Centro de Enseñanza Técnica y Superior

Campus Mexicali

“Huesos, articulaciones y músculos”

Manuel Muñoz Aguirre 20048

Ing. Cibernética Electrónica

Análisis de Sistemas Biológicos y Fisiológicos

Mexicali, B.C. a 23 de agosto de 2010

HUESOS, ARTICULACIONES Y MÚSCULOS

1. Describa de qué manera se forma el hueso y cuál es la estructura que adquiere al final de su formación.

Las células que componen los huesos se denominan osteocitos, y a su alrededor hay una gran cantidad de líquido intercelular, el cual contiene sales minerales de fosfato y carbonato de calcio, que son responsables de la dureza del hueso. Algunas de las funciones del tejido óseo son: servir de sostén a los tejidos suaves y como sitio de fijación de los músculos, proteger los órganos internos, participar en el movimiento, almacenar y liberar minerales, contiene la médula ósea roja que produce células sanguíneas y la médula ósea amarilla que almacena grasas.

El proceso de formación de hueso se denomina osificación u osteogénesis. Existen dos tipos de procesos de osificación, los cuales no producen diferencia en la estructura de los huesos maduros, sino que sólo se trata de distintos procesos de formación ósea:

Osificación intramembranosa: es la formación directa del hueso sobre las membranas de tejido conectivo fibroso que constituyen las células mesenquimatosas condensadas o dentro de dichas membranas. En este caso el hueso se forma directamente a partir del mesénquima, sin pasar primero por una etapa cartilaginosa. Conlleva menos pasos que la osificación endocondrial. Los huesos planos del cráneo y el maxilar se forman de esta manera. Sus pasos son:

I. Las células mesenquimatosas se agrupan en donde se desarrollará el hueso (centro de osificación) y se diferencian en células osteógenas y en osteoblastos. Estos últimos secretan la matriz orgánica del hueso hasta quedar completamente envueltos por ésta.

II. Se interrumpe la secreción y los osteoblastos se convierten en osteocitos. Después de unos días, se depositan sales de calcio y otros minerales, luego la matriz se calcifica.

III. La matriz ósea se transforma en trabéculas, que se fusionan para crear el hueso esponjoso. Entre éstas y el mesénquima crecen vasos sanguíneos.

IV. En el exterior del hueso, el mesénquima se condensa y se transforma en periostio. Luego las capas superficiales esponjosas se convierten en hueso compacto pero conservando el tejido esponjoso en el centro. El hueso recién formado se remodela, proceso que lo transforma lentamente hasta que adquiere su forma y tamaño adulto.

Osificación endocondral: Es la sustitución de cartílago por hueso. La mayoría de los huesos se forman así, pero se aprecia más en los huesos largos.

I. Desarrollo del modelo cartilaginoso: las células mesenquimatosas se agrupan según la forma que tendrá el hueso. Se diferencian en condroblastos (producen matriz cartilaginosa), así el modelo se compone de cartílago hialino. Alrededor de esto se desarrolla una membrana llamada pericondrio.

II. Crecimiento del modelo cartilaginoso: Cuando los condroblastos se ubican en las capas profundas de la matriz cartilaginosa, se les llama condrocitos. Hay crecimiento longitudinal (crecimiento intersticial, o sea desde dentro) por división celular de los condrocitos y se secreta matriz cartilaginosa. Al continuar el crecimiento, los condrocitos se hipertrofian, algunos explotan alterando el pH de la matriz activando la calcificación, otros mueren.

III. Desarrollo del centro de osificación primario: Una arteria nutricia penetra en el pericondrio y en el modelo cartilaginoso en calcificación, lo cual estimula que las células osteógenas del pericondrio se diferencien en osteoblastos. Estas células secretan una lámina de hueso llamada collar de matriz ósea. Cuando el pericondrio empieza a formar tejido óseo, se le conoce como periostio. Luego crece una serie de vasos con osteoblastos, osteoclastos y

células de la médula ósea roja que reciben el nombre de yema perióstica. Los capilares inducen el desarrollo de un centro de osificación primario, región en que el tejido óseo sustituye la mayor parte del cartílago. Luego los osteoblastos depositan matriz ósea sobre los residuos del cartílago calcificado, formando trabéculas del hueso esponjoso. La osificación primaria comienza en la superficie exterior del hueso y avanza hacia el interior.

IV. Desarrollo de los centros de osificación secundarios: La diáfisis, que al principio era una masa sólida de cartílago hialino, es reemplazada por hueso compacto, cuyo centro contiene la cavidad llena de médula ósea roja. Cuando los vasos sanguíneos penetran la epífisis, se forman los centros de osificación secundarios (en el nacimiento). Esta osificación se inicia en el centro de la epífisis y prosigue hacia el exterior, en dirección a la superficie externa del hueso.

V. Formación del cartílago articular y la placa epifisaria: El cartílago hialino que cubre la epífisis se convierte en cartílago articular. En la niñez y adolescencia se conserva cartílago hialino entre la diáfisis y la epífisis (placa epifisaria), y es el que permite el crecimiento longitudinal de los huesos.

