BIOFIZICA APARATULUI BIOFIZICA APARATULUI LOCOMOTORLOCOMOTOR

FuncFuncţţiile iile oaseloroaselor► SuportSuport – – cadru de susţinere pentru cadru de susţinere pentru

organele vitaleorganele vitale► ProtecProtecţie ţie – – pentru creier, MS, organele pentru creier, MS, organele

toracicetoracice► DeplasareDeplasare – – suport pentru contracţia suport pentru contracţia

muşchilor asigură un sistem de pârghii prin muşchilor asigură un sistem de pârghii prin punctele de inserţiepunctele de inserţie

► Rezervor de săruri mRezervor de săruri mineralineralee ► ProducProducerea elementelor figurateerea elementelor figurate ale ale

sângeluisângelui în în măduva roşiemăduva roşie► Rezervor de energieRezervor de energie – – diafizele oaselor diafizele oaselor

conţin material grăsos numit conţin material grăsos numit măduvă măduvă galbenăgalbenă

StructurStructura a NormalNormală a Osuluiă a Osului

► A:A: os spongios os spongios (cel(celule mai ule mai numeroasenumeroase, , Ca mai redus, Ca mai redus, vindecare învindecare în 1-2 lun 1-2 lunii))

► B: B: os compactos compact (cel(celule mai ule mai puţinepuţine, , Ca mai multCa mai mult, , vindecare în vindecare în 3-5 3-5 luniluni))

► C. PeriosC. Periosttuull şişi Endosu Endosull:: membrane conjunctive membrane conjunctive osteogenicosteogenicee ce acoperă ce acoperă suprafaţa externă şi internă suprafaţa externă şi internă a oaselor lungia oaselor lungi ( (iinervnervate şi ate şi vasvasccularizateularizate)) asigură aportul asigură aportul de celule necesare pentru de celule necesare pentru construcţia osoasăconstrucţia osoasă) )

CompoCompoziţia oaselorziţia oaselor

Proteine (Colagen)Proteine (Colagen) structură organică, structură organică, asigură rezistenţa laasigură rezistenţa la tensionaretensionarefurnizează suportul pe care se impregnează furnizează suportul pe care se impregnează

cristalele de hidroxipatităcristalele de hidroxipatită

Săruri de Calciu şi FosforSăruri de Calciu şi Fosfor componente anorganice, componente anorganice, asigură rezistenţă la compresieasigură rezistenţă la compresie

CeluleCelule2% 2% din din masmasaa osului viuosului viu

StructurStructura Osuluia OsuluiOsteon (Osteon (Sistem Sistem Haversian) Haversian)

unitatea fundamentală morfounitatea fundamentală morfo--funcfuncttională a osului.ională a osului.

• CanalCanalulul Haversian Haversian – conţine vase de sânge

• Lamele ConcentricConcentricee – – straturi destraturi de matrice osoasă în jurul canalelor

PeriostPeriost –– osteoblaste osteoblaste celule celule nneediferendiferenţţiate, iate, se pot se pot diferenţia în osteocite sau diferenţia în osteocite sau condrocitecondrocite

OsteocOsteociitete – – celule osoase celule osoase diferenţiatediferenţiate

CanaliculCanaliculee – – canale canale iinformanformaţţionionale şiale şi nutri nutriţionaleţionale dintre osteocite şi cavitatea dintre osteocite şi cavitatea centralăcentrală

LEGENDALEGENDA► OCY, osteocOCY, osteociit; t; ► LC, lining cellLC, lining cell (celulă bazală) (celulă bazală); ; ► OB, osteoblast;OB, osteoblast;► OCL, osteoclast; OCL, osteoclast; ► zona haşuratăzona haşurată, , matrice matrice

osoasă osoasă mineralizmineralizatăată; ; ► zonă întunecatăzonă întunecată, , matrice matrice

osoasă de neoformaţieosoasă de neoformaţie; ; ► săgeţile albe indică direcţia şi săgeţile albe indică direcţia şi

amplitudinea stimulării amplitudinea stimulării mecanice.mecanice.

