BIOFISICA MUSCULAR

Estructura del musculo esquelético

Poseen el control consciente (voluntario) del movimiento, sirven de locomoción (unen y mueven el esqueleto).  Formados por células largas (fibras) estriadas paralelas adheridas al esqueleto óseo que mueve sus partes. Las células musculares están dispuestas en hilos elásticos agrupados en paquetes, varios de los cuales juntos constituyen un músculo. Estos músculos están controlados por nuestra voluntad.  Constituyen cerca de 40% de peso corporal de la persona.  La contracción de los músculos esqueléticos producen los movimientos corporales, tales como: caminar, respirar, entre otros.

El músculo esquelético debe su nombre a que casi todo este tejido se encuentra anclado a los huesos del esqueleto que desplaza. Está bajo control voluntario y la contracción se puede efectuar de manera consciente.El musculo esquelético está formado por haces de fibras musculares esqueléticas, que recorren por lo general toda la longitud del musculo.

Estas fibras son multinucleadas, formadas por la fusión de varias células alargadas llamadas mioblastos. Las fibras musculares poseen múltiples núcleos porquecada fibra es producto de la fusión en el embrión de gran número de mioblastos mononucleados (células premusculares)

Un corte transversal de una fibra muscular revela que se asemeja a un cable formado por cientos de fibras cilindricas delgadas, denominadas miofibrillas

Cada miofibrilla consta de disposición lineal repetitiva de unidades contráctiles denominadas sarcómeros; cada sarcómero está provisto de un patrón característicode bandas y líneas que dan a la fibra muscular un aspecto estriado.

Sarcomera

Los músculos esqueléticos poseen una estructura muy organizada, constituida por fibras que contienen órganos contráctiles que son las miofibrillas. Cada miofibrilla consta de disposición lineal repetitiva de unidades contráctiles denominadas sarcómeros; cada sarcómero está provisto de un patrón característico de bandas y líneas que dan a la fibra muscular un aspecto estriado.

Estructura del sarcomero

El sarcómero representa la unidad funcional básica (más pequeña) de una miofibrilla.  Son las estructuras que se forman entre dos membranas Z consecutivas.  Contiene los filamentos de actina y miosina (formada por una banda A y media banda I en cada extremo de la banda A).  Un conjunto de sarcómeros forman una miofibrilla.   Los componentes del sarcómero (entre las líneas Z) son,  la Banda I (zona clara), Banda A (zona oscura), Zona H (en el medio de la Banda A), el resto de la Banda A y una segunda Banda I. Estas bandas corresponden a la disposición y solapamiento de los filamentos.

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Fenomenos mecanicos de la contraccion muscular

Acción Mecánica - Palancas corporales

Las piezas del esqueleto son semejantes a palancas por lo que poseen un punto de apoyo, una resistencia y una potencia:

El punto de apoyo; corresponde a la articulación, es el punto en torno al cual gira la palanca.

La resistencia; se refiere a la fuerza a vencer

La potencia; corresponde a los músculos, es la fuerza que impulsa la palanca a moverse.

En mecánica tenemos tres generos de palancas de acuerdo a la ubicación del punto de apoyo, la resistencia y la potencia, son las palancas de primer, segundo y tercer genero.

Palanca de primer género: es el punto de apoyo, ubicado entre la resistencia y la potencia. Un

ejemplo claro de esto es la articulación de la cabeza con la columna. En el movimiento de la

cabeza cuando asentimos, encontramos una palanca de primer grado.

Al desplazar la cabeza hacia atrás, el cráneo pivota sobre la vértebra atlas (el punto de apoyo).

Los músculos trapecio y esternocleidomastoideo, realizan la fuerza necesaria para mover el peso

de la cabeza.

Palanca de segundo género: la resistencia ubicada entre el punto de apoyo y la potencia. Ejemplo en la persona en punta de pies. Las encontramos al caminar, un movimiento tan genuinamente humano. Al andar, se ponen en juego distintos músculos que accionan palancas de 2º grado, que multiplican la fuerza para que podamos desplazar el peso de nuestro cuerpo.

