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I Muscoli: Struttura del Muscolo Scheletrico - Dispensa - Biomeccanica, Dispense di Biomeccanica. Politecnico di Torino

Biomeccanica

Materie simili: Bioingegneria
Descrizione: Dispense del corso di Biomeccanica riguardante i Muscoli e la struttura del Muscolo Scheletrico
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Universita: Politecnico di Torino
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marinella nilo - Fondazione Studi Universitari di Vicenza

siete ingamba

21/01/12 14:54
marinella nilo - Fondazione Studi Universitari di Vicenza

siete ingamba

21/01/12 14:54
Microsoft Word - I MUSCOLI.doc

I MUSCOLI Struttura del muscolo scheletrico I muscoli scheletrici sono gli organi che, tenendo insieme e muovendo i segmenti del corpo, permettono il movimento. Il fatto che il corpo è costituito da circa il 50% di muscoli, ci fa capire l'importanza dell'apparato muscolare e del movimento. La contrazione, quindi l'avvicinamento dei capi di inserzione, muove i segmenti del corpo in varie direzioni, tra di loro e rispetto all'ambiente circostante. La forza espressa dai muscoli consente anche di spostare e sollevare carichi esterni.

Costituenti il muscolo scheletrico - Acqua (circa il 75%) - Proteine (circa il 20%). Le più importanti sono la miosina e l'actina - Glicidi (0,5-1,5%). Il più importante è il glicogeno - Grassi neutri, colesterolo e fosfolipidi - Sali minerali (circa il 5%) - Enzimi - Sostanze estrattive azotate (es.: creatina e urea) e sostanze

estrattive non azotate (es.: acido lattico) - Pigmenti (es.: la mioglobina)

La struttura di base per la contrazione è la miofibrilla (o miofibra) la cui lunghezza varia da 10 a 100 micron (1 micron = 1/1000 di mm.). Il diametro di una miofibrilla è di circa 1 micron. Al microscopio la miofibrilla mostra come componente contrattile elementare il sarcomero, costituito a sua volta dalle proteine miosina, actina, tropomiosina e troponina (Figura). La sommatoria dell'azione dei diversi sarcomeri determina la contrazione di tutto il muscolo, quindi l'avvicinamento dei capi estremi di inserzione e, di conseguenza, lo spostamento dei segmenti del corpo sui quali sono inseriti i tendini.

Una fibra muscolare è composta da circa 1000 miofibrille. In successione le fibre si riuniscono prima in fasci primari. Più fasci primari si raggruppano poi in fasci secondari e, infine, in fasci terziari. Il tessuto connettivale che avvolge la miofibra viene denominato sarcolemma. La diramazione di questo tra i fasci prende il nome di perimisio che a sua volta diventa epimisio quando avvolge l'intero muscolo (Figura). Il liquido, che circonda le miofibre e che contiene anche i substrati energetici del muscolo, viene definito sarcoplasma.

Struttura del muscolo

L'apporto al muscolo di ossigeno e sostanze nutritive viene veicolato dal sangue attraverso un elevatissimo numero di capillari arteriosi. Gli stessi capillari, divenuti venosi, con percorso inverso consentono l'eliminazione delle sostanze non più utilizzabili e dell'anidride carbonica. L'aspetto complessivo del muscolo evidenzia una parte centrale, detto ventre, e due apici terminali detti tendini. I tendini, composti da fibre connettivali riunite in fasci circondati da tessuto lasso, si inseriscono tra due o più articolazioni. Un tendine è in grado di sopportare carichi elevatissimi, anche superiori ai 500 kg./cm2 della sua sezione. Comunque, al contrario di quanto si immagina, l'elasticità del tendine è inferiore di quella del muscolo e il suo stiramento non può oltrepassare il 4-5% della sua lunghezza. In alcuni muscoli il tendine presenta una struttura elicoidale (es.: Gran pettorale). Questa ne aumenta l'elasticità e ne consente un più elevato assorbimento della tensione.

