Mecanismul contractiei a fost succesiv obiectul a numeroase ipoteze. Cea mai unanim recunoscuta explicatie este data de asa zisa teorie a - mecanismului glisant-, care, emisa intr-o forma initiala de H.E. Huxley în 1964, a fost ulterior completata cu numeroase detalii. În emiterea teoriei sale, Huxley a plecat de la cateva observatii electrono-optice efectuate pe muschi la diferite grade de contractie. Astfel, s-a observat ca intre filamentele groase de miozina si cele subtiri de actina se formeaza în timpul contractiei punti transversale, la care participa proiectiile laterale ale miozinei ce îsi modifica pozitia si se fixeaza pe actina. Astfel de punti transversale nu apar în zonele în care actina si miozina nu se suprapun. Scurtarea sarcomerului s-ar realiza prin alunecarea treptata a filamentului de actina spre interiorul discului întunecat. Forta ce determina aceasta alunecare se aplica repetitiv la locul de interactiune a puntii transversale cu actina. Deplasarea se realizeaza prin tractiuni si desprinderi succesive de mica amploare care, prin sumatie , ar determina miscarea de ansamblu.
În declansarea si realizarea contractiei musculare pâna la relaxarea finala se disting urmatoarele etape succesive:
a)Initierea potentialului de actiune
Se realizeaza în muschiul normal „in situ”,
la nivelul placii motorii. Impulsul nervos, dterminând
depolarizarea butonul
b)Cuplarea excitatie-contractie
Aceasta cuprinde ansamblul fenomenelor prin care potentialul
de actiune initiat la nivelul sarcolemei determina cresterea
brusca a concentratiei de Ca2+ liber din sarcoplasma, necesara
fromarii puntii transversale si glisarii. Potentialul de actiune
initiat la nivelul sarcolemei se propaga de-a lungul acesteia
prin acelasi mecanism autoregenerativ descris la nivelul membranei
neuronale.
Ajuns la nivelul tuburilor în T, potentialul se propaga
si de-a lungul triadelor descrise mai sus. La nivelul zonei
de contact dintre tubul în T si cisternele RS s-au descris
conexiuni si chiar canale. În momentul depolarizarii tubului
în T are loc un transfer de sarcina cu modificari de conformatie
si deschiderea canalelor. Sunt generti curenti ionici ce permeabilizeaza
membrana cisternei si determina eliberarea de Ca depozitat.
Cresterea concentratiei de Ca în sracoplasma a fost demonstrata
prin injectarea intracelulara de aequorina (extrasa din meduze)
, care devine luminiscenta în prezenta ionilor de Ca .
Dupa stimulare luminiscenta creste, atinge un maximum si scade
din nou din momentul în care s-a dezvoltat tensiunea maxima.
Cresterea concentratiei de Ca din sarcoplasma la 10-5 M (de
la valoarea de repaus de 10-7M) activeaza o pompa de Ca2+(ATPaza
Ca2+ dependenta) din membrana cisternala, care readuce ionul
din depozite. În concentratie suficienta, Ca2+ se leaga
de troponina C, blocând troponina I. În repaus,
troponina I contribuie, pe de o parte, la mascarea situsurilor
active de actina, iar, pe de alta parte, inhiba capacitatea
ATPazei miozinice de a hidroliza ATP la nivelul capului polar.
Blocarea prin Ca a acestei proteine declanseaza suita de evenimente
ciclice ale mecanismului contractil glisant.
c)Desfasurarea ciclica a glisarii filamentelor de actina
Deplasarea posibila a capului unei punti transversale în
lungul miofilamentului este foarte redusa în comparatie
cu cea necesara unei glisari complete a actinei. S-a ajuns la
concluzia ca, în timpul scurtarii sarcomerului, puntile
transversale trec printr-un proces ciclic de atasare-detasare
de zonele active ale actinei. Aceasta este estfel treptat tractionata
în interiorul discului întunecat. Gradul de scurtare
a sarcomerului ar depinde de numarul de cicluri (durata pe care
concentrtia de Ca2+liber se mentine ridicata) , iar forta dezvoltata
ar fi conditionata de numarul de punti transversale ce se fixeaza
în fiecare moment al contractiei. Etapele fiecarui ciclu
de atasare-detasare ar fi urmatoarele:
1.- Înainte de îceperea contractiei propriu zise
captele puntilor transversale fixeaza ATP ce este imediat hidrolizat
de ATPaza miozinica în ADP si Pi, care ramân atasate
de capul polar. În aceasta stare, capul polar (HMM) este
dirijat perpendicular spre filamentul de actina, fara a fi înca
atasat de acesta.
2.- În momentul în care, prin fiixarea Ca2+pe troponina
C, troponina I demascheaza gruparile active de pe actina (probabil
prin transconformarea tropomiozinei), capetele polare ale miozinei
se fixeaza de aceste grupari.
3.- Formarea legaturii acto-miozinice determina o modificare
conformationala a capului puntii transversale cu ajutorul energiei
furnizate de scindarea initiala a moleculei de ATP. Capul polar
al miozinei se înclina spre corpul moleculei si tractioneaza
filamentul de actina spre centrul discului întunecat.
4.- Înclinarea capului permite eliberarea ADP si Pi si
demascheaza o zona a capului de care se leaga o noua molecula
de ATP: Legarea ATP de capul polar determina desprinderea acestuia
de zona activa a actinei si puntea transversala se desface.
5.- Noua molecula de ATP este din nou scindata, capul îsi
reia pozitia perpendiculara si se repeta din nou ciclu. Procesul
se opreste atunci cand sarcina este prea mare sau, în
fine, atunci când membrana Z vine în contact cu
discul întunecat (glisare completa).
e)Relaxarea musculara
În 1950, observând efectul relaxant in vitro al
unor extracte musculare, Marsh a emis ipoteza existentei unui
factor relaxant. Mult mai târziu s-a demonstrat faptul
ca acest factor relaxant este de fapt o fractie partiulara continând
fragmente de RS. Relaxarea musculara este asociata cu recaptarea
Ca2+liber din sarcoplasma. Reducerea concentrtiei Ca2+determina
desprinderea acestor ioni de pe troponina C. Întregul
sistem revine astfel la starea de repaus, cu troponina I activa
blocând ATPaza miozinica si situsurile active de pe filamentul
de actina. Chiar si în repaus este posibil sa ramâna
un numar minim de punti transversale atasate de actina.
f)Modalitati de excitare a muschilor netezi
Excitarea fibrelor musculare netede se realizeaza prin doua
tipuri majore de mecanisme: mecanisme membranare depolarizante
, ce includ potentiale de actiune tipice sau nu, generate prin
mecanisme nervoase sau de alt tip; mecanisme hormonale, implicând
sisteme de mesageri secunzi, fara depolarizari membranare.
g)Mecanisme membranare depolarizante
În conditii de repaus normal, potentialul de membrana
a fibrei musculare netede este de 50-60 mV (cu cca 30mV mai
redus decât cel al fibrelor striate scheletice).