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Palanca de tercer género: es la potencia la que se encuentra entre el punto de apoyo y la

resistencia. Son unas palancas muy utilizadas en el cuerpo humano. Su ventaja mecánica es que

aumentan el movimiento, sacrificando así la fuerza, con el fin de conseguir una mayor

velocidad y un mayor desplazamiento.

Podemos sujetar y elevar pesos en nuestras manos gracias a la acción de los biceps, que ejercen

la fuerza necesaria sobre el antebrazo. Éste pivota sobre el codo levantando así el brazo y

acercando el objeto a nuestro cuerpo.

También los cuadriceps trabajan accionando una palanca de tercer género, cuando por ejemplo,

damos una patada al balón en un partido de fútbol. Así los cuadriceps, hacen pivotar a la pierna

hacia arriba, venciendo su peso en este caso el punto de apoyo es la rodilla.

Mecanismos de contracción muscular

La contracción para todos los músculos estriados ocurre como resultado de un esfuerzo consciente originado en el cerebro. Las señales del cerebro viajan muy rápido en la forma de potenciales por los nervios hasta la neurona motora que injerta fibra muscular.

La contracción muscular se puede explicar como un desplazamiento de los miofilamentos, es decir la cabeza de la miosina se ancla a la actina produciéndose así el dicho desplazamiento. Cabe decir que la contracción muscular está regulada por el calcio, el ATP y el Magnesio.

Los filamentos de actina se deslizan hacia adentro entre los filamentos de miosina debido a fuerzas de atracción resultantes de fuerzas mecánicas, químicas y electrostáticas generadas por la interacción de los puentes cruzados de los filamentos de actina.

Se llama fenómeno de “excitación - contracción” a que la célula muscular logre ser excitada por la transmisión de un potencial de acción a lo largo de la longitud de un fibra, provocando de esta manera su contracción.

Se pueden describir dos mecanismos:

1. Mecanismo General de la Contracción Muscular (eléctrico)2. Mecanismo Molecular de la Contracción Muscular (mecánico)

Mecanismo General

El comienzo y la ejecución de la contracción muscular se producen siguiendo las siguientes etapas:

Un potencial de acción (cambios rapidos de potencial de membrana) viaja por un nervio motor hasta el final del mismo en las fibras musculares.

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En cada extremo, el nervio segrega una pequeña cantidad de neurotransmisor: la acetilcolina.

La acetilcolina actúa localmente, en una zona de la membrana de la fibra muscular abriendo múltiples canales para iones sodio, compuerta operada por acetilcolina.

La apertura de esos canales permite la entrada a la fibra muscular de grandes cantidades de iones sodio (los iones sodio difunden hacia el interior de la membrana de la fibra muscular), en el punto correspondiente a la terminal nerviosa. De esta forma comienza un potencial de acción en la fibra muscular.

Ese potencial de acción se desplaza a lo largo de la membrana de la fibra muscular, igual que sucede con los potenciales de acción en las membranas de los nervios.

El potencial de acción despolariza la membrana de la fibra muscular y también viaja a su interior. Aquí provoca la liberación, desde el retículo endoplásmico hacia las miofibrillas, de grandes cantidades de iones calcio que se hallaban almacenados en el retículo.

Los iones calcio inician fuerzas de atracción entre los filamentos de actina y miosina, haciendo que se deslicen juntos: éste es el proceso de contracción.

Una fracción de segundo después, se bombean los iones calcio hacia el retículo sarcoplásmico, donde permanecen almacenados hasta que llegue un nuevo potencial de acción

Mecanismo Molecular.

Las miofibrillas son las bases moleculares de la contracción muscular, estas consisten en un pequeño número de diversas proteínas; de las cuales las más importantes son la Miosina, la Actina, la Troponina y tripomiosina

Miosina: La miosina es una proteína fibrosa, cuyos filamentos tienen una longitud de 1,5 µm y un diámetro de 15 nm, y está implicada en la contracción muscular, por interacción con la actina.

