuare intracelulara a sarcolemei, iar spatiul intratubular este o extensie a spatiului extracelular.

Tubulii L sunt  reprezentati de reticulul sarcoplasmatic care prezinta dilatatii laterale bogate in Ca²⁺, numite cisterne terminale.

Tubulii T sunt dispusi adiacent jonctiunii dintre discul clar si discul intunecat. La acest nivel, un tubul T vine in contact cu doua cisterne terminale ale reticulului sarcoplasmatic, juxtapozitia sistemului T si L reprezentand triada sarcoplasmatica.

Fiecarui sarcomer  ii revin doua triade sarcoplasmatice.

Sistemul sarcotubular are rol in cuplarea excitatie-contractie.

Fig. 5. Sistemul sarcotubular. – 2 triade pt. 1 sarcomer

1. MIOGLOBINA este o heteroproteina care contine Fe²⁺, are o structura asemanatoare unei unitati de hemoglobina si constituie un rezervor temporar de oxigen. In functie de cantitatea de mioglobina se descriu:

–  fibre musculare rosii de tip I (oxidativ) – bogate in mioglobina si cu metabolism predominent aerob;

–  fibre musculare albe de tip II (glicolitic) – sarace in mioglobina si cu  metabolism predominent anaerob.

1.2. Fiziologia placii motorii

   Jonctiunea neuro-musculara sau placa motorie este alcatuita din:

• componenta presinaptica – terminatia butonata a motoneuronului;
• fanta sinaptica;
• componenta postsinaptica – sarcolema fibrei musculare.

   Secventa transmiterii informatiei prin placa motorie este similara sinapsei interneuronale si  cuprinde urmatoarele etapele:

1. eliberarea acetilcolinei in fanta sinaptica printr-un proces de exocitoza, mediat de Ca ²⁺ si declansat de propagarea potentialului de actiune in butonul terminal;
2. difuziunea acetilcolinei prin fanta sinaptica spre sarcolema;
3. actiunea acetilcolinei asupra receptorului nicotinic postsinaptic alcatuit din 5 subunitati care delimiteaza central un canal de Na⁺. Influxul de Na⁺ determina un potential postsinaptic de tip excitator (PPSE) numit potential de placa. Prin insumarea potentialelor de placa se atinge potentialul prag sau detonant care deschide canale rapide de Na⁺ voltaj-dependente si genereaza la nivelul sarcolemei un potential de actiune. Acesta se propaga de-a lungul sarcolemei prin curenti locali, din aproape in aproape –  potentialul de actiune postsinaptic propagat, similar cu cel din fibrele nervoase;
4. inlaturarea acetilcolinei prin hidroliza, sub actiunea acetilcolinesterazei care desface complexul postsinaptic receptor-acetilcolina si inactiveaza acetilcolina.

         Fig. 6. Placa motorie.

Transmiterea sinaptica prin placa motorie are un timp de intarziere de 0,5-1 msec. Aceasta transmitere poate fi blocata selectiv, fara ca excitabilitatea directa a muschiului sau conducerea excitatiei nervoase la nivelul sarcolemei sa fie afectate. Transmiterea excitatiei prin placa motorie poate fi blocata prin:

• blocante ale receptorului acetilcolinic –  substantele de tip curara  reduc amplitudinea si durata potentialului postsinaptic, direct proportional cu doza administrata. In momentul in care amplitudinea potentialului  a scazut la 1/3 din valoarea initiala, blocajul este considerat complet, iar curarizarea este totala.
• blocante ce produc o inexcitabilitate neuro-musculara prin mentinerea depolarizata a placii motorii (ex. decametoniu, succinil-colina).

   Substantele blocante ale placii motorii se utilizeaza  ca medicatie adjuvanta in anestezie, pentru obtinerea relaxarii musculare in timpul interventiilor chirurgicale si pentru combaterea spasmelor si a convulsiilor.

