MOVIMENTO, MÚSCULO,
BIOMECÂNICA
–
–
–
Diversidade de movimentos dos animais
(locomoção, água pelas brânquias, alimento
pelo TD e sangue pelo SV).
Número limitado de mecanismos (amebóide,
ciliar e muscular).
Usos variáveis
OBJETIVO DO CAPÍTULO
• músculo e seu uso na locomoção animal
Rigor mortis
• A carne nunca deve ser assada logo depois
de o animal ser carneado (morto).
• Especialistas dizem que a carne precisa
descansar (maturar) por, pelo menos, 24
horas, tempo em que as fibras amolecem ou
que cessa o rigor mortis.
• Uma noite ou 12 horas já é suficiente para o
preparo de um bom churrasco.
Sumário
• Mecanismos de locomoção (amebóide, ciliar,
flagelar e muscular)
• Músculo e movimento [estrutura, contração, como
é usado (tônicos e fásicos), músculo cardíaco,
músculo liso, catch dos bivalves, pinça dos
crustáceos, vôo dos insetos]
• Biomecânica (aspectos mecânico-energéticos da
corrida, do salto, do vôo e da natação)
lentos
rápidos
TAMANHO CORPORAL E
MÉTODO DE PROPULSÃO
animais >100µm
necessitam de
músculos para se
movimentarem
Animais < 100µm usam
cílios ou flagelos
para nadar. Por que?
1) Geometria: animais pequenos possuem alta A/V, o
movimento de cílios contra a camada circundante de
água usa a  da água para obter o impulso necessário.
2) Leis da dinâmica dos fluidos - os animais pequenos
nadam com baixa velocidade, os movimentos são
completamente dominados por forças viscosas;
os animais grandes usam grandes superfícies (nadadeiras)
e músculos para fornecer potência.
FUNÇÃO MUSCULAR NA LOCOMOÇÃO E
EM OUTROS MOVIMENTOS
– Movimento dos organismos – leis da física
– Movimentos ativos – ATP  trabalho mecânico
ex.: motores moleculares: dineína (cílios/flagelos) e miosina
(contração muscular)
– eficiência dos movimentos biológicos
W mecânico produzido = 25%
E química consumida
DINEÍNA
MIOSINA
MECÂNICA DOS MOVIMENTOS
• Mecânica dos movimentos: as forças de um
organismo podem ser externas (peso do
organismo- força gravitacional-, dreno
aerodinâmico, força de reação do chão ou do
fluido) e internas (forças geradas pela contração
dos músculos e resistências viscosas e elásticas à
deformação dos materiais biológicos que
compõem o organismo.
• A integração dessas forças na mecânica complexa
do animal em movimento requer tecidos
geradores de força e transmissores de E.
TRANSMISSÃO DE FORÇA
• O músculo deve transmitir a F gerada pelos
motores moleculares através de toda a
estrutura do músculo.
• Os tendões transmitem a F para os ossos.
• Os ossos transmitem a F para outros tecidos
• O tecido em contato com o substrato
transmite a Força para o substrato.
MATERIAIS DE TRANSMISSÃO DE
FORÇA
ESTRUTURA HIERÁRQUICA
ESTRUTURA HIERÁRQUICA
• Mistura de componentes heterogênios
• São compostos de subunidades que formam estruturas
maiores que então se combinam e formam estruturas ainda
maiores.
• Ex.: 3 fascículos, fibrilas, subfibrilas, microfibrilas e hélice
tripla.
• Materiais hierárquicos quando alongados apresentam
comportamento diferente dos materiais homogêneos cuja
mudança no comprimento durante o alongamento é
proporcional à F aplicada (Fig.10.6 – aço vs tendão).
Aço
força
tendão
Extensão
ESTRUTURA MUSCULAR
 O mecanismo bioquímico da contração muscular
é o mesmo em todos os músculos.
 Actina e miosina fazem parte da maquinaria e
ATP é a fonte imediata de E para a contração.
 O arranjo detalhado varia bastante, por isso os
músculos recebem uma classificação.
