Músculo e Contracção Muscular Metabolismo e Endocrinologia 2º Semestre 2007/2008 Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica Instituto Superior Técnico/Faculdade de Medicina de Lisboa Ana Ferreira, Catarina Palma e Marta Meneses

MÚSCULO Transductor de energia potencial (química) em energia cinética (mecânica); FUNÇÕES: Produção de movimento corporal; Força para a sustentação muscular / estabilização da postura; Regulação do volume dos órgãos (ex: estômago); Movimentação de substâncias ao longo do corpo (ex: bombeamento de sangue); Produzir calor.

Existem 3 tipos de músculos: Músculo esquelético; Músculo Liso; Músculo Cardíaco.

Estrutura Macroscópica MÚSCULO ESQUELÉTICO Estrutura Macroscópica Caracterizado pelas estriações transversais ao longo das fibras musculares, formadas pela disposição/organização das duas principais proteínas contrácteis do músculo: a actina e a miosina.

ESTRUTURA MACROSCÓPICA Fibra muscular (10 a 100 μm) - célula larga e cilíndrica multinuclear; Sarcolema - membrana electricamente excitável que reveste a fibra muscular, isolando umas fibras das outras; Fascículo – conjunto de fibras agrupadas. Estes vão associar-se e dar origem ao músculo.

O tecido conjuntivo muscular divide-se em 3 tipos: Epimísio - Capa de tecido conjuntivo que envolve todo o músculo; Perimísio – bainhas que rodeiam cada um dos fascículos; Endomísio – retículo extremamente delicado que reveste cada fibra muscular.

Cada fibra muscular é constituida por milhares de miofibrilas dispostas paralelamente. Sarcoplasma – líquido no qual as miofibrilas estão “mergulhadas” que contêm: Glicogénio; ATP; Fosfocreatina; Enzimas integrantes da glicólise.

Retículo Sarcoplasmático – encontra-se ao longo do sarcoplasma e tem como função armazenar Ca2+ necessários à contracção muscular; Túbulos T – são transversais às miofibrilas e são responsáveis pela propagação do potencial de acção na fibra.

ESTRUTURA MICROSCÓPICA A unidade estrutural a que se referem todos os fenómenos morfológicos do ciclo contráctil, é o sarcómero (miofibrila). Segmento compreendido entre duas linhas Z consecutivas, incluindo uma banda A e a metade de duas bandas I contíguas.

Linha Z – zona na qual um sarcómero se liga ao sarcómero seguinte, que se traduz numa linha mais escura; Banda I (de isotrópico ) – banda clara composta por filamentos finos de actina; Banda A (de anisotrópico) – zona mais escura na qual ocorre uma sobreposição de filamentos finos de actina com filamentos espessos de miosina. Cada filamento grosso encontra-se envolvido por 6 filamentos finos.

Filamentos grossos - compostos pela proteína miosina. Filamentos finos - formados por monómeros de actina, tropomiosina e troponina. Além destes filamentos, está presente uma proteína gigante denominada titina.

PROTEÍNAS MUSCULARES Filamentos Grossos Formada por 6 cadeias polipeptídicas (2 cadeias pesadas e 4 cadeias leves); As 2 cadeias pesadas enrolam-se formando uma cauda e 2 cabeças (actuam como enzimas ATPase); As quatros cadeias leves também fazem parte da cabeça (duas para cada cabeça) Pontes cruzadas

É composto por 3 componentes proteicos: Filamentos Finos É composto por 3 componentes proteicos: Actina (F e G); Troponina (I, T e C); Tropomiosina; Titina

Actina F e G Tem um citoesqueleto dinâmico, capaz de crescer e encolher rapidamente. Dois filamentos de Actina-G vão torcer-se com uma estrutura de hélice, dando origem à Actina-F.

Troponina (I, T e C) Complexo de 3 proteínas que ficam junto da tropomiosina: Troponina I: possui afinidade com actina; Troponina T: fixa o complexo com a tropomiosina; Troponina C: é uma proteína fixadora de Cálcio.

Tropomiosina Complexo que se encontra fracamente ligado à actina-F. Em repouso, ficam por cima dos sítios activos dos filamentos de actina, impedindo a ocorrência de atracção entre os filamentos de actina e miosina (este processo ocorre quando o músculo está em repouso).

Titina Proteína de grande peso molecular; Elevada elasticidade; Tem como função fixar os filamentos de actina na Linha Z; Evita um estiramento excessivo do músculo.

