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Simulación de ordenador: Fisiología del músculo esquelético ( Skeletal Muscle
Physiology).
Siga las instrucciones:
- Ir al apartado "Prácticas de Fisiología I"
- Ir al enlace Prácticas de Fisiología-11, aparece la pantalla de
physio-EX
- Pulsar en el comando ►ENTER
Aparece el menú, elija el ejercicio 2. Skeletal Muscle Physiology.
Pulse sobre GO
Aparecerá la pantalla:
Debe completar todas las simulaciones enmarcadas en el recuadro rojo. Siguiendo
las instrucciones siguientes:
Fisiología del músculo esquelético.
Objetivos
- Definir unidad motora, contracción única, periodo de latencia, fase de contracción, fase de relajación, sumación, tétanos, fatiga, contracción isométrica y contracción isotónica.
- Entender cómo los impulsos neviosos producen el movimiento del músculo.
- Describir las fases de una contracción muscular.
- Identificar los estímulos umbral y máximo.
- Entender el efecto de aumentar la intensidad del estímulo en un músculo.
- Entender el efecto de aumentar la frecuencia del estímulo en el músculo.
- Demostrar la fatiga del músculo.
- Explicar las diferencias entre contracciones musculares isométrica e isotónica. Los humanos toman decisiones voluntarias para hablar, caminar, mantenerse de pie o sentarse. Los músculos que hacen posibles esas decisiones son los músculos esqueléticos. El músculo esquelético generalmente es músculo que está unido al esqueleto del cuerpo, aunque hay algunas excepciones –por ejemplo, el músculo orbicular de la boca, localizado alrededor de la boca, no se une a ningún elemento del esqueleto. Los músculos esqueléticos normalmente saltan dos articulaciones y se unen al esqueleto mediante tendones que los conectan al periostio del hueso.
La Unidad Motora y la Contracción del Músculo
Una unidad motora consiste de una neurona motora y todas las fibras musculares que inerva. Las neuronas motoras indican a los músculos cuando y cuando no contraerse. Una neurona motora y una célula muscular contactan en la unión neuromuscular. Específicamente, la unión neuromuscular es donde la terminal axónica de la neurona se encuentra con una región especializada de la membrana plasmática de la célula muscular. Esta región especializada se denomina la placa motora termina l. Un potencial de acción en una neurona motora produce la liberación de acetilcolina, que difunde a la membrana plasmática muscular (también llamada sarcolema). La acetilcolina se une a receptores en la célula muscular, iniciando un cambio en la permeabilidad iónica que produce despolarización de la membrana plasmática muscular, llamado potencial de placa terminal. El potencial de placa terminal, a su vez, desencadena una serie de acontecimientos que produce la contracción de una célula muscular. Todo este proceso se denomina acoplamiento excitación-contracción. Simularemos este proceso en las actividades siguientes, solo que en vez de utilizar acetilcolina para producir potenciales de acción, usaremos estímulos eléctricos. Los estímulos se aplicarán con un estimulador que puede ajustarse a un voltaje preciso, la frecuencia y duración del estímulo deseados. Cuando se aplica a un músculo, que ha sido retirado quirúrgicamente de un animal, un estímulo eléctrico único dará lugar a una contracción muscular –la respuesta mecánica a un único potencial de acción. Una contracción única tiene tres fases; el periodo de latencia ( latent period ) , que es el periodo de tiempo entre la generación de un potencial de acción en una célula muscular y el comienzo de la contracción muscular; la fase de contracción ( contraction phase ) , que comienza al final del periodo de latencia y termina cuando alcanza el máximo la tensión muscular ( maximum tension developmen t); y la fase de relajación ( relaxation phase ) , que es el periodo de tiempo desde el máximo de tensión hasta el final de la contracción muscular (Figura 2.1b).
Estímulo único
Identificando el periodo de latencia
Recuerde que el periodo de latencia es el periodo de tiempo entre la generación de un potencial de acción en una célula muscular y el comienzo de la contracción muscular.