Potentialele de actiune ce se produc doar în muschi netezi
de tip visceral pot fi:
- potentiale de actiune tipice, asemanatoare celor din fibra
musculara scheleticea, dar cu o durata mai mare, de 10-50 ms;
Proprietatile fibrei musculare
Definirea cadrului functional al musculaturii în general,
cu referire la fibra musculara striata, în special, se
poate face printr-o succinta prezentare a proprietatilor fundamentale
legate de permeabilitate si polaritate electrica, excitabilitate,
contractilitate, elasticitate si tonicitate, care permit întelegerea
rolului propulsor activ al musculaturii în cadrul aparatului
locomotor.
Permeabilitatea si polaritatea electrica
Proprietatea caracteristica a membranei celulare, permeabilitatea
sarcolemei asigura o repartitie ionica particulara în
compartimentele intra si extracelulare, conferind polaritatea
electrica ce caracterizeaza majoritatea structurilor excitabile.
Consecinta directa a permeabilitatii membranei selective si
întretinuta de pompele ionice biologice de Na si K, polaritatea
electrica sta la baza genezei potentialului membranar de repaus
de -70-90 mV, precum si la impunerea unui anumit grad de excitabilitate
a fibrei musculare.
De potentialul de repaus sarcolemic va depinde atât nivelul
pragului de transmitere neuro-usculara a mesajului contractil,
cât si a potentialelor de placa sau de actiune (propagate),
implicate în declansarea si întretinerea cuplului
excitatie-contractie.
Excitabilitatea
Ca proprietate comuna a materiei vii, excitabilitatea fibrei musculare este definita prin capacitatea de a reactiona specific prin contractie alaturi de modificari de permeabilitate si polaritate electrica, acestea fiind fenomene inseparabile declansarii raspunsului de scurtare miofibrilara.
Rolul ionilor în generarea excitabilitatii
a. ionul de k, component al fluidului intracelular, mentine
potentialul de repaus (care estimeaza potentialul de echilibru
al potasiuliu)
Cresterea concentrtiei extracelulare a K determina modificarea
poetentialului de membrana conform legii lui NERNST
b. Ionul de Na, component al fluidului extracelular, mentine
presiunea osmotica în mediul extracelular.
Permeabilitatea membranei celulei musculare pentru Na este foarte
scazuta în repaus, dar creste semnificativ în urma
stimularii. Ionul de Na patrunde masiv în celula si aceasta
încarcare ionica depolarizeaza membrana.
Deoarece permeabilitatea la Na este voltaj-dependenta, mai multi
ioni de Na patrund în celula în timpul depolarizarii,
în asemenea cantitati încât se genereaza un
proces autoîntretinut (de feed-back pozitiv), care se
propaga de-a lungul membranei; procesul este calitativ identic
cu potentialul de actiune nervos.
Pentru o perioada scurta, interiorul celulei este pozitiv în
raport cu exteriorul. Dupa atingerea maximului de depolarizare(overshoot)
, potentialul de membrana egaleaza potentialul de echilibru
al sodiului.Permeabilitatea de Na scade rapid, simultan cu cresterea
celei pentru K, si este initiata repolarizarea.
c. ionul de Mg intervine într-o serie de reactii enzimatice
din cadrul metabolismului glucozei si a ATPazei miozinice
d. ionul de Cl , anion major în fluidul extracelular,
urmeaza pasiv miscarea transmembranara a cationilor si se distribuie
conform echilibrului Gibbs-Donnan.
e. Ionul de Ca are un rol reglator în contrctie. Prezenta
lui este necesara pentru a anula efectul inhibitor al miozinei
asupra hidrolizei de ATP.
În absenta Ca (concentratii intracelulare sub 0,1 micromolar),
tropomiozina blocheaza steric atasarea capului miozinei la actina
de-a lungul întrgului lant de actina F. La fiecare 7 monomeri
de acina F, troponina I este legata de actina si tropomiozina
în absenta calciului.
Legarea calciului la troponina C determina o modificare structurala
în complexul troponinic, cu detasarea troponinei I de
actina si tropomiozina. Acest fenomen permite tropomiozinei
sa se apropie de santul dintre cele doua helixuri de actina
si sa permita interactiunea miozinei cu actina (contactia musculara).
Date recente sugereaza ca în absenta Ca, complexul troponina-tropomiozina
inhiba numai legarea puternica a miozinei de actina, nu si atasarea
prin lefaturi slabe.
Din toate tipurile de excitanti utilizati în studiul excitabilitatii,
cei electrici sunt cei mai adecvati din punct de vedere fiziologic,
permitând o dozare în amplitudine, durata si frecventa
care îngaduie definirea si masurarea starii de excitabilitate
a anasmblului neuro-muscular.
Tehnicile de electrodiagnostic galvanofaradic si cronaximetric
asociate cu cele de detectie (EMG) si stimulodetectie ( viteza
de conducere a influxului nervos) permit explorare eficienta
a sistemelor excitabile de tipul structurilor neuro-musculare.
Geneza si conducerea excitatiei în fibra musculara striata
Declansarea starii de excitatie în fibra musculara poate
fi realizata natural prin intermediul influxului nervos, în
cadrul transmiterii sinaptice, sau cu ajutorul stimularii electrice
neuronale sau musculare.
a. Transmiterea neuro-musculara. În cazul excitarii indirecte
a ansamblului neuro-muscular, stimulul sau excitantul fizologic
final este reprezentat de impulsul nervos provenit din centrii
motori medulari sau supramedulari de oriine reflexa sau voluntara.