Mecanismo da Contracção Muscular Contracção do Músculo Esquelético

Mecanismo Geral da Contracção Muscular Potencial de Acção (percorre o axónio motor) → até ás terminações nas fibras musculares Secreção de Acetilcolina (Ach) → fixação aos receptores colinérgicos Abertura dos canais proteicos (Ach-dependentes) Entrada de Na+ na fibra muscular → Potencial de Acção na fibra muscular Propagação do potencial de acção na fibra muscular Potencial de Acção provoca libertação de Ca2+ para as miofibrilas (pelo Retículo Sarcoplasmático) Iões Ca2+ geram forças atractivas entre os filamentos de actina e miosina – Contracção Muscular Após uma fracção de segundo→ Iões Ca2+ são bombeados de volta ao Retículo Sarcoplasmático

Contracção do Sarcómero (Teoria dos filamentos deslizantes) Iniciado pelo aumento da concentração do ião Ca2+ no sarcoplasma. O Ca2+ ao unir-se à troponina produz alterações configuracionais no complexo de troponina-tropomiosina, de tal modo que liberta os pontos activos da actina, permitindo deste modo a união das cabeças de miosina (pontes cruzadas) com os filamentos fino; O ATP contido na cabeça de miosina é decomposto com a intervenção da enzima miosina ATPase, sendo libertada energia (química) que possibilita o movimento das pontes cruzadas e que o miofilamento fino seja puxado para o centro do sarcómero.

Contracção do Sarcómero (Teoria dos filamentos deslizantes)

Regulação da contracção muscular Determinada pelo sistema nervoso através do motoneurónio alfa (Mn α), que se liga à fibra muscular na placa motora. O potencial de membrana propaga-se a todo o sarcolema atingindo o túbulo T. A chegada do impulso à fibra, sinaliza a libertação do ião Ca2+ do retículo sarcoplasmático para o sarcoplasma. Quando a concentração plasmática do ião Ca2+ atinge um determinado valor isso é suficiente para que se ligue ao complexo troponina-tropomiosina, dando início ao ciclo das pontes cruzadas; Inibida pela diminuição da concentração plasmática do ião Ca2+, quando este regressa ao retículo sarcoplasmático; Fenómeno activo que conta com a participação da bomba de Ca2+ , activada pelo aumento da concentração sarcoplasmática de Ca2+ .

Metabolismo Energético do Músculo Esquelético A energia para a contracção muscular é fornecida por moléculas de ATP A quantidade de ATP armazenado na fibra muscular é muito reduzida Durante a actividade muscular há necessidade de ressintetizar continuamente ATP.

Metabolismo Energético do Músculo Esquelético Existem diferentes fontes para que ocorra a refosforilação do ADP : Fosfocreatina - sofre clivagem e a energia libertada é aproveitada para se dar a ligação entre um ião fosfato e o ADP, formando ATP; Sistema de Glicogénio/Lactato - a sua transformação em piruvato e lactato liberta energia que é posteriormente utilizada para converter ADP em ATP Sistema Aeróbio - a maioria da energia é utilizada para manter a contracção muscular durante longos períodos de tempo deriva desta fonte.

Metabolismo Energético do Músculo Esquelético

fonte anaeróbica aláctica Fosfocreatina (CP) Decomposta em Creatina e em PO3 - (ião fosfato) liberta grande quantidade de energia aproveitada para reconstituir a ligação fosfato do ATP ADP + CP  ATP + Creatina Catalisada pela enzima creatina cinase Não necessita de O2 fonte anaeróbica aláctica

Sistema do Glicogénio/Lactato Armazenado no músculo Precursor da Glicose Glicólise Piruvato ATP Se existir O2 suficiente Piruvato participa em reacções oxidativas, nas mitocôndrias Fonte aeróbia Ausência de O2 Piruvato convertido em lactato Fonte anaeróbica láctica Metabolismo Anaeróbio

Sistema Aeróbio Oxidação de glicose, ácidos gordos e aminoácidos na mitocôndria Liberta grandes quantidades de energia, que são aproveitadas para converter AMP e ADP em ATP Períodos muito longos de actividade muscular maior parte da energia provém da oxidação dos ácidos gordos. Períodos de 2 a 4 horas metade da energia provém de carbohidratos armazenados.