Es la proteína más abundante del músculo esquelético. Representa entre el 60% y 70% de las proteínas totales y es el mayor constituyente de los filamentos gruesos. La miosina es una ATPasa, es decir, hidroliza el ATP para formar ADP y Pi, reacción que proporciona la contracción muscular.

La cabeza globular de la miosina tiene actividad ATPásica y se combina con la actina. Dos de las cadenas ligeras son idénticas (una en cada cabeza) y pueden ser removidas sin pérdida de la actividad ATPásica.

Actina: es una familia de proteínas globulares que forman los microfilamentos. Puede encontrarse como monómero en forma libre, denominada actina G, o como parte de polímeros lineales denominados microfilamentos o actina F. Es capaz de unirse con la miosina

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Troponina: es una proteína globular de gran peso molecular presente en el músculo estriado, formado por tres subunidades que se unen a actina, a la tropomiosina y a calcio.

Tropomiosina: es una proteína fibrosa que, en forma de dímeros alargados, se sitúa sobre el surco de la hélice de actina F o cerca de éste.  Se une a miosina y toponina.

El complejo “troponina-miosina” juega un papel muy importante en la regulación muscular. Debido a que; la actina y miosina puras pueden reaccionar, hidrolizar ATP y promover la contracción aun en ausencia de calcio. Pero si tropomiosina y troponina están presentes, la interaccion de miosina – actina y la hidrólisis de ATP solo ocurrirán en presencia de calcio.

En síntesis

Cuando el músculo está relajado la Troponina se mantiene unida a la Tropomiosina y a la Actina de tal forma que tapa los sitios de unión de actina y miosina.

Por cada calcio que se une a la troponina se destapan 7 sitios de enlace para la miosina.

Es ahora cuando las cabezas de moléculas de miosina se unen a los sitios de enlace de actina y una vez unidos las cabezas de la miosina actúan como bisagras desplazándose y arrastrando a la cadena de actina (golpe activo, con gasto de ATP ) para después romper espontáneamente este enlace y saltar hasta el sitio de unión siguiente.

De esta forma la contracción se produce el desplazamiento de los filamentos de actina sobre los de miosina. La anchura de las bandas A permanece constante mientras que las líneas z se juntan, se produce así la contracción muscular por la suma del acortamiento individual de cada sarcómero que se acorta entre un 30 y 50 %.

La fuerza para que este fenómeno ocurra se genera por la hidrólisis de un ATP, mediando los siguientes pasos:

1. Unión de ATP a las cabezas de miosina.

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2. Activación y unión de complejo miosina-ATP a los filamentos finos de actina. Esta reacción depende de calcio

3. Hidrólisis de ATP4. Liberación de fosfato5. Liberación del ADP, originando la disociación de la miosina del filamento de

actina.6. Después de la disociación, la secuencia se recicla.

Energética del musculo

En la contracción muscular se produce la conversión de energía química en energía mecánica (trabajo), con la consecuente liberación de calor como energía subproducto. Si se aplica la ley de la conservación de la energía, se deduce que la energía química liberada en una contracción será igual al trabajo realizado más el calor liberado durante la contracción. Esto puede ser empíricamente enunciado como

ENERGIA QUIMICA = TRABAJO + CALOR

Otro parámetro físico importante a tener en cuenta es la eficacia de la contracción, que es una medida del grado de energía consumida que resulta convertida en trabajo, o lo que es lo mismo:

EFICACIA = TRABAJO = TRABAJO

ENERGIA TOTAL LIBERADA CALOR + TRABAJO

La fuente de energía en la contracción

La energía necesaria para la realización de las distintas actividades corporales deriva del alimento. Esta energía es transportada al musculo en forma de glucosa o de ácidos grasos y, una vez alcanzado el paquete muscular, se almacena en él en forma de glucógeno. Tras una serie de procesos se obtiene ATP.