Meccanismo di contrazione La contrazione prevede una sequenza di interventi: - dal cervello, cellule dell'area motoria, partono gli impulsi nervosi (fino a circa 50 al

secondo ad una velocità da 12 a 120 metri al secondo) diretti alle corna anteriori del midollo spinale (motoneuroni alfa). Questi proseguono poi fino alla placca motrice che è posta a contatto delle fibre muscolari interessate (Figura).

In relazione alle caratteristiche motorie a cui sono deputati i muscoli, movimenti fini e delicati (es.: mani) oppure movimenti di locomozione, una placca motrice può contrarre un ridotto numero di fibre (da 5 a 10) oppure molte fibre contemporaneamente (fino a 150 e oltre);

- all'arrivo dello stimolo nervoso la placca motrice libera acetilcolina. Quindi l'impulso

da nervoso si trasforma in biochimico e l'acetilcolina va a fissarsi su specifici recettori posti sulla membrana della fibra muscolare e la depolarizza (ne annulla il potenziale elettrochimico);

- una volta depolarizzata, la membrana cellulare può essere attraversata dagli ioni sodio che penetrano dentro di essa mentre fuoriescono gli ioni potassio. Questo porta ad una inversione di polarità elettrica, ora la fibra è elettropositiva all'interno ed elettronegativa all'esterno.

Il potenziale di azione che si è creato è maggiore del potenziale di soglia (limite necessario per agire) di eccitazione della fibra muscolare. Pertanto si propaga dalla fibra nervosa a quella muscolare. Il potenziale di azione depolarizza i tubuli trasversi del reticolo sarcoplasmatico che sono indotti a liberare ioni calcio. Il legame tra ioni calcio, troponina e tropomiosina, fa si che miosina e actina interagiscano scorrendo l'una dentro l'altra, ovvero contraendo il muscolo. In sostanza gli ioni calcio interrompono momentaneamente il meccanismo di decontrazione muscolare per cui alla miosina viene impedito di agire sull'actina per mezzo dell'ATP (Adenosin-trifosfato);

- Il meccanismo inverso, di decontrazione, avviene per distruzione dell'acetilcolina da parte dell'acetilcolinesterasi.

La contrazione, anche di intensità massima, non vede mai impegnate tutte le miofibrille presenti in un muscolo. Ogni miofibrilla è programmata per reagire solo ad una determinata intensità di stimolo (soglia di stimolo). Se lo stimolo è più basso del limite di soglia la miofibrilla non reagisce. Solo con uno stimolo uguale o superiore al limite di soglia la fibra si contrae (legge del tutto o nulla). Per ogni miofibrilla, l'intensità e la rapidità della contrazione sono sempre le stesse, indipendentemente dall'entità dello stimolo.

Caratteristiche del muscolo e delle fibre muscolari In relazione alla disposizione delle fibre e alla modalità di inserzione dei tendini, i muscoli del corpo presentano delle diverse conformazioni (Figura).

La velocità e la forza con le quali può esprimersi un muscolo dipendono molto dalla direzione delle fibre rispetto all'asse longitudinale ai punti estremi di inserzione (Figura): - fibre parallele all'asse longitudinale dei tendini permettono un movimento rapido e di grande

ampiezza; - fibre oblique rispetto all'asse longitudinale dei tendini producono una notevole forza di

contrazione ma un movimento poco veloce e di modesta ampiezza. La grande quantità di forza è possibile in quanto presentano una sezione trasversa maggiore rispetto alla sezione longitudinale (la forza è anche in diretto rapporto alla sezione trasversa del muscolo).

La forza di contrazione dipende anche dalla posizione di partenza del muscolo rispetto alla lunghezza di riposo (Figura). Una posizione di partenza del segmento corporeo che vede il muscolo accorciato, quindi con i capi estremi di inserzione ravvicinati, esprime meno forza. Al contrario, un muscolo che parte dalla posizione di riposo e oltre esprime più forza.