- Fije el Voltaje ( Voltage ) a 6.0 voltios pulsando el botón (+) en la unidad del estimulador hasta que la pantalla de voltaje muestre 6.0.
- Presione Estimular ( Stimulate ) y observe el trazo que se produce. Note que el trazado comienza en el lado izquierdo de la pantalla y permanece plano durante un periodo corto de tiempo. Recuerde que el eje X indica el tiempo transcurrido.
- Pulse en el botón Medir ( Measure ) en el estimulador. Note que aparece una línea amarilla vertical fina en el lado izquierdo de la pantalla del osciloscopio.
- Pulse en el botón (>) debajo de Tiempo (ms) ( Time, msec ). Verá la línea amarilla vertical que comienza a moverse a través de la pantalla. Fíjese en lo que ocurre en el indicador de tiempo a medida que la línea se mueve a través de la pantalla. Siga pulsando el botón (>) hasta que la línea amarilla alcance el punto en el trazado donde la gráfica para de ser una línea plana y comienza a elevarse (este es el punto en el que comienza la contracción muscular). Si la línea amarilla se mueve más allá del punto deseado, puede usar el botón (<) para moverla hacia atrás. ¿Cuánto dura el periodo de latencia? __ 2,22 ___ ms. Nota: Si desea imprimir su gráfica, pulse Herramientas ( Tools ) en la barra del menú y luego Imprimir gráfica ( Print Graph ).
- Aumente o disminuya el voltaje del estímulo y repita el experimento. (Recuerde que puede borrar los trazados en la pantalla en cualquier momento pulsando Borrar Trazados ( Clear Tracings ). Registre sus datos aquí: Voltaje del estímulo: ___ 5.0 ___ V Periodo de latencia: ___ 2,22 ___ ms Voltaje del estímulo: ___ 4.0 ___ V Periodo de latencia: ___ 2,22 ___ ms Voltaje del estímulo: ___ 3.0 ___ V Periodo de latencia: ____ 2,22 __ ms ¿Cambia el periodo de latencia con diferentes voltajes del estímulo? No. Después de completar este experimento, pulse Borrar Trazados ( Clear Tracings ) para limpiar la pantalla del osciloscopio de todos los trazados.
ACTIVIDAD 2
Identificar el voltaje umbral
Por definición, el umbral es el estímulo mínimo necesario para causar una despolarización de la membrana plasmática muscular (sarcolema). El umbral es el punto en el que los iones sodio comienzan a moverse hacia el interior de la célula (en vez de hacia afuera de la célula) para desencadenar la fase de despolarización en la membrana.
- Fije el Voltaje en el estimulador a 0.0 voltios.
- Pulse Estimular (Stimulate). ¿Qué ve en la pantalla Fuerza Activa (Active Force)? No se produce fuerza activa.
- Pulse Registro de Datos (Record Data).
- Aumente el voltaje a 0.1 voltios, luego pulse Estimular (Stimulate). Observe la pantalla del osciloscopio y la de Fuerza Activa (Active Force) (en el lado derecho del estimulador).
- Pulse Registro de Datos (Record Data).
- Repita los pasos 4 y 5 hasta que vea un número que es mayor que 0.00 aparecer en la pantalla de Fuerza Activa.
- Imprima la(s) gráfica(s) que ve en la pantalla del osciloscopio pulsando en Herramientas (Tools) en la parte alta de la pantalla y luego seleccionando Imprimir Gráficas (Print Graph). ¿Cuál es el voltaje umbral? __ 0.8 ___ V ¿Cómo difiere la gráfica generada por el voltaje umbral respecto de las gráficas generadas a voltajes por debajo del umbral? Se produce una ligera elevación en la gráfica entre 10- ms
ACTIVIDAD 3
Efecto de los Aumentos en la Intensidad del Estímulo
En esta actividad examinaremos cómo los aumentos adicionales en la intensidad del estímulo (los aumentos adicionales en el voltaje) afectan la respuesta muscular.