Pentru a adeclansa starea de excitatie a fibrei musculare ,
stimulul fiziologic trebuie sa strabata bariera sinaptica neuro-musculara
la nivelul careia eliberarea mediatorului chimic ( acetilcolina)
antreneaza întreaga suita de fenomene caracteristice transmisieii
colinergice, si anume:
- cresterea permeabilitatii membranei butonilor sinaptici axonali,
cu eliberarea din veziculele sinaptice a unor cantitati constante
de acetilcolina, denumite cuante.
Numarul de cuante eliberate este dependent de nivelul influxului
motor (intensitate, frecventa) si de prezenta ionilor de Ca
si a celor de Mg, respectiv facilitatori si inhibitor ai descarcarilor
colinergice
Un numar redus de vezicule sinaptice elibereaza intermitent
continutul lor din terminatiile axonale nestimulate;
- eliberarea spontana cuantala de acetilcolina, urmata de legarea
acesteia la receptorii proteici colinergici ai placii terminale
si producerea unui potential miniatural de placa(MEPP), de aproximativ
0,5 mV. În acelasi timp are loc o crestere a permeabilitatii
membranei postsinaptice pentru ionii de sodiu, potasiu, calciu
si NH4
- eliberearea unui numar crescut de cuante de Ach (din câteva
sute de vezicule sinaptice), cu formarea complexelor receptor-Ach,
determina prin cresterea permeabilitatii membranei postsinaptice
la cationi o amplificare a depolarizarii pâna la un nivel
critic de -40-50 mV;
- declansarea în consecinta a unui potential de actiune
propagat (120-130 mV) de-a lungul si în profunzimea fibrei
musculare, cu o veteza de la 3-8m/s (muschiul broasca) si pâna
la 12m/s (la om).
Conducerea impulsului nervos necesita o anumita cantitate de
ioni de Na (4?10 -12M/cm ) intrati în sacoplasma si o
cantitate echivalenta de ioni de K+ eliberati în spatiul
extracelular.
În timp ce raspunsul sub prag este decremential si strict
localizat (nepropagat), potentialul de actiune este autoregenerabil,
fiind condus în ambele directii de la zona stimulata,
având o evolutie sub forma unei curbe caracteristice.
Aceata prezinta o panta ascendenta rapida (spike cu overshoot),
urmata de una descendenta de repolarizare rapida (pâna
la aproximativ -90 MV) si o repolarizare lenta (postpotentialele
negative si pozitive), în care membrana ramâne usor
depolarizata timp de 0,25 s.
Potentialul rapid este generat la majoritatea speciilor de influxul
rapid sodic, în timp ce repolarizarea rapida este consecinta
unei rectificari întârziate, localizata la suprafata
membranei si manifestata printr-o crestere a conductantei ionilor
de K+ .
Faza repolarizarii lente pare sa fie generata predominant la
nivelul sistemului tubular transvers, prin acumularea în
aceasta zona a ionilorde K+, corespunzând rectificarii
lente de la sfârsitul ciclului potentialului de actiune
(slow-rectification).
Înlocuirea potasiului cu rubidiu sau distrugerea sistemului
tubular transvers cu solutie Ringer hipertona de glicero este
urmata de suprimarea postpotentialelor, fara afectarea fazelor
initiale ale PA (spike; repolarizare rapida); contributia ionilor
de Cl ramâne, înca, controversata, retinându-se
doar existenta unei conductante de clorpH-sensitive.
Odata eliberata prin influx nervos unic, la scurt timp dupa
depolarizarea membranei postsinaptice sarcolemale, Ach este
înlaturata de la nivelul placii motorii, în parte
prin difuziune, în parte prin sitrugerea de catre Ach
esteraza localizata în pelisadele jonctiunii neuro-musculare.
Aceasta distrugere permite o repolarizare rapida a placii motorii
necesara unei noi depolarizari, astfel încaât raspunsul
contractil este fin gradat în functie de diferite frecvente
de stimulare.
Acetilcolinomimeticele, de tipul carbamilcolinei, mimeaza efectele
acetilcolinei la nivelul placii motorii, dar având efecte
mult prelungite prin inactivarea lor lenta chiar nula de catre
colin.În doze crescute, pot deveni blocante printr-o depolarizare
excesiva, determinând conversia gradata a complexului
transmitator-receptor din forma activa în cea inactiva,
disociata ulterior intr-un receptor liber (desensibilizat),
lent reversibil la receptorul initial, activ.
b. Tulburari de transmitere sinaptica.deficitul sau excesul
unor enzime (Ach esteraza) sau al unor receptori determina tulburari
grave ale transmisiei neuro-musculare, de tipul „miasteniei”
sau „miotoniei”.
Transmisia neuromusculara poate fi blocata fie prin inhibarea
eliberarii de Ach din terminatiile nervului motor(toxina botulinica),
fie prin împiedicarea actiunii Ach asupra placii motorii.
Ultimul efect apare fie prin competitie la nivelul receptorilor
placii terminale (tubocurarina), fie printr-o depolarizare excesiva
(decametoniu si succinilcolina).
Inhibitorii de Ach estereaza (anticolinestereazele), de tipul
ezerinei (fisostigmina), neostigminei (prostigmina), diizopropilfluorofosfatului
(DFS), tetraetilpirofosfatului (TEPP) si edrofoniumului (tensilon),
prin inactivarea Ach esterazei si acumularea în consecinta
a Ach la nivel sinaptic , se opun tipului de blocare prin competitie,
jucaând rolul de anticurarizante cu conservarea Ach. Tubocurarina
pare sa combata blocarea prin depolarizarea excesiva, ca si
substantele mentionate mai sus în doze excesive. În
acest sens, DFP devine periculos prin inactivarea ireversibila
a Ach esterazei pentru câateva saptamâni, fata de
cea temporara (câteva ore) , realizata de fisostigmina
sau neostigmina (folosite astfel în diagnosticarea si
tratamentul miasteniei gravis).
Efectul benefic al blocantelor neuro-muscularea anticolinesterazice
este justificat prin acumularea unei cantitati suficiente de
Ach care sa restaureze nivelul normal al transmisiei neuro-musculare,
deficitar în miastenia gravis prin deprimarea functiei
receptoare colinergice de prezenta unor anticorpi anti-receptori
postsinaptici.