Inoltre i muscoli possono essere inseriti a cavallo di una o più articolazioni (Figura): - muscoli monoarticolari: le inserzioni tendinee estreme uniscono due segmenti ossei articolati

tra di loro. Il movimento può avvenire solo su un'articolazione. - muscoli biarticolari: le inserzioni tendinee estreme uniscono tre segmenti ossei articolati in

sequenza tra di loro. Il movimento può avvenire utilizzando due articolazioni (es.: Retto anteriore del Quadricipite femorale che flette la coscia ed estende la gamba);

- muscoli pluriarticolari: le inserzioni tendinee uniscono e muovono più segmenti ossei (es.: Sacrospinale che estende e inclina lateralmente la colonna vertebrale articolando tra loro più vertebre).

Esempio di muscoli con inserzioni mono, bi e pluriarticolari Grande

dduttore

Retto anteriore del

Quadricipitefemorale

Sacrospinale

Una tipica caratteristica del muscolo è il tono che può definirsi lo stato di tensione permanente anche quando il muscolo è a riposo. Oltre che dalla viscosità e dalla elasticità della fibra, il tono muscolare è mantenuto e modulato da uno stimolo riflesso che parte dai fusi neuromuscolari. Le unità motorie del muscolo sono fondamentalmente di due tipi (Figura): - Unità motorie lente: dette anche fibre rosse o ST o di tipo I. - Unità motorie rapide: o fibre bianche o FT o di tipo II. Le fibre a contrazione rapida si suddividono a loro volta in: - fibre del tipo II A (o FTa); - fibre del tipo II B (o FTb).

Caratteristiche delle fibre del muscolo scheletrico umano (C. Bosco: “La forza muscolare. Aspetti fisiologici ed applicazioni pratiche” - Società Stampa Sportiva 1997)

CARATTERISTICHE DELLE FIBRE ST FTa FTb Velocità conduzione nervosa (m x sec -1) Frequenza di stimolo nervoso (Hz) Lunghezza delle fibre Lunghezza dei sarcomeri N° delle miofibrille per fibra N° di fibre costituenti l'unità motoria Tempo di contrazione della fibra (ms)

60-80 5-30

+ + +

+++ 100-150

80-100 60-70 ++

+++ ++ ++

50-60

80-130 60-80 +++ +++ +++

+ 40-80

Percentuale di fibre lente e veloci presente nei muscoli scheletrici dell’uomo (*)

(da Pierrynowski e Morrison integrata con Johnson e coll.) (C. Bosco: “La forza muscolare. Aspetti fisiologici ed applicazioni pratiche” - Società Stampa Sportiva 1997)

MUSCOLO %ST %FTa %FTb Addutttore breve Grande adduttore Grande gluteo Ileo psoas Pettineo Psoas Gracile Semimembranoso Tensore della fascia lata Vasto intermedio Quadr. F. Vasto mediale Quadr. F. Soleo Gran dorsale Bicipite brachiale Deltoide Romboide

45 55 50 50 45 50 55 50 70 50 50 75 50 50 60 45

25 15 20 -- 15 20 15 15 10 15 15 15 -- -- -- --

40 30 30 50 40 30 30 35 20 35 35 10 50 50 40 55

Trapezio Adduttore lungo Gemelli Gluteo medio/piccolo Otturatore esterno/interno Piriforme Bicipite femorale Sartorio Semitendinoso Popliteo Vasto laterale Retto femorale Q.F. Tibiale anteriore Retto addome Brachioradiale Gran Pettorale Tricipite brachiale Sopraspinato

54 65 50 50 50 50 65 50 50 50 45 45 70 46 40 42 33 60

-- 15 20 20 20 15 21 10 20 15 15 20 15 10 -- -- -- --

46 40 30 30 30 30 25 30 35 35 35 40 20 54 60 58 67 40

(*) ST = fibre lente; FTa = fibre veloci con alto potenziale metabolico ossidativo e glicolitico; FTb = fibre veloci con alto potenziale prevalentemente glicolitico

Percentuale di fibre lente (muscoli delle gambe) rilevate in atleti impegnati in differenti discipline sportive

(C. Bosco: “La forza muscolare. Aspetti fisiologici ed applicazioni pratiche” - Società Stampa Sportiva 1997) DISCIPLINA % DI