- Fije el voltaje a 0.5 voltios y pulse Estimular. Luego pulse Registro de Datos.
- Continúe aumentando el voltaje en 0.5 voltios y pulsando Estimular hasta que alcance los 10. voltios. Observe la pantalla de Fuerza Activa y pulse Registro de Datos después de cada estimulación. Deje todos sus trazados en la pantalla de forma que pueda compararlos entre sí. Si lo desea, puede pulsar en Herramientas y luego Imprimir Gráfica para imprimir sus trazados.
- Observe sus trazados. ¿Cómo afectaron los aumentos del voltaje los picos de los trazados? Los picos de los trazados alcanzan cada vez un máximo más alto, aumenta la Fuerza Activa. Si bien es cierto que a medida que se alcanzan los 8,5 V vemos como la fuerza activa se mantiene constante en 1,82 mgs ¿Cómo afectó el aumento en el voltaje a la cantidad de fuerza activa generada por el músculo? Produce un aumento de la fuerza activa de forma progresiva hasta que se alcanza un valor máximo de 1,82 mgs que se mantiene constante a partir de los 8,5 V. ¿Cuál es el voltaje por encima del cual no hay más aumento en la fuerza activa? Voltaje máximo: __ 8,5 __ V ¿Porqué hay un voltaje máximo? Porque el potencial de acción muscular genera la contracción máxima a nivel de todas las fibras musculares que componen el músculo. ¿Qué ha ocurrido al músculo a este voltaje? El músculo no ha sido capaz de superar su fuerza activa máxima, es decir, su 100% de contracción. Tenga presente que el músculo con el que trabaja consiste de muchas fibras musculares individuales. Una fibra muscular individual sigue el principio de todo-o-nada, se contrae al 100% o nada en absoluto. ¿El músculo con en que trabaja sigue el principio de todo-o-nada? No. ¿Por qué o por qué no? Porque como observamos a valores inferiores de 8,5 V, el músculo se contrae con una fuerza activa inferior a su máxima posible, es decir, inferior al 100%.
- Si lo desea, puede ver un resumen de sus datos representados en una gráfica pulsando en Herramientas (Tools) y luego Plot Data.
- Pulse Herramientas → Imprimir datos para imprimir sus resultados.
Estímulo múltiple
Pulse en Experimento ( Experiment ) en la parte alta de la pantalla y luego seleccione Estímulo Múltiple ( Multiple Stimulus ). Verá una pantalla ligeramente diferente (Figura 2.2). El principal cambio es un botón Estímulo Múltiple ( Multiple Stimulus ) que se ha añadido al estimulador eléctrico. Este botón le permite poner en marcha y detener el estimulador según lo desee.
- Pulse en el botón Single Stimulus una vez. Vea el trazado que se eleva y comienza a descender. Antes de que baje completamente, pulse Single Stimulus de nuevo (Puede simplemente pulsar Single Stimulus dos veces en rápida sucesión para lograr esto). ¿Cuál es la fuerza activa de la contracción? __ 3,26 __ g (gramos, gms en la pantalla)
- Pulse en el botón Single Stimulus y permita al trazado elevarse y descender completamente antes de pulsar Single Stimulus de nuevo. ¿Hubo algún cambio en la fuerza generada por el músculo? La fuerza activa ha aumentado hasta 2, gms.
- Pulse en el botón Single Stimulus y permita al trazado elevarse, pero no caer, antes de pulsar Single Stimulus de nuevo. ¿Hubo algún cambio en la fuerza generada por el músculo? Se ha producido un descenso de la fuerza activa al reducir el tiempo entre dos estimulaciones simples consecutivas. ¿Por qué ha cambiado la fuerza? Porque se deja más margen para que tenga lugar una contracción tras la otra. Al haber un menor margen de tiempo , las contracciones se superponen pues no se produce la relajación del músculo, disminuyendo pues, la fuerza activa.