În clinica , substantele blocante ale transmisiei neuro-musculate
sunt utilizate pentru a obtine o relaxare musculara în
timpul interventiilor chirurgicale sau al unui experiment, sau
pentru a diminua agitatia în tratamentul psihozelor prin
electrosoc.
c. particularitati ale excitabilitatii neuro-musculare. Masa
musculara , formata dintr-un ansamblu de fibre musculare cu
excitabilitate heterogena, manifesta o gradare a efectului mecanic;
fibra musculara izolata sau unitatea motoie declanseaza un raspuns
maximal odata ce pragul liminal a fost atins, conform legii
„ tot sau nimic” (Bowidch si Bazliss), valabila
de asemenea pentru fibra miocardica si ce nervoasa.
Generarea potentialului de actiune în fibra musculara
se însoteste de variatii ale excitabilitatii neuro-musculare:
initial, o perioada de inexcitabilitate absoluta (perioada refractara
absoluta) , urmata de o crestere si de o scadere a acesteia
(perioada refractara relativa).
Perioada refractara face imposibila o stare de excitatie continua
a nervului si muschiului (prin sumarea sau fuzionarea simturilor),
explicânt notiunea de labiliate neuro-musculara.
Valoarea acesteia este în jurul a 100c/s pentru muschi
si 500c/s pentru nervi, tinând seama de durata de actiune
si a modificarilor de excitabilitate care le însotesc.
Pentru a obtine contractii unice (secuse) , fuzionate partial
(tetanos imperfect) sau total (tetanos perfect), intervalul
dintre stimuli nu poate fi mai mic decât perioada refractara
absoluta
d. Hipersensibilitatea de denervare neuro-musculara. Distrugerea
inervatiei musculare (prin sectionare sau alte mijloace fizico-chimice)
antreneaza. Pe lânga atrofia musculara, o excitabilitate
anormala a muschiului prin cresterea sensibilitatii la acetilcolina.
Hipersensibilitatea de denervare (limitata la nivelul structurilor
deservite de neuronii distrusi) se explica prin fenomenele de
„eliberare” a centrilor subiancenti de actiunea
moderatoare a celor supraiacenti. Cauza hipersensibilitatii
de denervare ramâne înca obscura, aceasta fiind
asociata la mischii scheletici cu cresterea zonei sarcolemice
sensibile la acetilcolina, care în mod normal este limitata
la nivelul placii motorii.
Aparitia fibrilatiei ( contractii neregulate ale fibrelor izolate)
la muschiul scheletic denervat are loc în intervalul de
trei saptamâni dupa leziunea nervoasa, iar disparitia
acesteia si a hipersensibilitatii de denervare se produce simultan
cu regenerarea nervului.
Atrofia care însoteste hipersensibilitatea de denervare
a muschiului scheletic nu apare la nivelul muschiului neted,
a carui inervtie este exclusiv de natura vegetativa simpatico-parasimpatica.
Modificarile de excitabilitate, de activitate electrica, de
tonicitate si contractilitate sunt particulare diferitelor afectiuni
neuri-musculare (pareze, paralizii, atrofii), având drept
urmare afectarea posturii si locomotiei umane.
Contractilitatea
Având ca substrat morfologic aparatul contractil miofibrilar, contractilitatea se reflecta în capacitatea muschiului de a dezvolta o tensiune mecanica la extremitatile sale. Se poate însoti de scurtarea lungimii muschiului si de alte manifestari fizico-chimice (electrice, biochimice, acustice, termice) si histo-morfologice asociate procesului contractil.
Bazele celulare ale contractiei musculare
Declansarea procesului contractil propriu-zis este precedata
de o serie de fenomene:1. generarea mesajului contractil prin
actiunea unor factori endogeni (neuro-umorali-metabolici) sau
exogeni( diversi stimuli somato-senzitivo-senzoriali) pe cale
reflexa sau voluntara; 2. conducerea lui pe caile motorii la
ansamblul unitatilor motorii; 3. traversarea barierei neuro-musculare
prin fenomenele de transmisie colinergica; 4. depolarizarea
sarcolemei musculare, cu generearea unui potential de actiune
propagat.
Ulterior , prin mecanismul de cuplare a excitatiei cu contractia
se antreneaza o serie de fenomene mecano-chimice ale ciclului
contractie-relaxare, care utilizeaza energia furnizata de sistemul
energogen contractil în prezenta ionilor de calciu.
Aceste fenomene sunt însotie de modificari ultrastructurale
ale proteinelor contractile miofibrilare, manifestari energetice,
mecanice, termice si acustice.
Faza postcontractila de relaxare este însotita de fenomene
legate de : pomparea ionilor de Ca în reticulul sarcoplasmatic;
eliminarea interactiunilor proteinelor contractile; refacerea
rezervelor energetice fosfat-macroergice; platirea unei datorii
de oxigen contractate în suprasolicitari epuizante.
Din multitudinea etapelor mentionate mai sus, cele legate de
cuplul excitatie-relaxare, furnizarea energiei contractile si
manifestarile care o însotesc tetin în mod deosebit
atentia.
a. Cuplul excitatie-contractie-relaxare (ECR). Acest proces
de cuplare electro-mecanica defineste lantul de fenomene care
realizeaza legatura functionala dintre sarcolema excitata prin
mesajul contractil motor si substratul contractil miofibrilar,
si care consta din: depolarizarea sarcolemei ; generarea si
propagarea unui potential de actiune de-a lungul sarcolemei
si al tubilor transversi; eliberearea calciului din cisternele
reticulului sarcoplasmatic (RS) ; difuzarea sarcoplasmatica
a ionilor de calciu si legarea lor la receptorii C-troponinici;
anularea efectlui inhibitor al troponinei I asupra interactiunii
acto-miozinice; interactiunea acto-miozinica cu glisarea filamentelor
subtiri printre cele groases scurtarea sarcomerului, având
drept rezultat declansarea, întretinerea si întreruperea
contractiei exprimata prin ciclul „contractie-relaxare”.
Microscopia electronica arata ca între capetele tubilor
T si cisternele terminale exista un spatiu foarte mic (5 mm).
Chandlier si Schneider (1976) au sugerat ca atunci când
potentialul de actiune ajunge la nivelul tubilor T se produce
un transfer de sarcini, care determina modificari conformationale
ale cisternelor terminale si deschiderea canalelor ionice cu
eliberarea masiva a ionilor de calciu din cisterne în
sarcoplasma (fenomen demonstrat prin utilizarea aequorinei,
care da un efect luminiscent direct proportional cu concentratia
Ca2+ (Best si Taylor, 1991).