Início da contração muscular
Unidade Motora
MODELO DE CONTRAÇÃO
MUSCULAR
Filamentos azuis = miosina
Filamentos vermelhos = actina
http://3dotstudio.com/contract.gif
CLASSIFICAÇÃO DOS
MÚSCULOS
• Estriados (esquelético e cardíaco):
presença de estrias regulares (linhasZ ou bandas Z) sob m.o. O músculo
cardíaco é um tipo peculiar de estriado
com características especiais, sendo a
funcional mais importante aquela de
uma contração inicial se espalhar por
todo o músculo.
• Lisos (paredes de órgãos internos ocos,
paredes de arteríolas, paredes do
estômago e intestinos, etc) –
• ausência de estrias regulares
• contrações mais lentas
• não nos apercebemos do estado de
contração
MÚSCULO ESTRIADO
• fibras grandes, com células multinucleadas (fusão de
células).
• sarcolema = membrana que cobre a fibra.
• túbulos transversos = prolongamentos do sarcolema
formando túbulos que penetram a fibra muscular
(importante para contração simultânea de todos os
filamentos).
• retículo sarcoplásmico = rede IC que circunda as ++
fibrilas musculares, como uma manga (fonte de Ca
durante a estimulação da fibra muscular)
• fibrilas = compõem as fibras.
• sarcômero = região entre as linhas Z, cujo
comprimento é bem uniforme nos músculos dos
vertebrados. Nos invertebrados é mais variável.
• filamentos finos (actina) = se estendem em ambas as
direções a partir das linhas Z
• filamentos espessos (miosina) = se intercalam entre os
filamentos finos].
MÚSCULO ESTRIADO
CARDÍACO
• suas propriedades funcionais diferem do estriado
esquelético em dois aspectos (propriedades essenciais
para a contração rítmica do coração):
• qdo uma contração se inicia em uma área do músculo
rapidamente se espalha por toda a massa muscular;
• uma contração é imediatamente seguida por um
período de relaxamento durante o qual o músculo não
pode ser estimulado para se contrair.
Por que o músculo cardíaco não
entra em fadiga?
MÚSCULO LISO
Sua contração depende das mesmas proteínas e do
ATP, mas não é tão estudado quanto o estriado por uma
série de razões:
• sempre intercalado com TC.
• não forma feixes paralelos nítidos que possam ser
prontamente isolados e estudados;
• as fibras são muito pequenas (fração de 1mm de
comprimento).
COMO O MÚSCULO FUNCIONA
• Os eventos moleculares da contração muscular são
melhor conhecidos do que a maioria dos outros
processos nos animais: miosina, actina,
tropomiosina, troponina, íons cálcio, ATP.
• Actina e miosina são as proteínas geradoras e
transmissoras de força.
• Tropomiosina e troponina regulam a interação
da A com a M.
• Ver Tabela 10.1- Seqüência de eventos na
estimulação e contração do músculo.
DESLIZAMENTO DOS FILAMENTOS DE ACTINA
E MIOSINA
www.sci.sdsu.edu/movies/actin.gif
SEQÜÊNCIA DE EVENTOS NA
ESTIMULAÇÃO E CONTRAÇÃO DO
MÚSCULO.
Estímulo
- O sarcolema é despolarizado
- O sistema-T é despolarizado
- Íons Ca++ são liberados do retículo sarcoplasmático
- Os íons Ca++ se difundem para o filamento fino
Contração
- O Ca++ se liga à troponina
- O complexo troponina-Ca++ remove a tropomiosina
que bloqueia os sítios de actina
- As cabeças do filamento espesso (complexo miosina-ATP) formam
pontes cruzadas com a fita de actina
- Hidrólise do ATP induz mudanças conformacionais nas cabeças que causam
o giro das pontes cruzadas.
Relaxamento
- O Ca++ é seqüestrado do filamento fino pelo retículo
Sarcoplasmático.
- O Ca++ se difunde do filamento fino para o retículo
sarcoplasmático
- O Ca++ é liberado do complexo troponina-Ca++
- A troponina permite a tropomiosina retornar para
sua posição bloqueadora
- As pontes cruzadas entre miosina e actina se
quebram
- O complexo ATP-miosina é reformado nas cabeças
do filamento espesso.
FONTES DE ENERGIA PARA A
CONTRAÇÃO MUSCULAR
Conc.
Intramusc.