- Disminuya el voltaje del estimulador y repita la actividad. ¿Ve el mismo patrón de cambios en la fuerza generada? Un patrón similar.
- Estimule el músculo tan rápido como pueda (esto es, pulse Single Stimulus varias veces en rápida sucesión). ¿Cambia la fuerza generada con cada estímulo adicional? Sí. Si lo hace, ¿cómo?. Con cada estímulo adicional aumenta.
ACTIVIDAD 6
Tétanos
En la actividad previa observó que si los estímulos se aplican a un músculo frecuentemente en rápida sucesión, el músculo genera más fuerza con cada estímulo sucesivo. Sin embargo, si los estímulos continúan siendo aplicados a un músculo durante un prolongado periodo de tiempo, la fuerza del músculo finalmente alcanzará una meseta – un estado conocido como tétanos. Si los estímulos se aplican a aún mayor frecuencia, las contracciones empezarán a fusionarse de forma que los picos y valles de cada contracción se vuelven indistinguibles unos de otros – este estado se conoce como tétanos completo (fusionado). La frecuencia del estímulo a la que no se generan nuevos aumentos de fuerza por el músculo es la tensión (fuerza) tetánica máxima.
- Haga clic en Clear Tracings para borrar los trazados existentes en la pantalla del osciloscopio.
- Debajo del botón Multiple Stimulus , ajuste la pantalla Estímulos/s ( Stimuli/sec ), ubicada debajo del botón Multiple Stimulus , a 50 haciendo clic en el botón (+).
- Ajuste el voltaje a la tensión máxima que estableció en la Actividad 3.
- Haga clic en Multiple Stimulus y observe el trazado a medida que se mueve a través de la pantalla. Notará que el botón Multiple Stimulus cambia a un botón Stop Stimulus tan pronto como lo ha pulsado. Después de que el trazado se haya movido a través de toda la pantalla y comienza a moverse a través de la pantalla una segunda vez, haga clic en el botón Stop Stimulus. ¿Qué empieza a suceder a alrededor de los 80 msec (ms)? Los estímulos continúan siendo aplicados al músculo y la fuerza alcanza una meseta en 5 mgs. ¿Cómo se llama lo que ocurre? Tétanos.
- Deje el trazado en la pantalla. Aumente el ajuste de los estímulos por segundo ( Stimuli/sec ) a 130 haciendo clic en el botón (+). A continuación, haga clic en Estímulos Múltiples (Multiple Stimulus) y observe el trazado. Después que el trazado se haya desplazado a través de toda la pantalla y comienza a moverse a través de la pantalla una segunda vez, haga clic en Detener Estímulo (Stop Stimulus).
¿Cómo es el trazado a 130 estímulos/s comparado con el obtenido a 50 estímulos/s? Tiene una pendiente mayor y alcanza una fuerza de casi 6mgs a los 80 ms ¿Cómo se denomina lo que ocurre? Tétanos completo.
- Haga clic en Borrar Trazados (Clear Tracings) para borrar la pantalla del osciloscopio.
- Aumente el ajuste Stimuli/sec a 145 pulsando en el botón (+). A continuación, haga clic en Múltiples Estímulos y observe el trazado. Haga clic en Detener Estímulo (Stop Stimulus) después de que el trazado haya recorrido la pantalla por completo. A continuación, haga clic en Guardar Datos.
- Repita el paso 7, aumentando el ajuste de Estímulos/s en 1 cada vez hasta que llegue a 150 estímulos por segundo (Es decir, ajuste Stimuli/sec a 146, luego 147, 148, etc.) Asegúrese de Guardar Datos (pulsar Record Data ) datos después de cada uno.
- Examine sus datos. ¿A qué frecuencia de estímulo no hay más aumento en la fuerza? A partir de 146 stimulaciones/s la fuerza no aumenta de 5.95 mgs. ¿Cómo se denomina esta frecuencia de estímulo? Tensión tetánica máxima.