Anticurarizantele (ezerina, prostigmina) inhiba acetilcolinesteraza si determina acumularea acetilcolinei la nivelul placii motorii pana la atingerea pragului de declansare a unui potential de actiune propagat.

1.3. Cuplarea excitatie-contractie in fibra musculara scheletica

   Cuplarea excitatie-contractie sau cuplarea electro-mecanica reprezinta succesiunea de fenomene care realizeaza legatura functionala intre sarcolema si structurile contractile, determinand declansarea, intretinerea si intreruperea contractiei.

Declansarea contractiei musculare se desfasoara in urmatoarea succesiune:

1. potentialul de actiune se propaga de-a lungul sarcolemei cu o viteza de  5 m/sec, patrunde in interiorul fibrei musculare prin tubulii T si determina prin intermediul unor senzori de voltaj deschiderea canalelor de Ca²⁺ din membrana cisternelor terminale ale reticulului sarcoplasmatic;
2. Ca²⁺ din cisternele terminale  va trece in sarcoplasma  ca urmare a deschiderii canalelor de Ca²⁺ ,determinand o crestere a concentratiei Ca²⁺ citosolic de la 10^-7 M la 10^-5 M;
3. Ca²⁺ eliberat se fixeaza pe troponina C, iar complexul troponina-tropomiozina isi schimba pozitia. Tropomiozina este deplasata lateral,  permitand formarea puntilor transversale actomiozinice si initierea contractiei. In acelasi timp, este activata ATP-aza miozinica care determina hidroliza ATP-ului si eliberarea energiei necesare contractiei.

Fig. 7. Cuplarea excitatie-contractie in  fibra musculara scheletica

   Relaxarea musculara. Sub actiunea Ca²⁺-ATP-azei, Ca²⁺ este  pompat activ in reticulul sarcoplasmatic unde este stocat pe o proteina numita calsechestrina. Astfel, scaderea Ca²⁺citosolic de la 10^-5 M la 10^-7 M stopeaza contractia si induce relaxarea prin revenirea complexului troponina-tropomiozina in pozitia initiala si blocarea interactiunii dintre  miozina si actina.

1.4. Mecanismul contractiei musculare in

fibra musculara scheletica

Mecanismul contractiei musculare are la baza alunecarea (glisarea) miofilamentelor de actina printre cele de miozina. Patrunzand mai adanc spre centrul sarcomerului, alunecarea filamentelor de actina determina apropierea membranelor Z si scurtarea sarcomerului – hemidiscurile clare se micsoreaza, iar discul intunecat ramane nemodificat.

Puntile actomiozinice se formeaza si se desfac ciclic in cadrul unui  proces numit “ciclul puntilor” care se repeta atata timp cat concentratia Ca²⁺ citosolic este 10^-5 M si inceteaza cand concentratia acestuia scade la 10^-7 M. Nu toate ciclurile puntilor  se desfasoara simultan deoarece o parte dintre ele trebuie sa mentina “ancorate” filamentele de actina deja glisate spre interiorul sarcomerului.

In timpul desfasurarii unui ciclu, capul miozinic isi schimba afinitatea fata de filamentul de actina, realizand substratul  molecular al  contractiei musculare.

Acesta cuprinde urmatoarele aspecte:

• afinitatea capului miozinic este scazuta si legaturile actomiozinice sunt slabe daca la nivelul situsului nucleotidic se afla fixat ATP si odata cu activarea ATP-azei miozinice apar produsii de hidroliza – ADP si P_i .    In acest moment intre capul  miozinic si axul filamentului de miozina exista un unghi de 90°.
• afinitatea capului miozinic creste si legaturile actomiozinice devin puternice cand produsii finali de hidroliza ai ATP-ului, indeosebi P_i, sunt eliminati complet de la nivelul situsului nucleotidic. Energia rezultata in urma hidrolizei ATP-ului este utilizata pentru micsorarea unghiul dintre capul  miozinic si  axul filamentului, de la 90° la 45°. Aceasta determina “flexia” capului pe bratul miozinic si glisarea filamentului de actina spre centrul sarcomerului, pe o distanta egala cu marimea unei molecule de actina-G (5-10 nm).