Los músculos también pueden contraerse en condiciones anaeróbicas. El ATP puede ser obtenido vía fermentación y efectivamente la concentración de glucosa decrece proporcionalmente al incremento de acido láctico en las células musculares.

En las células musculares; “fermentación láctica”

Acido piruvico (de la glucolisis) Acido láctico

Lactato Deshidrogenasa

El ácido láctico se forma a partir del ácido pirúvico, por acción de algunas células animales cuando el O2 es escaso o está ausente.

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Fermentación láctica

Reacción enzimática que produce ácido láctico anaeróbicamente a partir de ácido pirúvico en las células musculares.

En los músculos en excesiva actividad y con una respiración inadecuada, se produce fermentación, el NADH se oxida y el ácido pirúvico se reduce. Las moléculas de NAD+ producidas en esta reacción se reciclan en la secuencia glucolítica. Sin este reciclado, la glucólisis no puede seguir adelante. Esta acumulación de ácido láctico da como resultado dolor y fatiga muscular.

Por ejemplo, se produce en las células musculares de los vertebrados durante ejercicios intensos, como en el caso de una carrera. Cuando corremos rápido, aumentamos la frecuencia respiratoria, incrementando de este modo el suministro de oxígeno, pero incluso este incremento puede no ser suficiente para satisfacer los requerimientos inmediatos de las células musculares. Sin embargo, las células pueden continuar trabajando y acumular lo que se conoce como deuda de oxígeno. La glucólisis continúa, utilizando la glucosa liberada por el glucógeno almacenado en el músculo, pero el ácido pirúvico resultante no entra en la vía aeróbica de la respiración sino que se convierte en ácido láctico que, a medida que se acumula, disminuye el pH del músculo y reduce la capacidad de las fibras musculares para contraerse, produciendo la sensación de fatiga muscular. El ácido láctico se difunde en la sangre y es llevado al hígado. Posteriormente, cuando el oxígeno es más abundante (como resultado de la inspiración y espiración profunda que siguen al ejercicio intenso) y se reduce la demanda de ATP, el ácido láctico se resintetiza en ácido pirúvico y nuevamente en glucosa o glucógeno.

 La función de la conversión de acido lactico a acido pirúvico es que se usa el NADH y regenera el NAD+, sin el cual la glucólisis no podría continuar.

Glucolisis:

Sin oxigeno Fermentación 2 ATP

Con oxigeno Respiración Celular 36 ATP

La fuente inmediata de energía para la actividad contráctil proviene de las moléculas de ATP sobre la miosina.  La cabeza de miosina posee un punto de enlace para el ATP.  La miosina se enlaza con el ATP para producir la acción muscular.  La cabeza de la miosina posee la enzima ATPasa, la cual se encarga de degradar al ATP para dar ADP,  Pi y Energía.  Esta energía une la cabeza de la miosina con el filamento de actina.  Para que continúe la actividad muscular es indispensable mantener un suministro de ATP.  En síntresis:

La enzima ATPasa se encuentra en la cabeza de la miosina. ATPasa descompone la molécula de ATP.

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Productos: ADP + Pi + Energía Libre/Útil. La energía liberada enlaza la cabeza de miosina con el filamento de actina. Permite la acción muscular.

Producción de Calor

  Las contracciones de los músculos esqueléticos constituyen una de las partes más importantes del mecanismo para conservar la homeostasia de la temperatura corporal.  Puesto que los músculos constituyen un gran número de células en el cuerpo, éstos son la principal fuente para la producción de calor.

La contracción muscular puede ser considerada como un proceso termodinámico en el cual ocurre una transformación de energía de un tipo a otro, específicamente transformándose energía química en energía mecánica.

Como consecuencia de la actividad contráctil, aparte de la energía que se manifiesta como trabajo mecánico hay una evolución de calor que depende de la actividad realizada.