Cresterea concentratiei ionilor de Ca de la 10-7M din repaus
la 2x 10-5 M antreneaza punerea în joc a unor procese
mecano-chimice care stau la baza activarii aparatului contractil
si a sistemului energogen : legarea Ca de troponina C, mobilizarea
moleculei de tropomozina la nivelul filamentelor subtiri, interactiunea
actinei cu miozina, hidroliza ATP si contractia propriu-zisa.
Lipsa complexului calciu – troponina C si, deci, prezenta
pozitiei inhibitorii a tropomiozinei de actina blocheaza interactiunea
actina-miozina, aspect caracteristic starii de relaxare. prezenta
calciului drept cuplant al excitatiei la contractie este explicata
prin interventia sa mediata de troponina C via tropomiozina
în declansarea interactiunilor ciclice actina-miozina,
care au facut obiectul unor mult - controversate teorii ale
contractiei musculare (teoria vâsco-elastica, teoria corpului
elastic, teoria filamentului continuu, teoria glisarii filamentelor
sau cea a puntilor transversale – model Huxley-Simmons).
În acord cu caracterul reversibil al evenimentelor ciclice
mentionate în conditii normale, relaxarea este posibila
în conditii d3 repolarizare prin captarea Ca2+ de catre
RS si disocierea Ca2+ de pe situsurile de cuplare cu troponina
C.
Odata cu concentratia ionilor de Ca în afara reticulului
sarcoplasmatic a scazut sub 10-7M/1, interactiunea chimica dintre
actina si miozina înceteaza, prin interferarea puntilor
transversale de catre tropomiozina, favorizând astfel
relaxarea muschiului.
Daca transportul activ de Ca este abolit, nu se mai produce
relaxarea, rezultând o contractie sustinuta (contractura)
b) Fenomene mecano - chimice ale ciclului contractie –
relaxare. În starea de repaus, structurile miofibrilare
se gasesc în stare de relaxare partiala, caracteristica
starii de toxicitate a tesutului muscular.
Concentratia joasa a Ca2+ în sarcoplasma (10-6M) nu permite
Sistemul energogen al contractiei musculare
Energia necesara contractiei musculare este furmizata de glicogenoliza.
Calea dupa care se efectueaza degradarea glicogenului si glucozei
variaza dupa conditiile de oxigenare a muschiului: calea anaeroba
asigura generarea doar a 2 molecule de ATP, în timp ce
conditiile aerobe cresc la 38 numarul de molecule ATP ca principala
sursa instantanee de energie pentru contractia musculara. Metabolismul
glucozei pe calea suatului pentozei este neglijabil în
muschiul scheletic.
Refacerea ATP implica folosirea ADP. Resinteza rapida a ATP
este asigurata de transferul gruparilor fosfat dela creatinin
fosfat catre ADP, reactie catalizata de creatin kinaza. Creatin
fosfatul este regenerat prin transferul de grupari fosfat de
pe ATP catre creatina.
În acest fel, un al doilea compus macroergic, cretain
fosfatul este generat în timpul refacerii musculare.
ATP si creatin fosfatul sunt forme de stocare de energie ce
pot fi utilizate mult mai rapid decât daca ATP ar proveni
din procesele lente de fosforilare oxidativa.
Reactiile care duc la transferul gruparii fosfat de pe creatin
fosfat pe ADP se realizeaza fara consum de oxigen )procese neoxidative=.
Din cauza cantitatii limitate de creatin fosfat din muschi,
acesta epuizat dupa câteva secunde de contractie intensa.
Energia necesara pentru formarea de compusi macroenergetici
(ATP si creatin fosfat) este asigurata de glicoliza si oxidarea
acetil CoA în ciclul acizilor tricarboxilici asociat cu
fosforilarea oxidativa în lantul respirator (fig. 457).
Energia necesara muschiului poate fi furnizata si de acizi grasi
si aminoacizi. Muschiul în repaus nu necesita degradarea
metabolica a glicogenului.
Glicoliza reprezinta degradarea glucozei pâna la stadiul
de acid piruvic. Are loc în sarcoplasma si enzimele implicate
fac parte din fractiunea proteica solubila a muschiului.
În cursul glicolizei, cunoscuta ca ciclul Embden-Meyerhoff,
se sintetizeaza doua molecule de ATP pentru fiecare molecula
de glucoza cgradata:
Glucoza + 2 ADP + 2Pi " 2 acid piruvic + 2 ATP
Ciclul acizilor tricarboxilici (Krebs) si fosforilarea oxidativa:
ciclul Krebs se produce în mitocondrii si consta dintr-un
ciclu de reactii chimice prin care acetil CoA este oxidata la
CO2 si H2O cu refacerea CoA. Acidul piruvic este oxidat într-o
serie de reactii ce implica mai multe enzime si patru cofactori
ce formeaza complexul dehidrogenazei acidului piruvic.
Reactiile din ciclul acizilor tricarboxilici sunt cuplate cu
lantul respirator, format dintr-o succesiune de transportori
de protoni si electroni localizati, de asemenea, în mitocondrie.
La acest nivel se realizeaza fosforilarea oxidativa a ADP la
ATP.
Contractia musculara apare din punct de vedere energetic cu
o succesiune de reactii producatoare de energie, de viteza variabila
si reversibile în timp. Aceasta succesiune poate fi pusa
în evidenta urmarind variatiile pH-ului local în
timpul contractiei:
- faza alcalina, precontractila, de semnificatie necunoscuta;
- faza de acidifiere, corespunzatoare scindarii ATP;
- faza de alcalinizare, corespunzatoare eliberarii functiei
bazice a creatinei prin scindarea fosfagenului necesar refacerii
ATP;
- faza de acidifiere, corespunzatoare cresterii productiei de
acid piruvic si acid lactic, cu eliberarea energiei necesare
refacerii fosfagenului si partial a glucozei.
Din punct de vedere termodinamic, energia furnizata muschiului
trebuie sa fie egala cu cea pe care el o elibereaza sub forma
de lucru mecanic, legaturi fosfat macroergice si caldura.Randamentul
mecanic al muschiului, exprimat prin procentajul energiei chimice
a nutrimentelor, utilizat pentru activitatea musculara, ajunge
pâna la 20-25% în conditii optime, 75-80% din energie
fiind eliberata sub forma de caldura.