Pentru desfacerea legaturii transversale si reluarea unui nou ciclu contractil este necesara fixarea unei noi molecule de ATP pe situsul nucleotidic. Astfel, se restabilesc legaturile slabe si capul revine la pozitia initiala (90°). La reluarea  ciclului puntii, capul miozinei se leaga de urmatoarea actina-G. In lipsa ATP-ului puntile actomiozinice raman atasate si ciclurile sunt blocate. Aceasta este explicatia rigiditatii cadaverice (‘rigor mortis’) manifestata la cateva ore de la deces.

1.5. Unitatea motorie

Unitatea motorie este formata din motoneuron, prelungirea axonica a acestuia (nervul motor periferic) si totalitatea fibrelor musculare striate  care stabilesc sinapse cu nervul motor. Muschiul scheletic impreuna cu nervul sau constituie un ansamblu de unitati motorii cu anumite caracteristici  morfologice si functionale.

Raportul dintre numarul de fibre musculare scheletice deservite de un singur axon depinde de pozitia anatomica si functionala a muschilor,  determinand marimea unitatii motorii. Astfel, se descriu:

• unitati motorii mici (de tip I) – in muschii implicati in controlul unor miscari fine;  de exemplu,  in muschii extrinseci ai globilor oculari  raportul este 3/1 – 6/1;
• unitati motorii mari (de tip II) – in muschii sunt implicati in executarea unor miscari grosiere ce necesita o forta de contractia mare; de exemplu, in muschii centurii pelvine si ai coapsei raportul este 100/1.

Tabelul  1. Principalele caracteristici ale unitatilor motorii

Fig. 8. Unitatea motorie.

Unitatea motorie functioneaza ca o unitate contractila deoarece toate celulele musculare din unitatea motorie se contracta simultan in momentul in care motoneuronul transmite impulsuri. O parte din unitatile motorii se activeaza alternativ si in conditii de repaus muscular pentru a asigura tonusul muscular.

1.6.  Tipuri de contractii ale fibrei musculare scheletice

1. Secusa. Contractia musculara obtinuta sub actiunea unui singur stimul se numeste secusa, iar inregistrarea grafica a acesteia se numestemiograma. In organism, contractii unice de tipul secusei sunt rare, insotind frisonul si unele reflexe proprioceptive (miotatic).

Secusa dureaza cateva fractiuni de secunda si prezinta 3 perioade:

–  de latenta (0,01sec);

–  de contractie propriu-zisa (0,04sec);

–  de relaxare (0,05 sec).

In functie de durata secusei, se descriu:

–  muschi rapizi – contin predominent  fibre rapide (albe) si cu metabolism predominent glicolitic

–  muschi lenti –  contin predominent fibre lente (rosii) si au un metabolism predominent oxidativ.

Intre aceste 2 extreme, se situeaza muschii ce contin un amestec de fibre musculare rapide si lente, in proportii variabile.

O fibra musculara poate realiza doua tipuri de contractii:

• contractie izometrica – muschiul se contracta dezvoltand forta maxima, dar nu se scurteaza (nu-si modifica dimensiunile), intreaga cantitate de energie fiind transformata in caldura. In organism, contractiile izometrice participa la mentinerea unei anumite pozitii (muschii posturali) cu invingerea fortei gravitationale, ceea ce echivaleaza cu un travaliu static;
• contractie izotona – muschiul se scurteaza cu o forta constanta si efectueaza un lucru mecanic. In organism, contractiile izotone deplaseaza segmente si asigura diferite forme de miscare,  realizand un travaliu dinamic.