Metabolismo Energético Durante o Exercício Físico O gasto energético do organismo pode aumentar em até 25 vezes os valores de repouso As alterações metabólicas que ocorrem no músculo no início do exercício são necessárias para continuar a actividade Utilizando-se o consumo de O2 como índice metabólico, verifica-se que na transição do repouso para o exercício moderado, o consumo de O2 atinge um nível estável à volta de 1 a 4 minutos Até que se atinja o estado estável, outras vias bioenergéticas são activadas (ATP-CB, Glicólise)

Metabolismo Energético Durante o Exercício Físico

Metabolismo Energético Durante o Exercício Físico

Metabolismo Energético Após o Exercício Físico O consumo de O2 permanece elevado por vários minutos, isto depende principalmente da intensidade do exercício Débito de O2 (EPOC= excesso de consumo de O2 após o exercício, excess post-exercise oxygen consumption), equivale ao consumo de O2, após o exerc., acima dos valores de repouso Existem factores que contribuem para excesso de consumo de O2 pós-exercício

Estrutura Macroscópica MÚSCULO LISO Estrutura Macroscópica Caracterizado por não apresentar estrias. As fibras musculares: são lisas são alongadas são finas têm tamanho menor e são mais curtas que as fibras músculo esquelético apresentam uma estrutura pouco regular

ESTRUTURA MICROSCÓPICA As fibras musculares não possuem uma estrutura organizada, não existem sarcómeros; Não possui troponina, tropomiosina ou retículo sarcoplasmático organizado; Os corpos densos substituem o papel da linha Z no músculo esquelético; Existem filamentos de actina e miosina dispostos de maneira distinta; Possuem calmodulina;

ESTRUTURA MICROSCÓPICA Os filamentos de actina estão unidos por corpos densos; Os filamentos de miosina formam pontes cruzadas; No tecido liso, a actina encontra-se em maiores quantidades que a miosina; Os filamentos de miosina têm um diâmetro duas vezes superior ao da actina.

ESTRUTURA MICROSCÓPICA

PROPRIEDADES GERAIS Gera potenciais espontâneos; Tem Automatismo; Responde a estímulos hormonais, neuronais e químicos; Possui maior encurtamento e maior força; É coordenado pelo Sistema Nervoso Autónomo; Não é estriado.

Músculo Unitário Conjuntos de fibras musculares organizam- -se em feixes ou camadas e contraem-se em uníssono, como uma só unidade. EXEMPLO: Vasos Sanguíneos, Ureter .. etc.

Músculo Multiunitário Cada fibra encontra-se separada, discreta e funciona de maneira independente das outras e é, frequentemente, enervada por apenas uma única terminação nervosa. São revestidas por uma fina camada substâncias como colagéneo e glicoproteínas como os proteoglicanos. EXEMPLO: Músculo da íris

MECANISMO DE CONTRACÇÃO Abertura dos canais de cálcio na membrana celular; Difusão dos iões de cálcio para dentro da célula e a sua combinação com a proteína reguladora calmodulina; Ligação do complexo calmodulina-cálcio com a enzima miosina cinase e activando esta última; Transferência de um grupo fosfato proveniente do ATP para a miosina pela miosina cinase activada; Formam-se pontes cruzadas, havendo interacção lenta entre a miosina e actina, dando-se a contracção; Remoção, pela enzima miosina-fosfatase do grupo fosfato, inactivando a enzima miosina cinase, dando-se o relaxamento. Os iões cálcio voltam ao meio extracelular através de uma bomba de cálcio.

ENERGIA NECESSÁRIA Para a mesma tensão de contracção, o músculo liso necessita de uma quantidade muito menor de energia que o músculo esquelético. 1 molécula de ATP. Muito importante na contracção dos vasos sanguíneos, intestinos, vesícula biliar… que mantém a contracção por tempo indefinido e não necessitam de grandes gastos energéticos.

PERÍODO DE CONTRACÇÃO-RELAXAMENTO O período de tempo entre o início e o final de uma contracção no músculo liso é muito maior que no músculo esquelético. A fracção de tempo que as pontes cruzadas se mantém ligadas aos filamentos de actina (o que determina a contracção do músculo ) é muito superior no músculo liso.

FORÇA DA CONTRACÇÃO A força máxima da contracção costuma ser maior no músculo liso. Tem capacidade de se encurtar em grande extensão, quase 80% do seu tamanho, enquanto, ao mesmo tempo, mantém a sua força total de contracção.

REGULAÇÃO DA CONTRACÇÃO MUSCULAR IÕES CÁLCIO É o aumento da concentração de iões cálcio na célula que desencadeia a contracção. Este aumento pode ser causado por: - Estimulação Nervosa; - Estimulação Hormonal; - Alongamento das fibras musculares; - Alterações no ambiente químico das fibras musculares.