La fuente primaria de energía para el fenómeno de la contracción muscular es obviamente de origen químico. En principio, esta energía puede ser derivada de diferentes tipos de reacciones exotérmicas y endotérmicas, es transformada en trabajo y calor de acuerdo a los postulados de la 1ª Ley de la Termodinámica.

Tipos de contracción muscular

Las contracciones musculares ocurren siempre que el músculo genera tensión , este puede acortarse y modificar o no su longitud, no siempre que un músculo que se acorta genera tensión, este puede generar tensión muscular sin modificar su longitud y permaneciendo en forma estática. por lo cual diríamos que:

" La contracción muscular ocurre siempre que las fibras musculares generan una tensión en sí mismas, situación que puede ocurrir, cuando el músculo está acortado, alargado, moviéndose, permaneciendo en una misma longitud o en forma estática"

En función de la relación existente entre tensión desarrollada y la resistencia a vencer, podemos establecer los siguientes tipos de contracción muscular:

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La contracción TÓNICA, que se conoce como “tono muscular”, y que es un estado de semicontracción o tensión permanente del músculo. Dentro de esta contracción podemos distinguir tres tipos:

Tono de sostén: se encarga del mantenimiento de la actitud o de la posición del cuerpo humano. Es una función refleja.

Tono de reposo: es el que se tiene al dormir, tiempo en el que mantenemos una ligera tensión muscular.

Tono de soporte del movimiento: para poder realizar cualquier movimiento.

La contracción FÁSICA, es la responsable de que los movimientos sean voluntarios o automáticos, teniendo siempre de fondo la contracción tónica.

Contracción Isotónica

El musculo cambia su longitud, pero mantiene constante la fuerza que ejerce durante toda la contracción.

Contracción concéntrica: ocurre cuando un músculo desarrolla una tensión suficiente para superar una resistencia, de forma tal que este se acorta y moviliza una parte del cuerpo venciendo dicha resistencia. Un claro ejemplo es cuando llevamos un vaso de agua a la boca para beber, existe acortamiento muscular concéntrico ya que los puntos de inserción de los músculos se juntan, se acortan o se contraen. Se produce un acortamiento de la longitud del musculo, una aceleracion y se realiza un trabajo positivo. Asi mismo se desarrolla mayor energia.

Contracción excéntrica: se da cuando una resistencia dada es mayor que la tensión ejercida por un músculo determinado, de forma que este se alarga. Se dice que dicho

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músculo ejerce una contracción excéntrica, cuando el músculo desarrolla tensión alargándose, es decir extendiendo su longitud adoptando una forma más alargada.

Durante la contracción aumenta la longitud del musculo, este se alarga, produciendo un frenado del movimiento y un trabajo por lo tanto negativo.

Contracción Isométrica ( Estática)

No existe manifestación externa del movimiento, ya que la tensión que el músculo desarrolla es igual o inferior a la resistencia que se le opone.

Así pues las contracciones isométricas, tienen lugar cuando el músculo ejerce fuerza contra un peso u objeto inamovible, ejemplo: empujar una pared.

El músculo conserva la misma longitud y desde el punto de vista físico no realiza ningún trabajo (W = 0 ). Su tensión va aumentando hasta alcanzar su valor máximo. La energía que desprendería como trabajo mecánico se disipa como calor

Contracción Auxotonicas

Son contracciones mixtas en las que durante el acortamiento del músculo se producen simultáneamente una contracción isotónica y una contracción isométrica. Al avanzar el proceso de contracción se acentúa más la parte isométrica Ejemplos: Trabajo con gomas extensoras o movimiento de tensar un arco.

Electromiografía

Electromiografía (EMG) es una técnica para la evaluación y registro de la actividad eléctrica producida por los músculos esqueléticos. El EMG se desarrolla utilizando un instrumento médico llamado electromiógrafo, para producir un registro llamado electromiograma. Un electromiógrafo detecta la energía potencial generada por las células musculares

Es un examen que verifica la salud de los músculos y los nervios que controlan los músculos.