Utilizare normală: echilibru, fără activare OB sau OCL

Suprasolicitare: recrutare OB osteosinteză echilibr

u

Inactivitate: recrutare OCL sau

inhibarea supresiei

osteoliza echilibru

Mecanismul Mecanismul remodelăriiremodelării osoase osoase

Principiul optimizăriiPrincipiul optimizării

R 1.7 x R2.9 x R

9.5 x R

Legea lui WolffLegea lui Wolff – – oasele suferă procese de oasele suferă procese de remodelare adaptativă prin care se obţine remodelare adaptativă prin care se obţine eficienţă mecanică maximă cu minim de eficienţă mecanică maximă cu minim de structură osoasăstructură osoasă

Traiectoria traveelor osoase conformă cu distribuţia liniilor de forţă

rezultante (Culmann şi Von Meyer)

Efectul de tub = creşterea rezistenţei globale a diafizelor;

se aplică şi în cazul epifizelor, prin conformaţia microtubulară locală (canalele sistemului Haversian)

Efectul de tubEfectul de tub

Principiul Principiul ““Use it or Loose itUse it or Loose it””

► OOptimizareaptimizarea structurii şi formei oaselor structurii şi formei oaselor conform solicitărilorconform solicitărilor

► principiulprincipiul aparatelaparateloror ortodontice ortodontice

► FactorFactorii care care conconduc la atrofia osoasă:duc la atrofia osoasă:1.1. Pierderea în greutatePierderea în greutate2.2. Repaosul prelungit la patRepaosul prelungit la pat3.3. Imobilizarea Imobilizarea 4.4. EdentaEdentaţiaţia5.5. ImponderabilitateaImponderabilitatea

ObservaObservaţiiţii• Osul este singurul ţesut al organismului care este constant

distrus, prin osteoliză, şi refăcut prin osteosinteză printr-un proces celular numit remodelare (remaniere). Osul sănătos se caracterizează printr-o balanţă riguroasă între procesele active de formare şi distrucţie care se bazează pe principiul optimizării.

• Incetarea completă a remodelării osoase conduce la insuficienţă mecanică totală în decurs de 2 ani.

• In fiecare an se reînoieşte 25% din osul spongios şi 2-3% din osul compact.

• La fiecare 7 ani organismul înlocuieşte echivalentul unui întreg schelet.

Sistemul muscularSistemul muscularMuschiul = cMuschiul = convertor de energieonvertor de energie

biologicbiologică în energie mecanică:ă în energie mecanică: deplasări somaticedeplasări somatice, controlate , controlate

cortical, cu timp scurt de latenţă, ale cortical, cu timp scurt de latenţă, ale diferitelor segmente asigurate prin diferitelor segmente asigurate prin musculatura de tip striat.musculatura de tip striat.

deplasări vegetative, deplasări vegetative, de la de la nivelul organelor cu activitate nivelul organelor cu activitate dinamică (sistemul cardio-vascular, dinamică (sistemul cardio-vascular, tubul digestiv, vezica urinară, uterul) tubul digestiv, vezica urinară, uterul) asigurate prin musculatură de tip asigurate prin musculatură de tip neted/cardiac. Acest tip de mişcări neted/cardiac. Acest tip de mişcări pot fi modulate de factori umorali şi pot fi modulate de factori umorali şi au un timp de latenţă mai lung.au un timp de latenţă mai lung.

Structura fibrei musculare Structura fibrei musculare striatestriate

MIOFILAMENT

Reticulul SarcoplasmicReticulul Sarcoplasmic

Structura sistemului de canalicule intracelulare

Mitocondrie

SARCOMERUL = unitatea structurală a SARCOMERUL = unitatea structurală a miofibrilelor miofibrilelor

FFilamente groaseilamente groase~ ~ 100Å/1,5 100Å/1,5 m m

miozină miozină - - fibrilară = MMUfibrilară = MMU- - globulară = MMGglobulară = MMG

Filamentele Filamentele subţirisubţiri ~~ 50Å 50Å /1/1 m m

- - actină globularăactină globulară ++ - t- tropomiozinăropomiozină + + - - troponinătroponină

Mecanismul molecular al contracţiei musculareMecanismul molecular al contracţiei musculare

Secventa interactiei acto-Secventa interactiei acto-miozinicemiozinice

F ~ 6 nN

PARAMETRI FIZICI AI PARAMETRI FIZICI AI CONTRACTIEICONTRACTIEI

► În porţiunea în care filamentele de miozină şi cele de actină se întrepătrund, exisă aproximativ 300 "punţi transversale”, reprezentate de capetele de MMG, groase de 40 Å, lungi cât distanţă dintre filamente (180 Å) şi distanţate la 430 Å una de cealaltă.