Manifestari termice
Caldura eliberata de musci este reprezentata de mai multe componente
asociate starii de repaus sau diferitelo faze ale ciclului contractie-relaxare:
- caldura de repaus reprezinta o manifestare exterioara a proceselor
metabolice de repau amintite mai sus;
- caldura initiala reprezinta energia calorica eliberata în
timpul contactiei si divizata, la rândul ei, în
doua componente: caldura de activare, corespunzatoare a muschiului
în contactie, si caldura de scurtare, corespunzatoare
unor modificari ale structurilor musculare:
· caldura de activare apare în 10-15 ms de la stimulare
si este maxima la 20-30 ms. Ea reflecta:
a. eliberarea ionilor de Ca si interactiunea cu proteinele contractile;
b. scurtarea interna si efectele termoellastice la nivelul sistemului,
care au loc în conditii „izometrice”.
Aceasta este suplimentata de o faza de productie „labila”
a caldurii (cu timp de înjumatatire de 1,5 s), corelata
cu viteza miscarii, si o faza de productie „stabila”
( care continua si pe durata unei contractii sustinute, tetanice),
reflectând ineficienta transferului energiei ATP la legaturile
acto-miozinice;
· caldura de scurtare: prima constatare de aparitie a
caldurii de scurtare a fost sesizata de Fenn: aceasta etapa
apare ca o faza secundara, proportopnala cu lucrul mecanic extern
executat.
Se presupune ca este o forma de lucru vâscos intern, efectuat
în momentul glisarii filamentelor pe o distanta considerabila;
- caldura de elongare: daca muschiul a efectat lucrul mecanic
contra gravitatiei (de exemplu ridicarea unei greutati) va fi
necesara o cantitate suplimentara de energie pentru a asigura
coborârea precisa a greutatii. Cu alte cuvinte, muschiul
va continua sa se contracte chir în momentul alungirii
lui de catre încarcarea externa;
- caldura de recuperare: la sfârsitul contractiei exisa
o faza de recuperare, care replecta ineficienta proceselor aerobe
care utilizeaza glicogen si lipide pentru refacerea rezervelor
initiale de fosfagen (ATP si fosfocreatina) în interiorul
muschilor activi;
- caldura de refacere (revenire) corespunde proceselor metabolice
care readuc muschiul în starea de repaus si se prelungeste
înca aproximativ 30 de minute postcontactie, fiin egala
în valoare cu caldura initiala.
Manifestari electrice musculare
Sunt rezulatul depolarizarii sarcolemei fibrelor musculare
de la nivelul unitatilor motorii, fenomen declansat de mesajul
colinergic codificat în frecventa.
Potentialele de actiune generate reprezinta conditia primara
a desfasurarii activitatii contractile musculare în conditiile
întregului organism, fie izometrica (de postura) fie izotonica
(locomotorie).
Captate de la nivelul unitatii motorii prin electrozi coaxiali
sau de la nivelul unor zone musculare mai întinse cu ajutorul
electrozilor de suprafata, biopotentialele sunt înregistrate
sub denumirea de electromiograma (EMG), respectiv elementara
sau globara.
Elasticitatea
Capacitatea muschiului de a se lungi în anumite limite
si a reveni la dimensiunea initiala dupa încetarea fortei
de întindere defineste elasticitatea musculara.
În stare de repaus, muschiul se afla în mod normal
sub o tensiune usoare, determinata de proprietatea sa de tonicitate;
sectionarea tendoanelor determina o scurtare moderata.
Lungimea muschiului relaxat suficient, cu o tensiune de repaus
nula, reprezinta „lungimea de repaus”, apropiata
de valoarea extensiei maximale posibile în conditii naturale.
Capacitatea maxima de contractie a muschiului este în
mod specific legata de lungimea initiala.
Daca forta aplicata depaseste limitele elasticitatii perfecte,
chiar si în situ, muschiul poate pastra ulterior o anumita
deformare. La o întindere de trei ori mai mare decât
lungimea de echilibru, muschiul cheletic se rupe.
Elasticitatea muschiului joaca un rol de amortizor în
vederea evitarii unor rupturi consecutive contractiilor bruste.
Pe de alta parte, permite fuzionarea secuselor elaborate din
contractia tetanica a muschiului, marind randamentul masinii
musculare.
Tonicitatea
Ca una dintre proprietatile direct legate de functia contractila,
tonicitatea musculara reprezinta acea stare de tensiune (semicontractie)
caracteristica muschilor situati în organismul intact.
Mecanisme tonigene
Arcul reflex miotatic este compus din fusul neuro-muscular4
ca element receptor, aferente senzitive de tip I si II, centri
medulari (moto-neuroni alfa si gamma), cai eferente ale fibrelor
musculare extrafusale si, respectiv, intrafusale.
Unele detalii structurale si functionale, legate de fusul neuro-muscular
si alte relee tonigene, sunt prezentate în cadrul mecanismelor
posturii si locomotiei.
Fusul neuro-muscular are rol în controlul nervos inconstient
al contractiei, în cursul miscarii si al contractiei statice
sustinute, cu participarea aferentelor Ia si a buslei gamma
cu cele doua tipuri de fibre (extra si intrafusale).
Cele doua tipuri de motoneuroni alfa (tonici si fazici) sunt
supusi la influente facilitattoare (provenite pe calea eferentelor
fusale si supramedulare – cai vestibulo-spinale, sistem
reticulat facilitator descendent) si inhibitoare locale (aferente
Ib de origine tendinoasa, circuitul Renshaw).
Influentelor inhibitoare locale li se adauga cele venite de
la etajele supramedulare: cai rubro-spinale, nucleu caudat,
lob anterior al cerebelului, cortex frontal, sistem reticulat
inhibitor descendent.
Fusurile neuro-musculare nu functioneaza în conditii extreme,
ci sunt supuse permanent unor tractiuni usoare. Prin emiterea
continua de salve de impulsuri cu frecventa variabila spre motoneuronii
medulari, se ceeaza o asa-numita „presiune de depolarizare”.
În momentul în care acesta atinge un nivel critic
sunt stimulati motoneuronii, antrenând contractia fibrelor
musculare ale unitatii motorii; rezulta o tensiune slaba si
permanenta ce caracterizeaza tonusul muscular.
În afara receptorilor fusali si tendinosi cu roluri bine
stabilite în prezent se discuta despre existenta unor
tipuri speciale de receptori: cutanati, articulari, receptori
profunzi ai membranelor interosoase, terminatii nervoase intramusculare,
receptori viscerali. Acestia par sa genereze o serie de modulari
tonice prin mecanisme sinaptice medulare putin cunoscute. Reflexul
miotatic se afla sub influenta centrilor supramedulari localizati
în trunchiul cerebral, nucleii bazali, formatiunea reticulata,
cortexul frontal si cerebel.
