Your SlideShare is downloading. ×

Mecanica muscular

5,037

Published on

biomecanica muscular

biomecanica muscular

0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total Views
5,037
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
4
Actions
Shares
0
Downloads
32
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

Report content
Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
No notes for slide

Transcript

  • 1. MATERIALES ELÁSTICOS EN BIOLOGÍA. HUESOS Y MUSCULOS. EL MECANISMO DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR En el estudio que vamos a desarrollar a continuación vamos a tratarde aplicar los conocimientos ya adquiridos sobre elasticidad demateriales a dos casos totalmente distintos y extremos, como son losmateriales muy poco deformables (huesos) y los materiales que, sinperder sus propiedades elásticas, son capaces de experimentar unagran deformación bajo la acción de fuerzas (músculos). Resistencia de materiales en los huesos El primero de los casos que vamos a considerar, materiales muypoco deformables, además de la importancia tecnológica que poseenpor ser los tipos de materiales con los que se edifican todo tipo deestructuras, nos va a interesar por cuanto los huesos, tanto por el tipoy características elásticas del material que los forma, como por lafunción de soporte que desempeñan en el organismo, entran total-mente dentro de este grupo. FIGURA 1 FIGURA 2 Este tipo de materiales deben verificar una serie de condicionesimpuestas por la función que han de desarrollar: elevado valor de sumódulo de Young (motivo por el que serán muy poco deformables), desu módulo de rotura (para evitar en lo posible fracturas), han de tenerun peso lo más bajo posible, etc. Consideremos, por ejemplo, el casode un hueso largo como puede ser el fémur. Este hueso se puedeasemejar a una columna y se sabe que éstas no fallan, generalmente,
  • 2. porque se aplasten bajo el peso que han de soportar sino debido a que,al no estar perfectamente centradas las fuerzas que actúan sobre ellas,sobreviene el fenómeno ya estudiado del pandeo. Este fenómeno yasabemos que puede ser evitado, en parte, colocando en ambosextremos de la columna unas expansiones o capiteles, papel que en loshuesos largos llevan a cabo las epífisis o extremos más abultados delhueso, como puede verse en la figura 1. La Naturaleza ha adoptadoesta disposición en todos los huesos que han de trabajar porcompresión y, aunque evidentemente no es éste el único papel de lasepífisis, contribuyen efectivamente a impedir el fenómeno del pandeoen huesos largos. Existe otra característica de los huesos largos que tambiéncontribuye a proporcionarle a estos su elevada resistencia a ladeformación: el hecho de que la zona central del hueso, la diáfisis, seaun tubo de materia ósea resistente que rodea a una parte blanda(médula ósea) que no contribuye para nada al proceso estructural pero,que como también sabemos, consigue, a igualdad de peso, la máximaresistencia posible a la flexión. Por último, citar la existencia en las epífisis de una serie depequeños tabiques, denominados trabéculas, que contribuyen igual-mente a dar consistencia al hueso (Figura 2). El número y disposiciónde estas trabéculas es diferente en cada hueso, e incluso en cadapersona, estando dirigidas según los ejes de los esfuerzos máximos quepor tensión y compresión soporta el hueso y disponiéndose en unsentido tal que le den al hueso la máxima resistencia frente a estosesfuerzos. Estructura compuesta de los huesos. Uno de los problemas de máxima actualidad en el campo de lasciencias de materiales se refiere al estudio de los denominadosmateriales compuestos. Este es un tipo de material cuyas propiedadesmecánicas superan a las de sus respectivos componentes, siendomateriales formados en base a fibras de un elemento duro y resistente,de elevado módulo de Young, embebidas en un medio blando ydeformable de muy bajo módulo de elasticidad. Y precisamente los huesos son materiales de este