► Activarea acto-miozinică are o rată de 5 cicluri/sec şi determină o viteză de alunecare de 15 mm/s. Astfel, scurtarea sarcomerului de la lungimea lui maximă (3 mm) la cea minimă (~ 2 mm) se face în mai puţin de 0,1 s.

► Concomitent cu desprinderea ionului fosfat, rotirea Concomitent cu desprinderea ionului fosfat, rotirea capului MMG determina o deplasare de capului MMG determina o deplasare de 5.5 nm5.5 nm si o forta si o forta izometrica intre izometrica intre 2-9 nN2-9 nN ( (Guo si Guilford, Guo si Guilford, Proc.Nat.Acad.Sci., 2006Proc.Nat.Acad.Sci., 2006))

Sinteza de ATPSinteza de ATP► In mitocondrii, prin trei procese majore:

fosforilarea oxidativă; rezerva de ATP astfel obţinută asigură întreţinerea contracţiei pentru aproximativ 1 secundă de la începutul contracţiei.

Pentru contracţiile sustinute, concentraţia ATP este menţinută constantă (~ 310‑3 M) prin următoarele mecanisme:

reactia creatinkinazei, cu formarea de ATP din ADP şi creatinfosfat (CP):

► ADP + CP creatinkinază ATP + creatina reacţia miokinazei, care sintetizează ATP din două molecule de

ADP:► ADP + ADP miokinază ATP + AMP

► In lipsa ATP, punţile transversale nu se mai pot desface iar muşchiul devine rigid, ce explică rigiditatea cadaverică (rigor mortis).

Transportul de CaTransportul de Ca2+2+

►1. 1. pentru contracţie:pentru contracţie: transport pasiv prin canaletransport pasiv prin canale comandate comandate îîn n

voltajvoltaj (10 (10-7-7 M repaus M repaus 10 10-3-3 M contracţie) M contracţie) din membrana cisternelor din membrana cisternelor

►2. pentru relaxare:2. pentru relaxare: sistemsistemulul antiport Na antiport Na++/Ca/Ca2+2+ lla nivelul a nivelul

plasmalemei plasmalemei = transport activ secundar= transport activ secundar Pompa de CaPompa de Ca2+2+ cu activitate ATP-azică – în cu activitate ATP-azică – în

membrana tubilor longitudinali = membrana tubilor longitudinali = transport activ primartransport activ primar

Bioelectrogeneza fibrei Bioelectrogeneza fibrei muscularemusculare

Fenomenele elementare care se Fenomenele elementare care se produc în placa motorie sunt:produc în placa motorie sunt:► sinteza sinteza ssi stocarea Ach i stocarea Ach în butonul în butonul

terminalterminal► un influx nervos eliberează de o manieră un influx nervos eliberează de o manieră

sincronă circa 200 pachete (cuante) de sincronă circa 200 pachete (cuante) de Ach, adică aproximativ 10Ach, adică aproximativ 1066 molecule molecule

► DDifuzifuziaia Ach s Ach si activarea receptorilor i activarea receptorilor postsinapticipostsinaptici

► Intrarea ionilor de Na Intrarea ionilor de Na cucu apariţia unei apariţia unei depolarizări locale numită depolarizări locale numită potenţial de potenţial de placă motorieplacă motorie (PPM). (PPM).

► Distrugerea Ach prin colinesterazăDistrugerea Ach prin colinesterază

Generarea PAGenerarea PA

► PPPPMM se comportă ca un se comportă ca un prepotenţial (potenţial local) ce prepotenţial (potenţial local) ce determină o întârziere a determină o întârziere a răspunsului muscular de 0,8 ms.răspunsului muscular de 0,8 ms.

► PAPA apare când depolarizarea apare când depolarizarea sarcolemei prin sarcolemei prin PPMPPM atinge atinge pragul de excitabilitatepragul de excitabilitate (~ -50 (~ -50 mV) mV)

► PA PA are o amplitudine de peste are o amplitudine de peste 100 mV, având faza de vârf de 100 mV, având faza de vârf de câteva ms. câteva ms.

► Este urmat de un Este urmat de un postpotenţial postpotenţial negativnegativ de mare amplitudine de mare amplitudine (20 mV) şi de durată (30 ms).(20 mV) şi de durată (30 ms).