Data privind interventia unor astfel de mecanisme tonigene au
fost obtinute pe preparate de animale (decerebrate sau decerebelate),
pe sectiuni ale axului cerebro-spinal sau în clinica,
direct prin explorarea reflexelor tonice.
Orice experienta neurofiziologica moderna duce la concluzia
ca tonusul este rezultanta activitatii sincrone, de origine
reflexa, a mai multor unitati motorii. Nu se poate înca
preciza daca aceleasi unitati functioneaza mereu, realizând
anumite „grupari strategice” în cadrul muschiului,
sau daca unitatile intra în joc pe rând.
Faptul ca tonusul este un fenomen continu este demonstrat de
existenta proprietatilor vâsco-elastice ale tesutului
muscular, care transforma influentele discontinue tonigene intr-o
tensiune permanenta strict dependenta de starea functionala
a muschiului.
Implicatii functionale
Tonusul de fond , postura sau expresie joaca un rol primordial
în activitatea musculara de efectuare a unor miscari complexe,
asigurând fixitatea articulatiilor si amortizarea elastica
a miscarilor.
Cresterea tonusului muscular si transformarea lui într-un
fison generator de caldura sigereaza implicarea în termoreglare.
Stari emotionale stresante (anxietate, excitatie, frica) maresc
tonusul musculare de fond prin cresterea descarcarilor nervoase
tonice.
În timplu somnului , influxurile tonice devin foarte rare,
sugerând implicarea acesuia în mentinerea „starii
de veghe”, al carei mecanism este eabordat la fiziologia
encefalului.
Bazele morfo-fiziologice ale formarii, cresterii si dezvoltarii
sistemului osos
Formarea oaselor. Este un proces complex de formare a materialului
osteogen prin doua variante esentiale: intramembranara si endocondrala
(cu alternativa pericondrala sau periostica).
a. Osteogeneza intramembranara implica osteoblastele diferentiate
direct de mezenchim, care secreta matricea osteoida utilizata
ca substrat pentru mineralizare. Acest tip de osteosinteza sta
la baza formarii oaselor craniului si masivului facial, partial
a claviculei si mandibulei, cât si a întregului
tesut periostic.
b. Osteogeneza endocondrala asigura formarea restului scheletului
din tesut cartilaginos. Procesul are loc pe modelul cartilaginos,
trecând prin stadii succesive spre maturare. Initial se
produce o hipertrofie a condrocitelor din zona centrala a diafizei,
urmata de invazia în teritoriu a vaselor nutritive, aparitia
centrilor primari de osificare si, în final, formarea
centrilor secundari de osificare epifizara.
Cresterea osoasa este însotita de marirea masei si grosimii
oaselor prin depunere periostica în cadrul de osificare
intramembranara, în timp ce canalul medular se extinde
prin resorbtie endostala, iar oaasele se alungesc prin osificare
endocondrala.
Discul cartilajului de cestere dintre diafaza si epifaza, ca
parte integrala a placii de crestere, este sediul osificarii
endocondrale. Prezinta zone distincte de osteogeneza la nivelul
suprafetelor epifizare si diafizare, unde procesul de osteoformare
este mai rapid.
Factorii de control ai cresterii, modelarii si maturarii osoase.Procesele
fundamentale de crestere si maturare osoasa sub controlul permanet
a numerosi factori modulatori, la care se aduga zestrea genetica-
evolutia ontogenetica si neonatala, factorii nuritionali-metabolici,
biochimici, farmacologici, circulatori, de vârsta si,
în mod particular, cei biomecanici din solicitarile fizice.
Factorii modulatori ai cresterii osoase sunt modulatori organici
ex-nutritionali ai modelarii si remodelarii din timpul crsterii
osoase, prin facilitarea fie a reorbtiei, fie a osteoformarii:
- factorii stimulatori ai osteolizei sunt de natura hormonala:
parathormon, glucocorticoizi sau o serie de factori locali în
care se includ – factori de crestere de tip epidermal
(EGF), fibroelastic (FGF), transformator (TGF), factorul de
activare a osteoclastelor, prostaglandine de tip E;
- factorii stimulatori ai osteosintezei au trei surse:
· unorala: insulina, STH, somato-medina-C (insulin-like
growth factor), hormonii tiroidieni;
· osoasa: proteina (factorul) morfogenetica osoasa (BMP),
factorul de crestere scheletic (SGF), factori de crestere derivati
din os (BDGF);
· tumorala (factorul prostatic, factorul carcinomului
de sân).
Mecanismee modulatoare:
- Hormonul de crestere (STH) actioneaza indirect, prin somatomedina-C,
care mareste sinteza de ADN si colagen si, în acelasi
timp, stimuleaza oxidarea glucozei, transportul de oxigen si
sinteza proteinelor.
(STH) hipofizar stimuleaza predominant osteoformarea, cu cresterea
osului în lungime si grosime. Deficitul la copil întârzie
cresterea (nanism hipofizar), iar excesul (adenom eozinofil
hipofizar) antreneaza prepubertar gigantismul, iar pospubertar
acromegalia. În ultimul caz, cresterea în grosime
a osului se realizeaza prin stimulare osteoblastica subperiostica.
- Hormonul tiroidian este indispensabil cresterii: deficitul
sau la copil perturba cresterea si maturatia scheletului, prin
întârzierea osificarii endocondriale si a cartilajelor
de crestere epifizara, frânând mai ales aparitia
centrilor secundari ai osificarii (disgenezia epifizara, din
mixedemul infantil).
- Hormonul paratiroidian stimuleaza resorbtia osoasa prin activarea
osteoclastelor si inhibarea osteoblastelor.
Atât tiroxina , cât si parathormonul, prin cresterea
resorbtiei osteoclastice si periostale, simultan cu scaderea
absorbtiei intestinale a calciului si intensificarea calciuriei,
ocupa un loc important în controlul mineralizarii si morfogenezei
osoase.
- Insulina opereaza prin numeroase enzime biosintetice, crescând
direct sinteza de colagen în osteoblaste. Calcitonia favorizeaza
osteoformarea prin inhibarea resorbtiei osoase.
