Soporte estructural y movimiento

Semana 5, capítulo 36

36.1 Esqueletos de invertebrados

El esqueleto es la parte del cuerpo que mantiene la forma del organismo y contra la cual actúan los músculos. Hay tres tipos:• Hidrostático- se compone de fluído encerrado en un

espacio sobre el cual ejercen presión los músculos.• Exoesqueleto- se compone de piezas duras

presentes sobre (en el exterior) del cuerpo.• Endoesqueleto- se compone de piezas duras

presentes en el interior del cuerpo.

Esqueleto hidrostático de los cnidarios

Los cnidarios (anémonas, agua vivas y corales) tienen bandas de músculos circulares y músculos longitudinales que contraen o estiran el cuerpo cuando presionan contra el agua atrapada en la cavidad interna (gastrovascular).

Esqueleto hidrostático de los cnidarios

La anémona de la izquierda cerró la boca y contrajo la banda circular de músculos para estirarse.

La anémona de la derecha abrió la boca y contrajo la banda longitudinal de músculos para expulsar el agua y contraerse.

Esqueleto hidrostático de las lombrices de tierra

Las lombrices de tierra contraen la banda circular de cada segmento para estirarlo y la longitudinal para contraerlo. Repiten el proceso coordinadamente a lo largo del cuerpo para avanzar o retroceder.

Exoesqueleto de los artrópodos Los artrópodos tienen un exoesqueleto formado por

placas articuladas de quitina (un polisacárido nitrogenado).

Juey hembra camino a depositar sus huevos en el mar.

Vuelo de los insectos Los insectos baten sus alas muy rápido. Lo logran

mediante la contracción alternada de músculos longitudinales y dorsoventrales presentes en los segmentos del tórax.

36.2 El endoesqueleto de los vertebrados Todos los vertebrados tienen un

endoesqueleto compuesto mayormente de hueso, con algún cartílago en las articulaciones. El esqueleto de los tiburones es todo de cartílago.

La columna vertebral se compone de vértebras separadas por discos de cartílago. Nuestra postura vertical, a diferencia de la horizontal de los vertebrados que caminan en cuatro patas, pone una presión adicional sobre los discos que a menudo causa problemas de discos herniados y dolores de espalda.

Disco herniado

Funciones de los huesos

Esqueleto axial y apendicular

El esqueleto de los verebrados tiene dos grandes divisiones:• Esqueleto axial-

cráneo, columna vertebral, esternón y costillas

• Esqueleto apendicular- cintura pectoral, cintura pélvica y apéndices (brazos y piernas).

Blanco- esqueleto axialRosa- esqueleto apendicular

Esqueleto de los peces El esqueleto de los peces tiene la misma estructura

básica que nuestro esqueleto. Observa el esqueleto axial (cráneo, columna vertebral y huesos que apoyan las branquias) y el apendicular (cintura pélvica y pectoral).

Esqueleto de los reptiles

El esqueleto de los reptiles se parece aún más al nuestro. Los reptiles dieron origen a las aves y a los mamíferos. Observa el mismo patrón de esqueleto axial y apendicular.

El esqueleto humano

Varias características de nuestro esqueleto son adaptaciones para caminar erectos. Por ejemplo, nuestro foramen magnum (hueco donde el cráneo y la columna vertebral articulan) está ventral en el cráneo en vez posterior. La curvatura de la columna vertebral cetraliza el torso sobre las piernas.

Partes y huesos principales del esqueleto humano

El esqueleto se estudia en el laboratorio. Estas son las secciones principales y algunos de los huesos más grandes e importantes (en total hay 206).

36.3 Estructura y función de los huesos

Los huesos más grandes se componen de tejido óseo compacto y tejido óseo esponjoso. El espacio interior del fémur está lleno de médula amarilla (mayormente grasa). Los espacios en el hueso esponjoso están llenos de médula roja que produce los glóbulos rojos.

La cabeza del fémur (donde artícula con la pelvis) está hecha de cartílago.

Cabeza

Fémur

Anatomía del hueso I

El tejido óseo tiene tres tipos de células que viven en una matriz hecha mayormente de fosfato de calcio:• Osteoblastos- secretan

la matriz mineral• Osteocitos- osteoblastos

maduros rodeados por la matriz que produjeron

• Osteoclastos- secretan ácidos y enzimas que descomponen la matriz.