- Si quiere revisar sus datos, haga click en Tools y luego en Plot Data.
- Haga click en Clear Tracings para limpiar la pantalla del osciloscopio. Si desea imprimir sus datos, pulse en Tools y luego Print Data.
ACTIVIDAD 7.
Fatiga
La fatiga es una disminución en la capacidad de un músculo para mantener una fuerza constante de contracción después de una estimulación prolongada y repetitiva. Las causas de la fatiga todavía se están investigando, aunque en el caso del ejercicio de alta intensidad, la acumulación de ácido láctico en los músculos se cree que es un factor que la produce. En el ejercicio de baja intensidad, la fatiga podría deberse a un agotamiento de las reservas de energía.
- Diseñe un experimento que muestre la fatiga en la pantalla de osciloscopio. Sugerencia: Establezca Stimuli/sec por encima de 100. En la fatiga, ¿qué le sucede a la producción de fuerza con el paso del tiempo? Disminuye ya que el músculo es incapazde mantener una fuerza constante después de una estimulación prolongada y repetitiva.
- Imprima sus resultados haciendo clic en Herramientas (Tools) y, a continuación, en Imprimir Gráfica (Print Graph).
- Haga clic en Herramientas → Imprimir datos para imprimir los datos registrados.
Contracciones Isométricas e isotónicas
Las contracciones musculares pueden ser isométricas o isotónicas. Cuando un músculo intenta mover una carga que es mayor que la fuerza generada por el músculo, el músculo se contrae isométricamente. En este tipo de contracción, el músculo permanece en una longitud fija (isométrica significa "misma longitud"). Un ejemplo de contracción muscular isométrica es cuando usted se para en una puerta y empuja el marco de la puerta. La carga que está usted intentando mover (el marco de la puerta) es mayor que la fuerza generada por su músculo, por lo que su músculo no se acorta. Cuando un músculo intenta mover una carga que es igual a o menor que la fuerza generada por el músculo, el músculo se contrae isotónicamente. En este tipo de contracción, el músculo se acorta durante un período de tiempo en el que la fuerza generada por el músculo permanece constante (isotónica significa "misma tensión"). Un ejemplo de contracción isotónica es cuando levanta un libro de una mesa. La carga que está levantando (el libro) es igual o menor que la fuerza generada por su músculo. Su músculo se acorta cuando se contrae, lo que le permite levantar el libro. Primero examinaremos la contracción isométrica. Haga clic en Experimen t en la parte superior de la pantalla y, a continuación, seleccione Contracción Isométrica (Isometric Contraction). Verá la pantalla que se muestra en la Figura 2.3. Observe que ahora hay dos pantallas de osciloscopio. La pantalla a la izquierda es básicamente idéntica a con las que ha trabajado en las actividades anteriores. La pantalla de la derecha es nueva. El eje Y sigue siendo "Fuerza" (Force), pero el eje X ahora es la longitud del músculo.
__ 70 -a- 80 __ mm ¿A qué longitud del músculo la fuerza pasiva comienza a jugar menor papel en la fuerza total generada por el músculo? De 50 a 80 nm es nula.
- Mueva la barra cuadrada azul del eje Y a fuerza pasiva ( Passive Force ). Puede hacer clic en Print Plot en la esquina superior izquierda de la ventana para imprimir la gráfica. Mirando esta gráfica, ¿a qué longitud del músculo la Fuerza Pasiva comienza a jugar un papel en la fuerza total generada por el músculo? ____ 90 ____ mm
- Mueva la barra cuadrada azul del eje Y a Fuerza Total. Puede imprimir la gráfica haciendo clic en Print Plot en la esquina superior izquierda de la ventana.
- Haga clic en Herramientas ( Tools ) → Print Data para los datos. La gráfica muestra una caída en la fuerza a la longitud del músculo de 90 mm. ¿Por qué es esto? Porque el músculo genera una carga menor a la fuerza. ¿Cuál es la variable clave en una contracción isométrica? La longitud del músculo.