REGULAÇÃO DA CONTRACÇÃO MUSCULAR IÕES CÁLCIO - Activação da Contracção As fibras musculares lisas possuem uma proteína reguladora, a calmodulina Combinação da calmodulina com os iões Ca2+ 1.Os iões Ca2+ ligam-se à calmodulina; 2.O complexo Cálcio-Calmodulina activa a enzima miosina cinase; 3. A enzima miosina cinase fosforila uma das cadeias leves localizadas nas cabeças de miosina; 4. A miosina e a actina interagem Contracção Muscular

REGULAÇÃO DA CONTRACÇÃO MUSCULAR IÕES CÁLCIO – Terminação da Contracção Quando a concentração de iões Ca2+ desce abaixo um determinado nível, todos os processos ser revertem (excepto a fosforilação da cadeia leve) enzima miosina fosfatase

REGULAÇÃO DA CONTRACÇÃO MUSCULAR O músculo liso possui diferentes tipos de receptores, e pode ser estimulado por sinais nervosos, que ao serem estimulados podem desencadear o processo contráctil: - Estimulação Nervosa; - Estimulação Hormonal; - Alongamento das fibras musculares; Junções Neuromusculares O músculo liso é enervado por fibras nervosas do sistema autónomo. Porém, essas fibras não entram em contacto directo com as fibras musculares lisas, actuando através da libertação de neuro-transmissores na matriz que reveste o músculo liso. Estas substâncias difundem-se para a célula, através da matriz, transferindo o potencial de acção das zonas externas para as mais internas. Por vezes, os neurotransmissores também podem ser transportados para o meio intracelular através de vesículas libertadas nos terminais das fibras nervosas. Nestas vesículas transporta-se acetilcolima ou noradrenalina(norepinefrina). Neurotransmissores Os neurotransmissores mais importantes secretados pelos nervos autónomos: mais importantes são a acetilcolina e noradrenalina(norapinefrina) Nos órgãos em que ambas estão presentes, a acetilcolina excita e a noradrenalina inibe.

MÚSCULO CARDÍACO Estrutura Macroscópica É um tecido único, encontrado apenas nas paredes do músculo cardíaco. As suas fibras: São estriadas (pouco acentuadas); Têm núcleos centrados; São curtas; Têm um sarcolema pouco espesso.

ESTRUTURA MICROSCÓPICA As suas fibras contém pontes cruzadas; Existe apenas um núcleo no centro de cada fibra; As fibras estão ligadas entre si por discos intercalados, que resultam da fusão das membranas das fibras musculares cardíacas, formando junções permeáveis;

PROPRIEDADES GERAIS Automatismo: gera os seus próprios impulsos eléctricos no nodo sino-auricular; Ritmicidade Condutibilidade ou Dromotrofismo: Poder de condução do estímulo, permitindo que chegue a todo o coração; Excitabilidade: Capacidade de responder a um estímulo; Contractibilidade; Tonicidade; Distensibilidade: Poder de aumento do comprimento do músculo;

Discos Intercalados permitem a comunicação entre células adjacentes Há movimento livre de iões, transmissão do potencial de acção As células actuam como um SINCÍCIO

Sincício: Quando uma fibra muscular cardíaca é excitada transmite a despolarização às outras células as células adjacentes ficam excitadas Contracção sequencial até ao topo do ventrículo Ejecção máxima de sangue a partir do ventrículo

MECANISMO DE CONTRACÇÃO Dá-se a despolarização intrínseca das células do nodo Sino-Auricular (que controla o estímulo eléctrico do coração); A despolarização transmite-se às aurículas através de feixes internodais; Estes convergem para o nodo auriculoventricular onde há um atraso na propagação do estímulo ( permite que as aurículas despolarizem todas antes que os ventrículos o façam); Após o atraso, o impulso é conduzido pelo feio aurículo-ventricular. Este divide-se em dois ramos de células de Purkinje, o esquerdo e o direito, que o conduzem o estímulo eléctrico para todo o ventrículo.

MECANISMO DE CONTRACÇÃO Um potencial de acção atravessa a membrana do músculo cardíaco, espalhando-se para o seu interior através dos túbulos T; Actua na membrana do retículo sarcoplasmático libertando-se iões de cálcio que este armazena; A troponina C, fosforilada previamente pelas catecolaminas liga-se aos iões cálcio; Este complexo liberta a actina/miosina do efeito de inibição a que estavam sujeitas e permite que estas interajam. Dá-se a contracção. O fosfolambão recolhe o cálcio para não haver riscos de uma nova contracção. Dá-se o período de relaxamento.