Anatomía del hueso II

Formación y remodelación del hueso

El esqueleto embrionario se compone inicialmente de cartílago que va transformándose en hueso. Los huesos crecen hasta la adultez. Sus células los remodelan y los reparan constantemente bajo la influencia de hormonas.

Osteoporosis (huesos porosos)

Cuando se llega a la adultez, la cantidad de calcio depositado en los huesos por los osteoblastos y los osteocitos es similar a la extraída y puesta en circulación por los osteoclastos.

Cuando se remueve más calcio del que se deposita, los huesos van perdiendo densidad. Esto sucede a menudo durante la menopausia, cuando la mujer deja de producir las hormonas sexuales (que entre otras funciones promueven el depósito de calcio en los huesos).

La osteoporosis se trata con cambios en la dieta, suplementos de calcio y ejercicio que estimula a los huesos para que se mantengan saludables.

OsteoporosisFractura en la cadera

Las mujeres que tienen osteoporosis deben ingerir 1,500 miligramos (1.5 gramos) de calcio diariamente.

36.4 Articulaciones del esqueleto

Las articulaciones son los puntos de contacto entre los huesos. Hay tres tipos:• Fibrosas: conexiones fuertes formadas por tejido

conectivo muy denso. No permiten movimiento. Ejemplos: unión de los dientes con la mandíbula, unión de los huesos del cráneo.

• Cartilaginosas: conexiones de cartílago que permiten un poco de movimiento. Ejemplos: unión entre las costillas y el esternón, unión entre las vértebras.

• Sinoviales: conexiones complejas que permiten mucho movimiento.

Articulaciones del esqueleto

Articulaciones fibrosas, cartilaginosas y sinoviales

Articulaciones fibrosas

Articulaciones cartilaginosas

Disco de cartílago

Permiten el movimiento durante la respiración

Permiten el movimiento de las vértebras

Articulaciones sinoviales

En las articulaciones sinoviales, los huesos están separados por una cavidad llena de líquido sinovial que es acojinada con cartílago. Los huesos son sostenidos en posición por ligamentos de tejido conectivo.• Bola y cuenca- ofrecen gran libertad de movimiento

rotacional. Ejemplo: articulación entre el brazo y el hombro.

• Deslizantes- permiten que los huesos de deslizen uno sobre el otro. Ejemplo: muñecas y tobillos.

• Bisagras- permiten que los huesos se muevan hacia el frente y hacia atrás en un plano. Ejemplo: codos y rodillas.

Anatomía de una articulación sinovial

Algunos problemas de la rodilla se relacionan con daño a los meniscos o pérdida del líquido sonovial.

36.5 Dolor en las articulaciones

Nuestra actividad cotidiana le pone tensión a las articulaciones. La tensión aumenta cuando se practican ciertos deportes, se realizan tareas que repiten los mismos movimientos o cuando se usan zapatos muy altos.

Tobillo esguinzado (sprained)

Si se vira el tobillo con suficiente fuerza, algunos de los ligamentos que mantienen a los huesos en su lugar pueden estirarse demasiado o desgarrarse. Es una lesión dolorosa que tarda mucho en curar por completo.

Artritis

Artritis significa literalmente inflamación de una articulación. El término se usa cuando la inflamación es crónica (de larga duración). Hay varios tipos, como la osteoartritis (debido al desgaste del cartílago que separa los huesos, la artritis reumatoide (cuando el sistema de defensa ataca las células que secretan el fluido sinovial) y la gota (cuando se acumula ácido úrico en las articulaciones).

Bursitis

Bursitis se refiere a la inflamación de una o más bursas. Estos son sacos llenos de fluido que lubrican y reducen la fricción entre superficies adyacentes, como por ejemplo los huesos y la piel del codo.

36.6 Los músculos esqueléticos

Los músculos esqueléticos se componen de células muy largas llamadas fibras musculares. Estas células son multinucleadas porque se originan de la unión de muchas células individuales. Las fibras musculares están llenas de fibras contráctiles.