tipo: además delas células vivas y de los conductos necesarios para su operación ydesarrollo, la parte estructural del hueso está constituida por laminillasóseas minerales (fosfatos y carbonatos de calcio y magnesio con unaestructura química similar al apatito) rodeadas de una proteínadenomina colágeno. El módulo de Young del apatito es muy elevado, loque le da rigidez al hueso, mientras que el colágeno es muy flexiblepero muy resistente a la rotura. Debido a esta estructura el hueso tienemuy poca deformabilidad, como corresponde a la materia mineral, a lavez que es capaz de resistir elevadas tensiones e impactos sin que seproduzcan grietas que se propagarían con rapidez por el volumen delhueso si no existiera el colágeno.
  • 3. Materiales elásticos muy deformables. Es conocida por todos la existencia de materiales, como la goma y elcaucho, que bajo la acción de fuerzas externas no demasiado intensasexperimentan alargamientos enormes, equivalentes a varias veces sulongitud inicial, sin llegar por ello a su límite de rotura y volviendo,cuando la fuerza deja de actuar, a su tamaño original. A un material de estas características se le denomina elastómero, y aellos no se les puede aplicar de ninguna forma la Ley de Hooke. Vamosa ver a continuación la interpretación de estas grandes deformacionesque puede experimentar un elastómero. Estos materiales estáncompuestos de moléculas de cadenas largas (polietileno:CH3-(CH2)n-CH3, 100 < n < 1000) las cuales pueden presentardiferentes estados, todos con la misma energía, siendo distintas lasposiciones de unos átomos de carbono con respecto a otros en lasdistintas configuraciones posibles. En la figura 3 se muestran dosposibles estados de una cadena elastomérica, siendo, como puedeverse, muy fácil pasar de uno a otro debido a la casi igualdad deenergía entre ambos. FIGURA 3 Por lo tanto, el que la molécula esté en reposo en una u otraconfiguración no depende de la energía, sino de otra magnitud termodi-námica, la entropía. La longitud más probable de la cadena viene dadapor: 1/2 r p = L (2n/3 )donde L es la longitud de cada eslabón y n el número de eslabones.Puesto que la longitud máxima será rmáx = nL, el alargamiento vendrádado por: r max = n 1/2 = (3n/2 )1/2 r p (2n/3) 3que será del orden de 40 para n = 10 .
  • 4. En el caso de un elastómero real, la situación no es tan simple,puesto que las cadenas están unidas entre sí mediante enlaceslaterales, constituyendo una cadena reticular, con lo que el tratamientoteórico es mucho más complicado (figura 4). Para un elastómero real, la curva tensión-deformación tiene laforma de la figura 5. Para fuerzas moderadas, el alargamiento es menorpuesto que las cadenas más cortas llegan a un alargamiento máximo.En virtud de la teoría vista, es perfectamente válida la diferencia entreacortamiento y estiramiento de un elastómero que aparece en la figura5. El mecanismo de la contracción muscular. En el proceso de deformación de un músculo hay dos aspectosdiferentes que es necesario considerar. Uno es el puramente elástico:los músculos se alargan cuando están sometidos a fuerzas externas,comportándose como un material elastomérico, y se encogen cuandodichas fuerzas dejan de actuar. Pero, por otra parte, el acortamientovoluntario o espontáneo de los músculos no es un fenómeno elástico,sino que se parece más al acortamiento de un tubo telescópico, en elque unas partes se insertan dentro de otras teniendo, al estarextendido, una longitud mucho mayor que cuando está recogido. FIGURA 4 FIGURA 5 Estos dos aspectos son los que se denominan comportamientoelástico pasivo, el primero, y comportamiento contráctil activo, elsegundo. El primero de ellos se interpreta en base a lo que hemos vistoen el apartado anterior sobre el estudio de elastómeros, con lo cualpasaremos a describir a continuación el segundo, es decir, elcomportamiento contráctil activo.