Contractia musculara este rezultatul unei sumatii de secuse individuale, avand ca rezultat o contractie de tip tetaniform. Sumatia secuselor poate fi de doua tipuri:

• sumatie spatiala – cresterea in intensitate a excitantului determina cresterea fortei de contractie prin “recrutarea” de noi unitati motorii. Forta de contractie creste direct proportional cu numarul si marimea unitatilor motorii “recrutate “. Primele recrutate sunt unitatile motorii mici, cu rezistenta mare la oboseala, care raman active atata timp cat oricare parte a muschiului se contracta. Cand excitatia creste in intensitate sunt recrutate si unitatile motorii mari.
• sumatie temporala – cresterea frecventei de stimulare (scurtarea intervalului de stimulare) determina cresterea fortei de contractie prin cresterea Ca²⁺ citosolic. Scurtarea perioadei de relaxare determina scaderea restocarii Ca²⁺ in reticulul sarcoplasmatic. Expresia majora a fenomenului de sumatie temporala este tetanosul.

1. Tetanosul. Impulsurile nervoase rapide, repetate, succesive si de durata, care cad in perioada excitabila a muschiului, determina contractia tetanica. Tetanosul este o contractie musculara prelungita care, in functie de frecventa de stimulare, poate fi:

• incomplet – cu platou striat daca frecventa de stimulare permite relaxarea partiala a muschiului;
• complet – cu platou neted daca frecventa de stimulare nu permite relaxarea musculara;

Fig. 9. Tetanosul incomplet. Tetanosul complet.

Oboseala musculara reprezinta scaderea temporara a fortei de contractie si cresterea duratei necesare relaxarii, ca urmare a unei activitati contractile prelungite. Mecanismul oboselii musculare este reprezentat de epuizarea rezervelor musculare de ATP, creatin-fosfat si glucoza, cu acumulare de acid lactic.

4.2. Parametri excitabilitatii neuro-musculare

Pentru a deveni excitabila, variatia energetica specifica trebuie sa indeplineasca trei conditii: de intensitate (valoare prag), timp (durata minima de actiune) si de bruschete (viteza de variatie sa depaseasca acomodarea).

Astfel, excitabilitatea neuro-musculara este explorata cu ajutorul urmatorilor parametri:

• Reobaza – intensitatea minima necesara unui stimul care aplicat un timp indelungat (200 ms), determina starea de excitatie. Valoarea normala este  1-8 mA.
• Timpul util – durata minima necesara unui stimul cu intensitate reobazei pentru a declansa starea de excitatie. Valoarea normala este 2 – 20 ms.
• Cronaxia – durata minima necesara unui excitant cu intensitatea dubla reobazei, pentru a induce starea de excitatie. Cronaxia are o valoare cuprinsa intre 0,1 ms si 0,6 ms, fiind de 10-30 de ori mai mica decat timpul util. Este cel mai important parametru care indica starea de excitabilitate;
• Bruschetea – viteza de instalare a excitatiei, determina relatia dintre starea de excitatie si cea de acomodare.

Excitabilitatea neuro-musculara variaza invers proportional cu parametri excitabilitatii.

In conditii patologice se descriu doua situatii:

–  hiperexcitabilitate (scaderea valorilor cronaxiei) apare in hipocalcemie, hipertiroidie, hipoglicemie si alcaloza;

–  hipoexcitabilitate (cresterea valorilor cronaxiei) apare in hipotiroidism si acidoza.

Muschiul denervat prezinta initial hiperexcitabilitate, dar la cateva zile interval (pana la cateva saptamani) din momentul leziunii, se instaleaza o hipoexcitabilitate progresiva pana la inexcitabilitate.

Bibliografie: Studii de specialitate, Biologie, articole online Scri Tube.

Cristi Iordache

călător pe la reviste pe la câteva edituri “…spunea mama: fluturii făceau curte florilor şi-atunci am mişcat prima dată, apoi zi de zi pântecu-i zvâcnea aşa cum ţi se zbate ochiul stâng. când m-am născut căzuse bruma. eu n-am vrut sa ucid fluturii” în rest, căţărare liberă

Distribuie acest articol Oficial Media