Los músculos esqueléticos se adhieren a los huesos mediante tendones. Cuando el músculo se contrae, transmite fuerza a un hueso y hace que se mueva.

Los músculos y los huesos funcionan como un sistema de palancas. Los músculos sólo hacen fuerza cuando se contraen; por lo tanto, cuando un músculo mueve un hueso en una dirección, es necesario que uno o más músculos antagónicos se contraigan para lograr la acción opuesta.

Músculos antagónicos

El bíceps y el tríceps son músculos antagónicos. Como los músculos sólo ejerecen fuerza al contraerse, se necesita uno para subir el brazo y otro para bajarlo.

Algunos de nuestros 700 músculos

Observa en crema y en gris algunos de los tendones que conectan los músculos a los huesos. El tendón más grande de nuestro cuerpo es el tendón de Aquiles.

Músculos, tendones y huesos

Observa el tendón al final del músculo y cómo se pega al hueso. Observa además la cavidad sinovial y las bursas que reducen fricción entre superficies.

36.7 Cómo se contrae el músculo esquelético

Los músculos se componen de grupos (bundles) de fibras musculares rodeadas por tejido conectivo. Cada grupo contiene cientos de fibras musculares y cada fibra muscular contiene miles de miofibrillas.

Anatomía de la fibra muscular

El sarcómero es la unidad funcional del músculo esquelético o estriado.

Anatomía de un sarcómero

Los filamentos de actina y miosinaLos filamentos finos y gruesos se componen de moléculas de las proteínas actina y miosina.

El modelo de deslizamiento de filamentos

La contracción de un músculo se debe al deslizamiento de filamentos de actina y miosina. Los sarcómeros se acortan (se contraen) cuando los filamentos de actina son halados por los filamentos de miosina hacia el centro del sarcómero.

El movimiento de las cabezitas de miosina requiere el uso de moléculas de ATP, por esto es que la contracción muscular requiere energía.

El sarcómero relajado

El sarcómero contraído

Interacción entre la actina y la miosina

Las cabezitas de los filamentos de miosina están energizadas. Un aumento en la concentración de iones de calcio expone el lugar donde la miosina conecta con la actina y se forma un puente. La energía almacenada en las cabezitas se libera y éstas halan los filamentos de actina. El sarcómero de contrae.

Resumen de la contracción del sarcómero

Observa que luego de la contracción las cabezitas son energizadas nuevamente con ATP y regresan a sus posiciones originales. Esto no significa que el sarcómero regresa automáticamente a su posición original.

36.8 Una mirada cercana a la contracción

La contracción del músculo esquelético requiere la estimulación de neuronas motoras. Esto se logra mediante la liberación de acetilcolina en la unión neuromuscular (punto de contacto entre el terminal de axón y la superficie de la fibra muscular).

Llegada del estímulo al sarcómero El potencial de acción

se propaga a lo largo de la membrana sarcoplásmica hasta llegar al sistema de túbulos T. De allí sigue por el retículo endoplásmico. El retículo libera los iones de calcio que promueven la interacción entre la actina y la miosina, lo que a su vez produce la contracción del sarcómero.

La membrana celular de las fibras musculares se llama membrana sarcoplásmica. Igualmente, el retículo endoplásmico se llama retículo sarcoplásmico.

Troponina y tropomiosina El acoplamiento entre los filamentos de actina y las

cabezitas de miosina es regulado por dos proteínas asociadas a los filamentos de actina.• Tropomiosina bloquea el punto de contacto entre la

actina y la miosina.• Troponina tiene puntos que enlazan iones de calcio.

Troponina y tropomiosina en acción Cuando los iones

de calcio se unen a la troponina, ésta saca del medio a la tropomiosina y expone los puntos donde la actina y la miosina pueden enlazarse.

Se forman los puentes actina-miosina y el sarcómero se contrae.

36.9 Energía para la contracción

Los músculos tienen varias opciones para adquirir ATP. • Usan el poco ATP que almacenan. • Transfieren grupos fosfato de creatina fosfato a

ADP para formar ATP.• Fermentación láctica- produce poco ATP pero al ser

un proceso anaerobio puede usarse en presencia de insuficiente respiración celular.