ACTIVIDAD 9
Contracciones isotónicas
Recuerde que la contracción isotónica ocurre cuando un músculo genera una fuerza igual o mayor que la carga que se le opone. En este tipo de contracción, hay un período de latencia, seguido de un aumento en la generación de fuerza, seguido de un período de tiempo durante el cual la fuerza producida por el músculo permanece constante (recuerde que isotónico significa "misma tensión"). Durante este período de meseta, el músculo se acorta y es capaz de mover la carga. El músculo no es capaz de acortar antes de la meseta porque todavía no se ha generado suficiente fuerza para mover la carga. Cuando la fuerza generada es igual a la carga, el músculo se acorta. La fuerza generada será constante mientras la carga se mueve. Eventualmente, el músculo se relajará y la carga comenzará a caer. Una contracción isotónica no es un evento todo-o- nada. Si se aumenta la carga, el músculo debe generar más fuerza para moverla. El periodo de latencia también se alarga, ya que tomará más tiempo para que se genere la fuerza necesaria por el músculo. La velocidad de la contracción depende de la carga que se le opone al músculo. La velocidad máxima se logra con una carga mínima. A la inversa, cuanto más pesada sea la carga, más lenta será la contracción muscular. Haga clic en Experiment en la parte superior de la pantalla y seleccione Contracción isotónica (Isotonic Contraction). La pantalla que aparece (Figura 2.4) es similar a la pantalla del experimento Estímulo Único (Single Stimulus) con la que trabajó en las Actividades 1–3. Tenga en cuenta que los campos de Longitud del músculo y Velocidad (Muscle Length and Velocity) se han añadido a la pantalla debajo de la pantalla del osciloscopio, y que el músculo en el lado izquierdo de la pantalla está colgando libremente en su extremo inferior. La gaveta de los pesos debajo del músculo está abierta; dentro hay cuatro pesos, cada uno de los cuales podrá unirse al músculo. Por encima del armario de los pesos hay una plataforma móvil, que puede moverse haciendo clic en los botones (+) o (-) situados debajo de Platform Height.
En este experimento, colgará los pesos al extremo del músculo para observar la contracción isotónica.
- El voltaje debe estar a 8.2 V y la altura de la plataforma ( Platform Height ) a 75 mm. Si no es así, ajústelo a estos valores.
- Haga click en el peso de .5 g (0,5) en el armario de pesas y cuélguelo del extremo del músculo. El peso tirará hacia abajo del músculo y descansará en la plataforma.
- Haga clic en Estimular y observe el trazado. Fíjese en el aumento de la fuerza, seguido de una meseta corta, seguido de una fase de relajación. Fíjese que la Fuerza Activa (el valor en su pantalla) es la misma que el peso que se colgó: .5 gramos. ¿Cuánto tiempo tarda el músculo en generar 0.5 gramos de fuerza? ___ 5.0 ____ ms
- Haga click en Stimulate de nuevo, observando el músculo y la pantalla del osciloscopio al mismo tiempo que mejor pueda. A continuación, haga clic en Guardar Datos. ¿En qué punto del trazado se acorta el músculo? Al principio de aplicar la estimlación. Puede observar a partir del trazado que el músculo va aumentando la fuerza antes de que alcanza la fase de meseta. ¿Por qué no se acorta el músculo antes de la fase de la meseta? Porque no se ha generado suficiente fuerza para mover la carga.
- Retire el peso .5g y coloque el peso de 1.0 g. Deje el trazado anterior en la pantalla.
- Haga click en Estimular y luego en Guardar Datos. ¿Tardó más tiempo el músculo en alcanzar la fuerza necesaria para mover el peso? Sí ¿En qué se diferencia este trazado del que se generó con el peso de .5 g? La meseta se alcanza más tarde y tarda más en llegar a 0 la fuerza.