De mentionat ca hormonul de crestere, hormonul paratiroidian
(PTH), insulina si vitamina D influenteaza deopotriva cresterea
si metabolismul osos la nivelul molecular prin stimularea sintezei
de colagen, osteocalcina si alte fosfoproteine. La nivel celular,
acessti hormoni afecteaza procesele de depozitare si degradare
matriceala, iar la nivel tisular interfereaza raportul de cuplare
resorbtie (osteoliza)- formare (osteosinteza).
- Cortizonul si Glucocorticoterapia prelungita, tiroxina si
PTH favorizeaza resorbtia osteolitica. Cortizonul reduce osteoformarea
prin inhibarea sintezei de colagen, diminuarea absorbtiei de
calciu cu cresterea tranzitorie a calciuriei. Excesul de glucocorticoizi,
prin inhibarea osteoformarii, reduce masa osoasa
(osteoporoza indusa de cortizol), în paralel cu efectele
hipocalcemice sus-mentionate si întârzierea cresterii
(boala Cushing, hipercorticism terapeutic etc.).
- Hormonii sexuali (estrogeni, androgeni, anabolizante de sinteza)
favorizeaza cu precadere osteoformarea.
· Androgenii stimuleaza maturatia scheletului si cresterea,
probabil prin favorizarea anabolismului proteic, sugerând
implicarea lor în puseul de crestere postpubertar. Hiperandrogenismul,
prin sudarea prematura a cartilajelor de crestere, ar explica
statura redusa a subiectilor.
· Estrogenii prezinta efecte mai reduse, dar dozele mari
accelereaza maturarea scheletului.
Factorii nutritionali- metabolici: aportul nutritiv normal de
protide, calciu si fosfor, alaturi de vitaminele C si D ar favoriza
osteoformarea si cresterea osoasa, dat fiind rolul lor în
organizarea colagenica a matricei extracelulare (vitamina C)
si mineralizarea (vitamina D).
Insuficienta sarurilor fosfo-calcice si a vitamine D în
timpul cresterii, cu un nivel scazut al fosfatului extracelular,
favorizeaza resorbtia osoasa, inhibarea cresterii, reducerea
rezistentei mecanice osoase, cu aparitia deformarilor osoase
de tip rahitic (curbari, tensionari). Hipocalcemia alimentara
si avitaminoza C sunt însotite de osteoporoza, iar hipofosfatemia
prin avitaminoza D împiedica mineralizarea osteoidului,
ducând la osteomalacie si rahitism. Majoritatea dezechilibrelor
metabolice grave si a celor atasate unor boli cronice încetinesc
dezvoltarea scheletului.
Factori circulatori;: tulburarile vasomotorii, în special
cele de natura simpatica, determina aparitia uneo osteoporoze
algice posttraumatice. Influenta factorilor circulatori este
mai complexa decât formula „hiperemia determina
demineralizarea, iar staza o o hiperformare osoasa”.
Factori genetici: influenta lor este corelata cu definitivarea
în conditii normale a formelor spre sfârsitul maturarii
osoase si aparitia în conditii anormale a unor osteopatii
„genotipice”.
Vârsta: osul sufera modificari structural-functionale
pe tot parcursul vietii. Copilaria este marcata prin predominanta
compusilor organici de tipul oseinei, care asigura elasticitatea
oaselor în raport cu proportia crescuta a mineralului,
iar batrânetea, printr-o crestere a mineralului, având
drept urmare o crestere a fragilitatii si, în consecinta,
a frecventei fracturilor.
În tesutul osos spongios osteoformarea diminueaza odata
cu vârsta adulta, iar resorbtia osoasa ramâne stabila
si antreneaza o osteoporoza lenta, progresiva.
Factori biomecanici de solicitare fizica: ortostatismul si locomotia
determina la nivelul osului o stare de tensiune si eforturi
unitare prin actiunea unor factori mecanici reprezentati de
greutate, tonus, contractie, tractiune, torsiune, compresie
ETC.Acesia actioneaza asupra arhitecturii osului conform cerintelor
de statica si locomotie.
Miscarea, presiunile, tractiunile pe directii paralele la liniile
de forta ale structurilor osoase sunt factori mecanici necesari
pentru viabilitatea osului în sensul stimularii activitatii
osteoblastice. Imobilitatea si neutralizarea miscarii favorizeaza
procesele de osteoliza si determina osteoporoza.
Tesutul osos are tot atâta nevoie de exercitiu ca si tesutul
muscular. Consolidarea unei fracturi, cel putin în prima
faza, impune însa o stricta imobilizare.
Imobilizarea completa si prelungita a unui segment de membru
(din poliomielita
Sau TBC osteo-particular) poate încetini cresterea în
lungime a unui os, grabind disparitia cartilajelor sale conjugare.
Imobilizarile prelungite (la pat), starea de imponderabilitate
(zboruri spatiale) care evolueaza cu un bilant negativ al calciului,
demineralizarea, rarefactiile osoase si aparitia de calculi
renali pun problema interventiei factorilor mecanici (gravitatie,
tractiune musculara) în reglarea echilibrului calcic în
os.
Exista presiuni favorabile formarii osului (presiuni functionale),
evaluate întea 8 si 15 Kg/cm . Exercitarea unei astfel
de presiuni determina orientarea sistemelor haversiene dupa
traiectul tensiunii principale, în timp ce fibrele de
colagen ofera o mare rezistenta prin orientare lor.
În regenerarea si structurarea testului osos si a osului
organ, alaturi de factorii mecanici un rol aparte îl joaca
si factorii de electrogeneza osoasa ca „inductori de ghidaj”
al proceselor de mineralizare.
Bioelasticitatea osoasa. Atât remodelarea, cât si
procesele reparative scheletice sunt însotite de importante
modificari ale potentialelor electrice zonale generate de proprietatile
piezoelectrice ale osului.
Activitatea electrica osoasa include, pe de o parte, potentiale
generate de întindere (de natura piezoelectrica) si, pe
de alta parte, biopotentiale membranare.
- Potentialele generate de întindere apar în timpul
deformarii prin mobilizarea sarcinilor electrice fixate pe moleculele
de colagen în matricea mineralizata. Zona de compresie
devine electronegativa în raport cu cea tensionara, argumetând
caracterul de sursa piezoelectrica a osului.
- Biopotentiale membranare: sunt produse de electrogeneza celulelor
osoase.