Procedimiento

El médico introducirá un electrodo de aguja muy delgado a través de la piel dentro del músculo. El electrodo en la aguja detecta la actividad eléctrica liberada por los músculos. Esta actividad aparece en un monitor cercano y se puede escuchar a través de un parlante.

Después de la colocación de los electrodos, se pueden solicitar que se contraiga el músculo, por ejemplo, doblando el brazo. La actividad eléctrica observada en el

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monitor suministra información sobre la capacidad del músculo para responder cuando se estimulan los nervios que van a dichos músculos.

Generalmente, se lleva a cabo un examen de la velocidad de conducción nerviosa junto con una electromiografía.

Hay dos tipos de electromiografía:

De superficie: Intramuscular

EMG puede ser detectado, ya sea directamente, mediante la inserción de electrodos en el tejido muscular, o indirectamente, con electrodos de superficie colocados en zonas de la piel inmediatamente por encima del tejido muscular. Debido a su no invasividad, electrodos de superficie son más populares entre los científicos del deporte. Electromiografía de superficie con frecuencia transmiten información sobre la activación muscular como, por ejemplo, la intensidad de la contracción muscular, la manifestación mioeléctrica de la fatiga muscular y el reclutamiento de unidades motoras.

 Para llevar a cabo un EMG intramuscular, se usa una aguja electrodo, se inserta a través de la Piel hasta que entre al tejido muscular. Un profesional va observando la actividad eléctrica mientras inserta el electrodo. Mientras se va insertando el electrodo provee una información valiosa en cuanto a la actividad muscular como al nervio que inerva ese músculo. Los músculos cuando están en reposo muestran señales normales eléctricas, cuando el electrodo es insertado, por ende la actividad eléctrica se estudia cuando el músculo está en reposo. La actividad anormal espontánea indica un daño en el nervio o en el músculo. Después se le pide al paciente que contraiga el músculo suavemente para poder realizar un análisis con más profundidad. El tamaño, la frecuencia y la forma resultante de la unidad potencial motora son analizados. Posteriormente el electrodo es retirado unos pocos milímetros e insertado nuevamente para analizar la actividad, la cual debe tener unidades por lo menos entre 10–20. Cada trazo del electrodo da una imagen muy local de la actividad del músculo completo. Debido a que el músculo difiere en su estructura interna, el electrodo debe ser puesto en varias localizaciones para obtener resultados confiables de estudio.

El método Intramuscular EMG puede ser considerado demasiado invasivo o innecesario en algunos casos. En su lugar, el método superficial emplea una superficie en la cual el electrodo se puede utilizar para controlar la imagen general de la activación muscular, a diferencia de la actividad de sólo unas pocas fibras como se observa utilizando un EMG intramuscular. Esta técnica se utiliza en una serie de ajustes, por ejemplo, en la fisioterapia, la activación muscular se controlará mediante EMG superficial y los pacientes tienen un estímulo auditivo o visual para ayudarles a saber cuándo se está activando el músculo

Aplicaciones

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Las señales del EMG son usadas en muchas aplicaciones clínicas, terapéuticas y biomédicas. El EMG es usado como una herramienta para diagnosticar enfermedades neuromusculares, y desordenes del control motor. Las señales del EMG también son utilizadas para el desarrollo de prótesis de manos, brazos y extremidad inferior.

EMG se puede utilizar para detectar contracciones isométricas. Estas señales pueden ser utilizadas para controlar aparatos electrónicos

El EMG también es usado para detectar la actividad muscular en los lugares donde no se produce movimiento. Se han diseñado sistemas de reconocimiento de habla sin fonación, basados en la actividad de los músculos relacionados al habla, de utilidad para personas sin cuerdas vocales o algún otro problema de laringe. Se puede reconocer el habla de una persona con incapacidad para producir voz mediante la observación de la actividad del EMG, en los músculos asociados con el habla.

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