Sistemul muscular: structura mușchiului și contracția musculară

Corpul uman are peste 600 de mușchi scheletici, care formează componenta activă a aparatului locomotor. Contracția musculară se produce prin glisarea filamentelor de actină printre cele de miozină, în interiorul sarcomerelor, cu consum de ATP și ioni de calciu, după ce fibra musculară primește un impuls nervos. Pentru BAC biologie trebuie să deosebești cele trei tipuri de țesut muscular, să descrii structura mușchiului și să explici mecanismul și energetica contracției.

Cele trei tipuri de țesut muscular

Pentru un item care cere „rolul mușchiului scheletic, al tendonului și al mușchiului neted”, răspunsurile scurte și corecte sunt: mușchiul scheletic realizează mișcarea corpului și menținerea poziției; tendonul fixează mușchiul de os și transmite forța de contracție; mușchiul neted asigură motilitatea organelor interne (de exemplu, peristaltismul intestinal) și reglarea diametrului vaselor.

Structura mușchiului scheletic, de la organ la sarcomer

E util să înveți structura „de la mare la mic”, ca o păpușă rusească:

1. Mușchiul (organul) are o porțiune centrală, cărnoasă — corpul (ventrul) — și capete prin care se prinde de oase, de obicei sub formă de tendoane. Este învelit de o fascie conjunctivă (epimisium).
2. Corpul mușchiului este format din fascicule musculare, fiecare învelit în țesut conjunctiv (perimisium), prin care trec vase de sânge și nervi.
3. Fiecare fascicul conține numeroase fibre musculare — celulele mușchiului, lungi și multinucleate. Membrana fibrei se numește sarcolemă, iar citoplasma sarcoplasmă; reticulul endoplasmatic al fibrei (reticulul sarcoplasmatic) depozitează ioni de calciu.
4. În sarcoplasmă se află miofibrilele, formate din miofilamente: subțiri, de actină, și groase, de miozină.
5. Miofibrila este împărțită în unități repetitive numite sarcomere, delimitate de membranele (striurile) Z. Sarcomerul este unitatea morfo-funcțională a miofibrilei.

Striațiile vizibile la microscop vin din alternanța benzilor clare (I), care conțin doar filamente de actină, cu benzile întunecate (A), unde se află filamentele de miozină suprapuse parțial cu cele de actină.

Proprietățile mușchilor

• Excitabilitatea — capacitatea de a răspunde la un stimul printr-un potențial de acțiune.
• Contractilitatea — capacitatea de a se scurta și de a dezvolta tensiune.
• Extensibilitatea — capacitatea de a se alungi sub acțiunea unei forțe.
• Elasticitatea — revenirea la forma inițială după încetarea forței care l-a deformat.
• Tonusul muscular — starea de ușoară contracție permanentă, menținută reflex, care asigură postura.

Mecanismul contracției: de la impuls nervos la mișcare

Iată lanțul de evenimente, în ordine — exact ce ai nevoie pentru un minieseu despre contracția musculară:

1. Un neuron motor transmite un impuls nervos spre mușchi. Detaliile despre potențialul de acțiune găsești la transmiterea impulsului nervos și sinapsă.
2. La nivelul plăcii motorii (sinapsa neuro-musculară), terminația axonului eliberează mediatorul chimic acetilcolina.
3. Acetilcolina se leagă de receptorii sarcolemei și declanșează un potențial de acțiune care se propagă de-a lungul fibrei musculare.
4. Excitația determină eliberarea ionilor de calciu (Ca²⁺) din reticulul sarcoplasmatic.
5. Ionii de calciu permit capetelor de miozină să se lege de actină, formând punți transversale.
6. Folosind energia din ATP, capetele de miozină „trag” filamentele de actină spre centrul sarcomerului. Filamentele glisează unele printre altele, fără să se scurteze ele însele.
7. Sarcomerele se scurtează, deci miofibrilele, fibrele și întregul mușchi se scurtează — mușchiul trage de tendon, iar tendonul de os.
8. La încetarea stimulării, calciul este pompat înapoi în reticul (tot cu consum de ATP), punțile se desfac și mușchiul se relaxează.