(mM)
Potência
metabólica
(W)
Vel.relativa
corrida
(m s-1)
Duração
estimada (s)
8
6400
27
2-4
Creatina-P
20-33
6000
25
10-17
Glicogênio
80-100
1640
6,7
>6000
7-25
1100
4,6
>6000
80-100
2800
12
160
Substrato
metabólico
ATP
Gordura
Glicogênio,
anaeróbico
ENERGIA PARA O MÚSCULO
• [glicogênio]intramuscular=1-2% peso úmido do
músculo
• [gordura ]intramuscular = variável
• para a atividade muscular prolongada,
suprimentos adicionais de carboidratos e ácidos
graxos são mobilizados do fígado e tecido
adiposo  atividade muscular pode ser
mantida a níveis moderadamente elevados por
horas.
CONTRAÇÃO DO MÚSCULO
• Contração = estado de atividade mecânica; pode envolver um
encurtamento do músculo, porém se o músculo for impedido de se
encurtar (extremidades presas) ainda usamos o termo contração para
descrever o estado ativo.
• Contração isométrica = qdo não há encurtamento do músculo
• Contração isotônica = se em uma extremidade do músculo for preso
um peso que possa ser levantado, o músculo se encurta durante a
contração; como a carga permanece a mesma ao longo da contração,
chamamos de contração isotônica.
• Nos movimentos, geralmente ocorrem os dois tipos de contração,
enquanto um grupo muscular realiza a contração isométrica outra
realiza isotônica.
Contração Isométrica
• É a contração muscular que não provoca
movimento ou deslocamento articular, sendo que
o músculo exerce um trabalho estático.
• Não há alteração no comprimento do músculo,
mas sim um aumento na tensão máxima do
mesmo.
• Possui baixo consumo calórico e média duração e
a energia gasta durante essa contração é dissipada
sob a forma de calor.
• Por possuir essas características apresentam rápido
ganho de força.
Contração Isométrica
Músculo bíceps braquial ao segurar uma carga pesada
com os cotovelos em flexão
Contração Isotônica
• Também conhecida por contração dinâmica, é a
contração muscular que provoca um movimento
articular.
• Há alteração do comprimento do músculo sem
alterar sua tensão máxima.
• Possui alto consumo calórico e geralmente é de
rápida duração.
• A contração isotônica divide-se em dois tipos:
concêntrica e excêntrica.
Contração Isotônica
• Concêntrica: ocorre quando ao realizar um movimento o
músculo aproxima suas inserções, com encurtamento dos
seus sarcômeros.
Ex.: o músculo bíceps braquial quando levamos um alimento
à boca, no movimento de flexão do antebraço, provocando
aceleração.
• Excêntrica: ocorre quando ao realizar o movimento o
músculo alonga-se, ou seja, as inserções se afastam, com
aumento do comprimento dos seus sarcômeros.
Ex.: o movimento do músculo bíceps braquial ao devolver um
copo à mesa depois de beber o seu conteúdo, no
movimento de extensão do antebraço, provocando
desaceleração.
Contração Isotônica
Flexão e extensão do bíceps
Hipertrofia Muscular
• A hipertrofia ocorre quando há aumento no calibre
das fibras musculares.
• O aumento é devido à contração repetitiva com
forças submáximas e máximas.
• Ao contrair a musculatura há o aumento da
velocidade da síntese das proteínas contráteis, o
que resulta em um aumento do número de
filamentos de actina e miosina
nas miofibrilas, sendo que
estas últimas sofrem aumento
no seu diâmetro.
Quando ocorre hipertrofia
• A hipertrofia muscular acontece devido a um
micro trauma nas fibras musculares, devido ao
esforço colocado nos músculos, obrigando o corpo
a responder compensando com a substituição do
tecido estragado e colocando mais tecido para que
o risco de lesão seja mais reduzido no futuro.
• Os músculos adaptam-se a pesos mais elevados e
o atleta é obrigado a continuar a aumentar o peso
ou diversificar os exercícios para não criar
habituação.
Força física convertida em sinal química →
expressão gênica
Hipotrofia Muscular
• quando o músculo não é utilizado ocorre
degradação das proteínas contráteis ocorrendo o
processo inverso: reduzem o número de
miofibrilas e do calibre das fibras, o que
chamamos de hipotrofia muscular.