10 ms

contracţie

tip secusă

PA

t (ms)

F (N)

E(mV)

-90

Propagarea PA are loc în toate Propagarea PA are loc în toate direcţiile, cu o viteză de direcţiile, cu o viteză de aproximativ aproximativ 5 m/s5 m/s pentru celula pentru celula musculară la om. musculară la om.

Pentru o durată a fazei de vârf Pentru o durată a fazei de vârf a PA de 2 ms lungimea zonei a PA de 2 ms lungimea zonei depolarizate va fidepolarizate va fi:: 2·10 2·10-3-3 · 5 = · 5 = 1010-2-2mm

Fibra musc. este excitată simultan

ASPECTE MECANICE ALE ASPECTE MECANICE ALE CONTRACŢIEI MUSCULARECONTRACŢIEI MUSCULARE

► Funcţia muşchiului = conversia Funcţia muşchiului = conversia energiei chimică în lucru mecanic energiei chimică în lucru mecanic necesar fie unei deplasări, fie necesar fie unei deplasări, fie exercitării unor tensiuni mecanice, exercitării unor tensiuni mecanice, fără o deplasare exterioară. Acestor fără o deplasare exterioară. Acestor două necesităţi le corespund cele două necesităţi le corespund cele două tipuri de contracţie:două tipuri de contracţie:

► contracţia izotonicăcontracţia izotonică - - muşchiul muşchiul exercită exercită o o forţă constantăforţă constantă pe o pe o anumită distanţă efectuând deci în anumită distanţă efectuând deci în exterior un lucru mecanic (de ex. exterior un lucru mecanic (de ex. ridicarea unei greutăţi);ridicarea unei greutăţi);

► contracţia izometricăcontracţia izometrică – – fără fără deplasaredeplasare, muşchiul exercită o , muşchiul exercită o tensiune, deci efectuează un lucru tensiune, deci efectuează un lucru mecanic intern (de ex. menţinerea mecanic intern (de ex. menţinerea unei greutăţi).unei greutăţi).

► Intinderea unui resort elasticIntinderea unui resort elastic presupune o contracţie neizometrică presupune o contracţie neizometrică şi neizotonă, datorită forţei elastice şi neizotonă, datorită forţei elastice care variază cu alungirea resortului.care variază cu alungirea resortului.

stimuli

tetanos

secusă

t (ms)

F (N)

I (mA)

Forţa de contracţieForţa de contracţie

► Gradul de scurtare iniţialăGradul de scurtare iniţială a muschiului = lungimea a muschiului = lungimea iniţială a sarcomerelor. iniţială a sarcomerelor.

► Distanţa dintre liniile Z Distanţa dintre liniile Z este corelată cu gradul de este corelată cu gradul de întrepătrundere a întrepătrundere a miofilamentelor, deci de miofilamentelor, deci de numărul de punţi numărul de punţi transversaletransversale ce pot fi ce pot fi angajate în procesul angajate în procesul biochimic de contracţie biochimic de contracţie

Alungirea muşchiului

Forţ

a d

e c

on

tracţi

e %

FORTA DE CONTRACTIE depinde de GRADUL DE SCURTARE

Legea HillLegea Hill

.)·())(( max constbaFbvaF

F (N)

v (m/s)

vmax

Fmax

alungire scurtare

Fmax - încărcarea maximă, a - constantă cu dimensiuni de forţă, b - constantă cu dimensiuni de viteză. Graficul de variaţie a

fortei de contractie cu viteza de scurtare a muşchiului

aF

bFFv

)·( max

VITEZA DE SCURTARE:

a

bFv

·maxmax Dacă: F = 0 v =

Dacă: F = Fmax v0 = 0 l = 0 Lm = F l = 0

FORTA DE CONTRACTIE depinde de VITEZA DE SCURTARE

Schema ciberneticăSchema cibernetică► trei tipuri de elemente::

elementul contractil (E)elementul contractil (E) elementul vâscos (R)elementul vâscos (R) elementul elastic (B)elementul elastic (B)

► Energia înmagazinată în faza de contracţie poate fi eliberată ulterior, amplificând amplitudinea şi forţa mecanică, prin utilizarea unui minim de energie biologică

E

R

B

BB

tendontendon

fibre conjunctive din fascia muşchiului