• Respiración celular- produce la mayor cantidad de ATP. La glucosa se obtiene del glucógeno almacenado en el músculo y de la gluocosa presente en la sangre. También se metabolizan ácidos grasos de las reservas de grasa.

Opciones para producir ATP

36.10 Propiedades del músculo completo

Los músculos son estimulados por neuronas motoras. La unidad motora se compone de una neurona motora y todas las fibras musculares que ella inerva (conecta).

Cundo una unidad motora recibe un estímulo se produce una contracción leve (twitch) seguida por el relajamiento de las fibras musculares.

Propiedades del músculo completo Si la unidad motora se estimula varias veces de corrido

las contracciones se suman y ejercen más fuerza que la contracción simple. Si sigue la estimulación, todas las fibras de la unidad se contraen al máximo y se produce una contracción sostenida llamada tétano.

Unidades motoras y tensión muscular Tensión se refiere a la fuerza

generada por el músculo. Mientras mayor es la estimulación, más unidades motoras se contraen y mayor es la tensión.

La contracción isotónica acorta el músculo y mueve la carga que se la ha aplicado.

Si la carga es excesiva, se producirá una contracción isométrica que aplica tensión pero el músculo no puede acortarse.

Contracción isotónica e isométrica

Fatiga, ejercicio y envejecimiento

Si la contracción sostenida continúa, el músculo eventualmente se fatiga debido a la acumulación de ácido láctico y no puede generar más fuerza. • Los ejercicios aeróbicos desarrollan mayor

resistencia a la fatiga porque aumentan el riego sanguíneo al músculo y el número de mitocondrios.

• El ejercicio intenso (e.g., con pesas) aumenta la masa muscular porque aumenta la cantidad de actina y miosina. Sin embargo, no se añaden más fibras musculares porque todas las fibras se forman antes del nacimiento.

• El número y tamaño de las fibras musculares se reduce inevitablemente durante el envejecimiento.

Ejercicio aeróbicoPodemos ejercitarnos aeróbicamente durante mucho tiempo porque los músculos reciben suficiente oxígeno y producimos el ATP por respiración celular.

Ejercicio intensoLa mayoría de los body builders profesionales se inyectan esteroides anabólicos para aumentar la masa muscular.

El uso regular de esteroides anabólicos tiene varias consecuencias negativas, una de ellas es la miniaturización de los testículos. ¿Por qué?

Reducción de músculatura con la edad

Si tienes la suerte de vivir muchos años...

36.11 Trastornos de la contracción muscular- distrofia muscular Duchenne

Una serie de trastornos pueden afectar el sistema muscular.

La distrofia muscular Duchenne es causada por un elelo recesivo ligado al sexo que afecta la síntesis de distrofina, una proteína presente en las fibras musculares. Los niños afectados (casi siempre varones) mueren antes de los 30 años.

Distrofia muscular miotónica

Este es el tipo más común de distrofia muscular. A diferencia de la Duchenne, que comienza en la niñez, la distrofia miotónica puede comenzar a cualquier edad.

La enfermedad es causada por un gen autosómico dominante.

Distrofia muscular

A la izquierda, fibras musculares normales. A la derecha, fibras de un paciente con distrofia.

Esclerosis miotrófica lateral (ALS)

Esta condición, conocida también como la enfermedad de Lou Gehrig, causa la muerte de neuronas motoras y por lo tanto la parálisis paulatina de los músculos. La persona muere cuando los músculos que ventilan los pulmones dejan de contraerse.

Lou Gehrig anunciando su retiro en el 1939 debido al diagnóstico de ALS.

Stephen Hawking tiene ALS desde el 1963.

Tétano

Contracción sostenida de los músculos causada por la toxina de la bacteria Clostridium tetani. Se ha erradicado de los países desarrollados gracia a una vacuna.

Biodiversidad- Cardisoma guanhumi

Los jueyes viven en el Caribe y el norte de Sudamérica. Habitan en cañaverales, manglares y otros terrenos costeros húmedos. Los machos tienen una palanca mucho más grande que la otra. La hembra migra hasta la orilla del mar a soltar sus huevos y la larva regresa a la orilla cuando se convierte en un cangrejito.