• Isso ocorre em casos de imobilização devido a
fraturas ou algumas patologias neurológicas,
levando até ao quadro de atrofia, que se
caracteriza por uma hipotrofia acentuada
Hipertrofia Muscular: destruir para construir
FORÇA E TRABALHO MUSCULAR
• Do estudo das contrações isométricas em
músculos isolados obtemos informação
sobre as forças que um músculo pode
exercer.
• Do estudo das contrações isotônicas
obtemos informação sobre a quantidade de
trabalho que o músculo pode realizar.
CONTRAÇÕES ISOMÉTRICAS
• tempo de contração (varia de músculo para
músculo; ex.: músculo de locomoção do
gato 100ms), tetania, F max vs
comprimento inicial do músculo (ver Fig.
10.13- Força desenvolvida por um músculo
em contração vs comprimento inicial).
FORÇA DESENVOLVIDA POR UM MÚSCULO EM
CONTRAÇÃO VS COMPRIMENTO INICIAL).
a força gerada por um músculo está
relacionada com a taxa de
desatamento das ligações cruzadas.
A tensão nos músculos depende do grau
de sobreposição entre os filamentos de
actina e miosina.
CONTRAÇÕES ISOTÔNICAS
• o encurtamento do músculo diminui à
medida que a carga aumenta – a contração
isotônica produz movimento (Fig. 10.14)
• encurtamento vs força.
• trabalho vs força.
• força vs velocidade de contração (Fig.
10.15)
CONTRAÇÕES ISOMÉTRICAS E ISOTÔNICAS
• Na verdade, nenhum movimento dos
músculos no corpo é puramente isométrico
ou puramente isotônico, pois normalmente
tanto o comprimento quanto a carga mudam
durante a contração.
FIGURA 10.14 - CONTRAÇÃO ISOTÔNICA DO
MÚSCULO SARTORIUS DO SAPO BUFO
MARINUS
FIGURA 10.15 – CONTRAÇÃO DO MÚSCULO
DA PATA DA RÃ Rana pipiens
FORÇA, TRABALHO E POTÊNCIA
F = m.a
A força que um dado músculo pode exercer
é diretamente proporcional à sua área transversal
Fmax dos músculos dos vertebrados = 4-5 kgf/cm2
Poderia este máximo ser aumentado?
Força: como comparar diferentes músculos?
Ex.: formiga? Analisando os diferentes tamanhos
Algumas espécies podem
Erguer 5X seu pesoFormica japonica
Métodos de carregar alimento para o ninho
PODEMOS AUMENTAR A FORÇA DE
UM MÚSCULO?
•
•
Empacotando mais filamentos dentro da mesma área
transversal? Não, pois o diâmetro dos filamentos é
determinado pelo tamanho das proteínas que compõem
os filamentos e seus tamanhos são provavelmente
determinados pelos requerimentos do mecanismo
molecular.
Aumentando o número de pontes cruzadas ao longo
dos filamentos em sobreposição ( aumentando o
comprimento dos filamentos)? Alguns músculos de
invertebrados (comprimento do filamento = 25µm) F =
10-14kgf.cm-2- filamentos mais espessos (paramiosina).
COMPARANDO MÚSCULOS
• Elefante vs camundongo – mesma F, o
comprimento é irrelevante para a Fmax.
• Músculos das formigas: mesma F/área transversal,
como os vertebrados.
• Com a queda do Mb do animal, seu volume
diminui em proporção com a 3a. potência da
medida de seu comprimento.
• A área transversal de seus músculos (que
determina a F) diminui somente em proporção ao
quadrado da medida de seu comprimento
F = kl-2
V = kl-3
Trabalho: W = F x d
• Fig. 10.14 – Se uma carga for presa ao músculo, o
músculo realiza W externo, que será igual ao
produto da F pela distância de encurtamento.
• Se a carga for aumentada gradativamente, o
músculo será capaz de erguer a carga a distâncias
cada vez mais curtas até que a carga seja tão
pesada que o músculo não poderá mais erguê-la e
W = zero.
• O w está relacionado com o tamanho do músculo:
músculos mais longos realizam mais trabalho. O
Wmax é relacionado com o comprimento inicial do
músculo.
FIGURA 10.14.
Potência = W/unidade de tempo
• P = F x veloc (Figura 10.15)
• A Pmax que um músculo pode exercer ocorre
quando o músculo está trabalhando contra
uma carga 4/10 da carga que evita o
encurtamento.