FIBRE LENTE

AUTORI

Atletica - 100 - 200 m. - 400 m. - 800 - 1500 - 5000 m. - maratona - marciatori - lanciatori - saltatori Sci - fondo - slalom - salto dal trampolino Hockey su ghiaccio Pattinaggio su ghiaccio Ciclisti su strada Canoa Nuoto Orientamento Sci acquatico Lotta Sollevamento pesi Body building Pallamano Pallavolo Hockey su prato Calcio Sportivi non competitivi

35 - 40 40 - 50 55 - 60 65 - 80 65 - 70 50 - 55 50 - 55

65 - 85 50 - 55 50 - 55 45 - 60 65 - 70 55 - 60 55 - 60 50 - 60 65 - 70 50 - 55 50 - 55 40 - 45 40 - 45 45 - 55 45 - 55 45 - 50 40 - 45 40 - 60

Bosco. 1985; Tihanyi, 1985. Bosco. 1985; Tihanyi, 1985. Bosco. 1985; Tihanyi, 1985. Bosco. 1985; Komi e coll., 1977. Bosco. 1985. Bosco. 1985. Bosco. 1985; Tihanyi, 1985. Komi e coll., 1977; Tesch e coll., 1975. Komi e coll., 1977. Komi e coll., 1977. Komi e coll., 1977. Komi e coll., 1977. Burke e coll., 1977. Komi e coll., 1977; Gollnick e coll., 1972. Lundin, 1974; Gollnick e coll., 1972 Thorxstensson e coll., 1977; Gollnick e coll., 1972. Tesch e coll., 1975. Tesch e coll., 1982. Tesch e coll., 1975. Hakkinen e coll., 1984. Tesch e coll., 1982. Lavoro non pubbl. Univ. Jyvaskyla. Prince e coll., 1977. Jacobs, 1982; Apor, 1988. Carlsson e coll., 1975.

In base alla principale funzione svolta i muscoli possono essere suddivisi in (Tabella): - muscoli fasici (deputati al movimento); - muscoli tonici (antigravitari o posturali).

Caratteristiche anatomiche e funzionali dei muscoli tonici e fasici (Stockmeyer 1970, integrata da Spring et al. 1986).

MUSCOLI DEL GRUPPO TONICO MUSCOLI DEL GRUPPO FASICO - Hanno funzione di sostegno - Si affaticano tardivamente - Contengono più fibre muscolari rosse (lente) - Si contraggono più lentamente - Reagiscono al carico errato con accorciamento

e con peggioramento funzionale

- Hanno funzione di movimento - Si affaticano precocemente - Contengono più fibre muscolari bianche

(rapide) - Si contraggono più rapidamente - Reagiscono al carico errato con indebolimento

- Hanno fibre muscolari più corte e sono per lo più penniformi

- Sono localizzati più profondamente e più medialmente

- Generalmente appartengono al gruppo degli estensori le cui funzioni comprendono anche l’abduzione e la rotazione esterna

- Sono più forti di circa 1/3 - Esprimono la massima potenza a velocità di

contrazione moderata - Se inattivi divengono più lentamente deboli - Tendono ad accorciarsi a causa della continua

tensione a cui sono sottoposti

con peggioramento funzionale - Hanno fibre muscolari più lunghe e sono per

lo più fusiformi - Sono localizzati più superficialmente e più

lateralmente - Generalmente appartengono al gruppo dei

flessori le cui funzioni comprendono anche l'adduzione e la rotazione mediale

- Sono più deboli - Esprimono la massima potenza a velocità di

contrazione elevata - Se inattivi divengono più rapidamente deboli - Tendono ad allungarsi con l’inattività

Muscoli tendenti all'accorciamento e all'indebolimento

(secondo Janda 1976; Berthold et al. 1981; Weber et al.; Spring et al. 1986) MUSCOLI TENDENTI

ALL'ACCORCIAMENTO MUSCOLI TENDENTI ALL'INDEBOLIMENTO

Circuito funzionale cingolo scapolare, arti superiori, tratto cervicale - Grande e Piccolo pettorale - Trapezio (fasci discendenti) - Elevatore della scapola - Tricipite brachiale (Capo lungo)