  • 5. FIGURA 7 FIGURA 6 Los músculos estriados están compuestos por una serie de fibrasseparadas entre sí por una membrana celular. Estas fibras se dividen asu vez, como se muestra en la figura 6, en haces de fibrillas y éstos asu vez, en fibrillas, con las dimensiones indicadas para cada una deellas. Vistas al microscopio, las fibrillas están constituidas a su vez pordos tipos de filamentos, gruesos y finos, los cuales se disponen deforma que aparece una estructura periódica, denominada sarcómero,que se puede considerar como la unidad funcional de la fibrilla. Larepresentación esquemática de un sarcómero es la que se muestra enla figura 7, en donde se esquematizan también las diferentes bandasque aparecen en la observación microscópica. Los filamentos gruesos están constituidos, fundamentalmente, poruna proteína llamada miosina, mientras que la base de los filamentosfinos es otra proteína, la actina. La longitud total del sarcómeroconstituido de esta forma es de unas 2.5 micras, en estado de reposo,disminuyendo cuando el músculo se encoge. Al producirse una contracción del músculo, se produce un acorta-miento de éste por deslizamiento de los filamentos finos sobre losgruesos. El mecanismo que da lugar a este deslizamiento vamos a verloa continuación (Figura 8).Figura 8
  • 6. En un estado de reposo (a), existen puentes de ATP (Trifosfato deadenosina) unidos a los filamentos gruesos de miosina, presentándosefenómenos de repulsión electrostática entre miosina y ATP, lo que haceque el puente se mantenga estirado formando un ángulo no recto conel filamento grueso. Cuando a través del sistema nervioso llega unimpulso, se produce una liberación, en el interior del sarcómero, de ++Ca , el cual, al fijarse al extremo libre del puente de ATP y a la actina,completa el puente entre los dos tipos de filamentos (b). La existencia ++de Ca produce una variación de las fuerzas eléctricas en el extremodel puente de ATP unido a la miosina, eliminándose parte de la fuerzade repulsión existente, lo que conlleva a una contracción del puente,que hace que el filamento fino de actina avance entre los de miosina(c). Al producirse la contracción, el puente de ATP se acerca a lamiosina, hidrolizándose aquél y rompiéndose el puente, el cual seregenera rápidamente por la acción del fosfato de cresina, dándoselugar a un estado similar al mostrado en (a), con el filamento fino yaintroducido entre los gruesos (d). ++ El proceso se repite mientras que exista Ca libre, el cual esabsorbido rápidamente por el sarcómero. Con la desaparición del ión serompen los puentes, quedando de nuevo el músculo relajado, a la es-pera de un nuevo impulso nervioso que haga iniciar otra vez el proceso. La acción de un impulso nervioso dura sólo un tiempo muy corto(del orden de mseg) y afecta a una zona reducida del músculo. Laacción total de éste, gradual y contínua, se debe a un procesosimultáneo en el espacio y el tiempo, que veremos en el siguienteapartado.El músculo como motor lineal Con el mecanismo de contracción expuesto, vemos que el músculoactúa como un motor de desplazamiento lineal, en una sola dirección:ejerce las fuerzas al contraerse pero no al extenderse. Normalmente,los movimientos de doble dirección se producen en el cuerpo mediantela acción de dos músculos antagónicos, de tal forma que cuando uno secontrae, el otro está relajado, estirándose por la acción del otro pero sinejercer fuerza de origen activo. Recordar también que la deformaciónque experimentan y la tensión que ejercen los músculos son unacombinación de sus mecanismos activos y pasivos: capacidad deacortamiento de los sarcómeros y propiedades elastoméricas de lasfibras musculares. El músculo puede operar de dos formas durante la contracción: - isométrica: el músculo ejerce fuerza sin contraerse (por ejemplo,cuando se intenta mover un objeto sin conseguirlo.) - isotónica: el músculo se contrae ejerciendo una fuerza constante. Esta última no es una forma de operación real, puesto que la fuerzacon la que actúa el músculo no es constante, sino que depende de una