FIGURA 10.15
COMPARANDO MÚSCULOS
DE ELEFANTES
E CAMUNDONGOS
•
•
•
•
Os músculos possuem aproximadamente a
mesma força /cm2 de área transversal;
Podem ser encurtados a aproximadamente a
mesma fração do comprimento de repouso.
O W realizado durante a contração de 1g de
músculo será similar nos 2 animais.
A potência de 1g de músculo de camundongo
será maior que a de 1g de músculo de elefante.
Contração em um animal
• Quando um animal se locomove as contrações são
raramente isométrica ou isotônica. Daí ser difícil traduzir
resultados de contrações isométricas e isotônicas para
compreender a atividade do músculo em movimento.
• Um músculo muda de comprimento e a F externa muda à
medida que o músculo se contrai.
• Na verdade, muitos músculos são alongados quando
exercem F.
• Para estudar o W realizado, coloca-se um músculo em um
sistema que possa controlar o comprimento do músculo
durante a contração.
Exemplos
• Ex1.: mover um tijolo de cima da mesa para o
chão. Seu bíceps gera F suficiente para impedir
que a gravidade derrube o tijolo, porém a F não é
suficiente para deixar o tijolo a uma altura
constante. Assim, seus bícepes se alongam enqto
exercem F suficiente para deixar o tijolo no chão.
• Ex.2: alguns músculos são responsáveis por
desacelerar suas pernas no final de um degrau, de
tal maneira que se alongam à medida q exercem F
para diminuir a velocidade de sua perna qdo é
colocada no chão.
Como o músculo é usado
• Depende da função particular do músculo.
• Ex.: músculo de vôo de um inseto – se contraem
100’s de vezes/segundo, são bem diferentes do
músculo que fecha as conchas de um mexilhão e
permanece contraído por horas.
Como os músculos podem
servir diferentes fins?
• Examinando alguns tipos característicos e como
são modificados para atender a demandas
específicas.
• Músculos rápidos (fibras fásicas) vs músculos
lentos (fibras tônicas)- Ver tabela.
• Não são características inerentes. Depende de
como o músculo é usado.
• Mudando-se a posição de inserção do tendão de
músculos das patas traseiras de um coelho é
possível tornar músculos tônicos em músculos
fásicos.
Fig.10-17 – Respostas de 3 tipos de fibras
• 1) contração rápida + fadiga rápida;
• 2) contração rápida + resistência a fadiga;
• 3) contração lenta + resistência a fadiga,
mesmo sob estimulação prolongada.
• Os músculos de contração rápida
desenvolvem uma F 10x maior do que as
fibras de contração lenta. Porém o preço
pago é a fadiga rápida.
Músculos de peixes = fibras fásicas e tônicas.
cavala
atum
• nadam continuamente a velocidades relativamente
pequenas;
• os 2 tipos de fibras estão separadas em duas
massas musculares: os tônicos são de vermelho
intenso devido a alta conc. de mioglobina (lateral
do peixe).
• A natação durante o nado cruzeiroé executada
pelos músculos vermelhos;
• a grande massa de músculo branco (fásico)
representa uma reserva de potência para nados de
alta velocidade (Fig. 10-18).
Músculo cardíaco
• Possui também actina e miosina e
estrias transversais idênticas ao
músculo esquelético, porém as
mitocôndrias são mais abundantes.
• Grande diferença = qdo uma
contração se inicia no coração
rapidamente se espalha para todo o
músculo (características estruturais
peculiares-Fig.10-19).
• Após o potencial de ação a membrana permanece
em um estado refratário para um dado período,
longo o suficiente para permitir o músculo relaxar
após cada potencial de ação.
• Por isso não pode apresentar tetania.
O período refratário é, pois, essencial para as
contrações rítmicas do coração.