Observă că ATP-ul este necesar de două ori: pentru mișcarea punților de miozină și pentru relaxare (desprinderea miozinei și recaptarea calciului). Aceasta este explicația pentru un item de tipul „Explicați rolul ATP-ului în contracția musculară”.

Tipuri de contracții

• Secusa — contracția unică, produsă de un singur stimul; are o perioadă de latență, una de contracție și una de relaxare.
• Tetanosul (fiziologic) — contracția susținută produsă de stimuli repetați la intervale scurte. Dacă stimulii sosesc în faza de relaxare, rezultă tetanos incomplet (zimțat); dacă sosesc în faza de contracție, rezultă tetanos complet. Mișcările voluntare obișnuite sunt contracții tetanice.
• Contracția izotonică — mușchiul se scurtează, tensiunea rămâne aproximativ constantă (ridicarea unei greutăți, mersul).
• Contracția izometrică — lungimea mușchiului rămâne aceeași, crește tensiunea (împingerea unui perete, menținerea posturii).

Energia contracției și oboseala musculară

Rezerva de ATP din fibră ajunge doar pentru câteva secunde de efort. Ea este refăcută din:

• fosfocreatină — o rezervă care regenerează ATP foarte rapid, la începutul efortului;
• glicogenul muscular și glucoza din sânge, degradate prin glicoliză;
• respirația celulară aerobă din mitocondriile fibrei, care asigură cea mai mare cantitate de ATP la efortul de durată — vezi respirația celulară aerobă.

În efortul intens, oxigenul adus de sânge nu mai ajunge. Fibrele obțin energie prin glicoliză anaerobă, iar acidul piruvic este transformat în acid lactic. Manualele explică oboseala musculară prin acumularea acidului lactic și prin epuizarea rezervelor energetice — de aici răspunsul la „Explicați de ce mușchii scheletici obosesc la efort intens”. În repaus, o parte din acidul lactic este transportată la ficat și transformată din nou în glucoză.

Mușchii antagoniști și exemple de mușchi

Mușchii scheletici pot doar să tragă, nu să împingă. De aceea lucrează, de regulă, în perechi antagoniste: când unul se contractă, celălalt se relaxează. Exemplul clasic: bicepsul brahial flectează antebrațul pe braț (flexor), iar tricepsul brahial îl extinde (extensor). Alte perechi sunt flexorii și extensorii degetelor sau mușchii de pe fața anterioară și posterioară a coapsei (cvadricepsul femural extinde gamba).

Câteva exemple pe regiuni, utile la itemii de numire: mușchii mimicii (pe față), sternocleidomastoidianul (gât), pectoralul mare, mușchii intercostali și diafragma (principalul mușchi inspirator), mușchii abdominali, deltoidul (umăr), fesierul mare, gastrocnemianul (gambă). Felul în care mușchii se prind de oase și articulațiile pe care le mișcă sunt descrise în sistemul osos și articulațiile.

Afecțiuni și greșeli frecvente

Afecțiuni menționate în programă: febra musculară (durere după efort neobișnuit), crampa (contracție involuntară, dureroasă și prelungită), întinderea și ruptura musculară, atrofia musculară (reducerea masei musculare prin inactivitate sau lipsa inervației), distrofia musculară (boală degenerativă, adesea ereditară).

• „Filamentele se scurtează în contracție.” Nu — ele glisează; se scurtează sarcomerul.
• „Mușchiul cardiac este neted.” Este striat, dar involuntar.
• Tendon confundat cu ligament. Tendonul leagă mușchiul de os; ligamentul leagă două oase.
• Calciul uitat din mecanism. Fără ionii de calciu, punțile actină–miozină nu se formează.