  • 7. longitud en la forma mostrada en la figura 9, pudiéndose expresar estavariación en la forma: 2  x - x0  F = F 0 - ∆F      xm siendo Fo la fuerza máxima que el músculo puede ejercer en la posiciónde relajación xo. En las posiciones de máxima y mínima longitud, lamáxima fuerza que se puede ejercer es Fo - ∆F. De todas formas, en las aplicaciones prácticas no se utiliza estaexpresión para la fuerza, sino que se considera una fuerza media,elegida de tal forma que realice el mismo trabajo que la fuerza real.Esta fuerza media viene dada por: < F >m = F 0 - ∆F/3por lo que la operación isotónica sólo tiene interés desde un punto devista conceptual, como opuesta a la isométrica. La unidad funcional motora delmúsculo no está constituidasimplemente por el sarcómerovisto antes, sino por una moto-neurona, su axón, y el conjuntode fibras terminales, los cuales seexcitan simultáneamente ante unsolo impulso nervioso. Al llegar elimpulso, se produce una fuerza decontracción sobre el sarcómero,generándose una fuerza que estransmitida al exterior. Esta últimafuerza comienza mucho despuésde la llegada del impulso nervioso,dura mucho más y puede alcanzar FIGURA 9su valor máximo cuando elsistema activo del músculo no ejerce fuerza ninguna. En la figura 10 serepresenta en la misma escala de tiempos el impulso de acción, la ++fuerza ejercida que dura algo más (hasta que el Ca es absorbido) y lafuerza muscular transmitida al exterior. La razón de estecomportamiento radica en las características elásticas pasivas delmúsculo, el cual se puede asimilar al sistema mecánico mostrado en lafigura 11: dos elementos elásticos (muelles), una masa inerte y unrozamiento viscoso. La contracción del músculo produce unalargamiento del resorte de la derecha, con lo que se transmite unafuerza a la masa m, la cual se pone en movimiento y alarga el resortede la izquierda, ejerciendo éste una fuerza sobre el hueso al que estáanclado. Sin embargo, esta fuerza sobre el hueso requiere un intervalode tiempo entre el inicio de la acción y su llegada.
  • 8. FIGURA 10 FIGURA 11 FIGURA 12 FIGURA 13 La llegada de un nuevo impulso nervioso a la misma unidadmotora da lugar a un nuevo periodo de fuerza externa (figura 12), perosi aumenta la frecuencia del impulso, los efectos se superponen y lafuerza externa que produce una sola unidad motora es más intensa.Esta fuerza, sin embargo, no crece indefinidamente: para un valor de lafrecuencia, para el cual se obtiene un fuerza aproximadamente de 4veces la correspondiente a un solo impulso, se alcanza un estado desaturación, correspondiendo este estado al denominado tetánico de launidad motora o del músculo completo (Figura 13). La acción gradual del músculo y, por lo tanto, la distinta magnitudde la fuerza que se puede ejercer, se consigue de la siguiente forma: 1.- Para generar fuerzas pequeñas, se ponen en juego de formaasincrónica un mayor número de unidades motoras. (figura 14). 2.- Para aumentar la fuerza, se aumenta la frecuencia de losimpulsos.
  • 9. 3.- Si la fuerza a desarrollar debe ser muy elevada, algunas o todaslas unidades motoras se colocan en estado tetánico. Como resumen final, cuando el músculo ha de realizar una fuerza, se generan los impulsos nerviosos, con lo que se contraen los sarcómeros. Si la fuerza exterior es superior a la que realiza el músculo, sus elementos elásticos quedan estirados, pero no hay movimiento (contracción isométrica). Si hay posibilidad de movimiento, a la contracción de los elementos activos del músculo acompaña una defor- mación de los elementos elásticos pa- sivos, primero alargándose para gene- rar fuerza, y a continuación contrayén- dose para generar movimiento. Advertir finalmente que, aunque hemos hablado de elementos activos y FIGURA 14 pasivos, son las mismas fibras muscu-lares las que verifican la contracción muscular y las que estiran cuandoel músculo se somete a fuerzas externas. BIBLIOGRAFIA. - J. Gonzalez Ibeas. "Introducción a la Física y Biofísica" Ed. Alhambra. - A.S. Frumento. "Biofísica". Ed. Inter-Médica

×