MÚSCULOS ESQUELÉTICOS DOS
VERTEBRADOS
Fibras Fásicas
-
Movimentos rápidos. Ex.:pulo
Pobres em mioglobinaBrancas
Associadas com grandes fibras
nervosas (10 -20µm), com u =
8-40m s-1
- Respondem à lei do tudo-ounada
- O relaxamento é 50-100x mais
rápido que o das fibras tônicas
Fibras Tônicas
-
-
-
Movimentos lentos,
contrações prolongadas. Ex.:
postura corporal
Ricas em mioglobina
Vermelhas
Associadas com fibras
nervosas pequenas (5µm de
diâmetro), com u = 2-8 m s-1
Respondem com somação a
estímulos repetitivos
Relaxamento mais lento
Músculo Esquelético
Músculo do vôo de aves selvagens e aves
domésticas (galinha)
Rico em fibras vermelhas (tônicas),
ricas em Mb, lentas
Rico em fibras brancas (fásicas),
rápidas
Fadiga Muscular
Fevereiro, 2008
MÚSCULO LISO
•
•
•
Vertebrados: estômago, intestinos, bexiga,
ureteres, útero, brônquios, vasos sangüíneos, etc.
Invertebrados: não formam grupos funcionais.
Contração depende também de filamentos das
mesmas proteínas actina e miosina e de ATP,
porém o músculo liso não apresenta as estrias
transversais porque o arranjo dos filamentos é
menos ordenado.
Músculo Liso
Razões do músculo liso ser pouco estudado:
• Células menores (fibras com < 1mm de comprimento)
• Fibras correm em muitas direções
• Não é um órgão discreto como o músculo esquelético;
é uma parte integral do tecido de algum outro órgão
(difícil de se isolar).
• A contração do músculo liso é desencadeada por
um mecanismo diferente daquele do músculo
esquelético.
Mecanismo da Contração do Músculo Liso
1) estímulo
2) liberação de Ca++, mas os íons se difundem para a célula a
partir do fluido EC (lento para músculo esquelético, porém a
difusão no músculo liso é rápida -  área superficial/ volume).
3) não há troponina para regular a interação da miosina com a
actina;
4) vários tipos de estímulos podem iniciar a contração
[contrações rítmicas espontâneas (intestinos), nervos,
hormônios, compostos liberados pelas células endoteliais,
etc].
5) como no músculo cardíaco, a presença de junções gap permite
as células adjacentes se comunicarem, coordenando suas
atividades; a contração é bem diferente daquela do músc
esquelético=
6) o grau de encurtamento é variável, a ativação e a velocidade
de contração são mais lentas, pode manter contração por
períodos mais longos ( veloc ,E requerida para manter a
tensão).
ESTUDAR
•
•
•
•
Músculo catch adutor dos bivalves
Músculo da quela do caranguejo
Músculo de vôo dos insetos (sincrônico e assincrônico)
Saltos - energia economizada pela elasticidade (cangurus,
pulgas, gafanhotos, galago e besouro click)
• Rigor mortis (rigidez cadavérica)
• Força do músculo mandibular das formigas
• Hipertrofia muscular
Rigor-mortis
Em temperaturas amenas ocorre 3 e 4 horas postmortem, com total efeito do rigor em
aproximadamente 12 horas, e finalmente o
relaxamento em aproximadamente 36 horas.
Bioquímica do “Rigor-mortis”
• A causa bioquímica do rigor mortis é a hidrólise do ATP
no tecido muscular, a fonte de energia química necessária
para o movimento.
• Moléculas de miosina derivados do ATP se tornam
permanentemente aderentes aos filamentos e os músculos
tornam-se rígidos.
• A circulação sanguínea cessa, assim como o transporte do
oxigênio e retirada dos produtos do metabolismo.
• Os sistemas enzimáticos continuam funcionando após
algum tempo da morte. Assim, a glicólise continua de
forma anaeróbica, gerando ácido láctico, que produz
abaixamento do pH. Neste momento, actina e miosina,
unem-se formando actomiosina, que contrai fortemente o
músculo.
• Após a morte, o cálcio pode permear livremente a
membrana do retículo sarcoplasmático por consequência
de sua degradação devido a morte celular.
• Com isso o sarcoplasma fica com uma concentração
elevada de cálcio, formando pontes de ligação miosinaactina.
• Contudo como o metabolismo energético não mais
sintetiza ATP, as bombas de regulação iônicas não mais
funcionam (Bomba de cálcio ATPase).
• Em consequência o músculo permanece rígido já que
pontes não se libertam.
À medida que o Mb aumenta, a diferença entre
massa e a força que pode ser produzida pelos
músculos aumenta.
O tamanho corporal (em
termos de vol., o qual está
relacionado com a
massa) aumenta com o l3
enquanto a área transversal
dos músculos aumenta com o
l2