- Grande e Piccolo romboide - Trapezio (fasci ascendenti e fasci

trasversali) - Gran dentato

Circuito funzionale tronco - Sacrospinale (porzione cervicale e lombare) - Quadrato dei lombi

- Sacrospinale (porzione dorsale) - Retto e Obliqui dell'addome

Circuito funzionale anca, lombi, regione del bacino, arti inferiori - Psoas iliaco - Piriforme - Lungo, Breve e Grande adduttore, Gracile - Tensore della fascia lata - Quadricipite femorale (Retto anteriore) - Semitendinoso, Semimembranoso e Bicipite

femorale (Capo lungo) - Tricipite surale

- Grande, Medio e Piccolo gluteo - Quadricipite (Vasto mediale e laterale) - Tibiale anteriore - Peronieri

Alcune proprietà delle fibre muscolari

Eccitabilità Capacità del tessuto muscolare di rispondere alla stimolazione

Contrattilità Capacità di produrre tensione (trazione) tra le due estremità Rilasciamento Opposto della tensione Elasticità Capacità, una volta stirato, di riprendere la sua lunghezza

ottimale

Per tenersi costantemente informto sull'entità delle tensioni muscolari, sulla posizione dei segmenti del corpo rispetto agli altri e sulla direzione e posizione del corpo rispetto all'ambiente esterno, l'apparato locomotore possiede dei propriocettori generali (Tabella) che sono organi di senso stimolati dai movimenti delle fibre e delle articolazioni (Figura). Questi propriocettori sono anche dei sistemi posti a difesa dell'integrità della struttura muscolo-tendinea e articolare. La loro stimolazione trasmette gli stimoli al cervello permettendo la reazione dei meccanismi riflessi che regolano, oltre al movimento, anche la postura ed il tono muscolare. I più importanti propriocettori sono: - I fusi neuromuscolari, avvolti dalle fibre muscolari e posti in parallelo con esse, informano

sui cambiamenti di tensione del muscolo, con particolare riferimento alla velocità e ampiezza. Se il muscolo viene allungato repentinamente generano dei segnali, di intensità crescente col

crescere della tensione, ai quali il muscolo risponde con una contrazione (riflesso miotatico fasico o riflesso da stiramento) (Tabella) mentre il suo antagonista si rilascia (fenomeno della inibizione reciproca). Questo permette di evitare un ulteriore pericoloso allungamento.

- Gli organi tendinei del Golgi, posizionati in serie nella struttura tendinea del muscolo, danno informazioni sull'eventuale eccesso di tensione dovuto allo stiramento o alla contrazione muscolare. Producono una inibizione della contrazione e conseguente rilasciamento del muscolo (riflesso inverso da stiramento o innervazione reciproca) (Tabella). La loro risposta non è immediata ma solo dopo circa 6 secondi dall’inizio dello stiramento.

- I recettori di Pacini ed i corpuscoli di Ruffini, situati nelle capsule articolari, informano sull'ampiezza, velocità e senso del movimento.

I propriocettori

Propriocettori: recettori sensibili agli stimoli prodotti dai mutamenti ambientali. Più precisamente vengono suddivisi in: - esterocettori, localizzati sulla superficie del corpo o in prossimità di essa; - enterocettori, localizzati all’interno del corpo; - propriocettori, localizzati nella struttura muscolo-tendinea e nelle articolazioni. Riflesso miotatico fasico: un esempio tipico è dato dal brusco stiramento del muscolo che si ottiene percuotendo con un martelletto il tendine rotuleo del quadricipite femorale. Questo stimola i fusi neuromuscolari che producono l’attivazione, in via riflessa, dei motoneuroni spinali (cellule responsabili della conduzione dell’impulso nervoso tra il sistema nervoso ed il muscolo. Comandano la contrazione e la regolazione del tono muscolare) che fanno contrarre il muscolo che si oppone così allo stiramento passivo. Riflesso inverso da stiramento: si attiva durante la contrazione o lo stiramento eccessivo di un muscolo, stiramento che stimola gli organi tendinei del Golgi che, allo scopo di proteggere il muscolo da lesioni, inibiscono il neurone spinale con conseguente rilasciamento del muscolo stesso.

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