Estructura final

Diáfisis: Es el cuerpo o porción cilíndrica principal del hueso.

Epífisis: Son los extremos proximal y distal del hueso.

Metáfisis: Son las regiones de los huesos maduros donde las diáfisis se unen con las epífisis. Durante el crecimiento de los huesos, las metáfisis comprenden la placa epifisaria, el sitio donde el cartílago es reemplazado por tejido óseo. Dicha placa se forma de cartílago hialino, el cual permite que la diáfisis aumente en longitud, pero no en anchura.

Cartílago articular: Constituye una capa delgada de cartílago hialino que cubre la parte de la epífisis donde un hueso se articula con otro. Este cartílago reduce la fricción y absorbe impactos que sufren las articulaciones de movimientos libres.

Periostio: Vaina resistente del tejido conectivo denso e irregular; rodea la superficie ósea que no está cubierta por el cartílago articular. Esta capa contiene las células formadoras de tejido óseo, gracias a las cuales el hueso aumenta su diámetro o grosor, pero no su longitud. Además protege el hueso, participa en la reparación de fracturas y la nutrición ósea. Sirve como punto de inserción para tendones y ligamentos.

Cavidad medular: Corresponde al espacio interno de la diáfisis que contiene la médula ósea amarilla grasa.

Endostio: Membrana que contiene células formadoras de hueso y recubre la cavidad medular.

2. Del sistema esquelético, describa cuál es la clasificación de los huesos y cómo, de acuerdo a su tamaño y su forma, y explique qué es una articulación y cómo se clasifican las mismas ejemplificando los diferentes tipos que existen dentro de nuestro cuerpo.

Clasificación de los huesos

Huesos largos: Tienen mayor longitud que anchura y constan de diáfisis y un número variable de extremos (epífisis). Por lo regular son un tanto curvos, lo cual les confiere mayor resistencia. Los huesos con curva leve absorben el esfuerzo del peso corporal para que se distribuya uniformemente. Todos los huesos largos se forman principalmente con tejido óseo compacto en la diáfisis, aunque contienen cantidades significativas de tejido de hueso esponjoso en las epífisis. Ejemplos: muslo (fémur), pierna (tibia y peroné), brazo (húmero), antebrazo (cúbito y radio) y dedos de las manos y pies (falanges).

Huesos cortos: Son más bien cuboides, con anchura y longitud casi iguales. Se componen de tejido óseo esponjoso, excepto en su superficie, que cuenta con una capa delgada de tejido óseo compacto. Ejemplos: muñeca o carpo, y los del tobillo o tarso.

Huesos planos: Son delgados y están compuestos de dos placas casi paralelas de tejido óseo compacto que envuelven a otra de hueso esponjoso. Los huecos planos brindan protección considerable y tienen áreas extensas para la inserción de músculos. Ejemplos: cráneo, esternón, costillas, omóplatos.

Huesos irregulares: Tienen forma compleja y no se pueden agrupar en ninguna de las categorías precedentes. Es variable su contenido de tejido óseo esponjoso y compacto. Este grupo abarca las vértebras y algunos huesos de la cara.

Huesos sesamoideos: Están en ciertos tendones donde hay tensión, fricción y esfuerzos físicos considerables, como las palmas de las manos y las plantas de los pies. Su número varía de una persona a otra, no siempre están osificados por completo y por lo general miden unos cuantos milímetros de diámetro. Protegen los tendones del uso y desgarro excesivo y cambian la dirección en que ejerce tracción un tendón.

Huesos suturales: Son pequeños huesos ubicados dentro de articulaciones, llamadas suturas, de algunos huesos craneales. Su número varía mucho de una persona a otra.

Clasificación de las articulaciones

Una articulación o artrosis es el área de contacto entre los huesos, entre éstos y el cartílago o entre el tejido óseo y los dientes. Cuando un hueso se une a otro y dicha unión permite que tengan alguna movilidad, se dice que forman una articulación. Gran parte de los movimientos corporales son gracias a ellas. El estudio científico de las articulaciones es la artrología y el de los movimientos del cuerpo se denomina cinesiología. Las articulaciones se pueden clasificar de dos formas: por su conformación y por su funcionalidad.

Por su conformación:

Articulaciones fibrosas: Mantienen unidos los huesos gracias al tejido conectivo fibroso, el cual contiene abundantes fibras de colágena y carece de cavidad sinovial. (Suturas, sindesmosis, gonfosis)

Articulaciones cartilaginosas: Conservan el ensamblaje óseo por medio de un cartílago y no poseen cavidad sinovial. (sincondrosis, sínfisis).

Articulaciones sinoviales: Los huesos que forman este tipo de articulación cuentan con una cavidad sinovial; se mantienen juntos por la acción del tejido conectivo denso irregular de una cápsula articular y con frecuencia por el trabajo de los ligamentos. (planas, en bisagra, en pivote, condíleas, en silla de montar, esféricas).

Por su función:

Sinartrosis: Son articulaciones inmóviles, cuyas superficies articulares están unidas entre sí por tejido fibroso interarticular o por tejido cartilaginoso. En el primer caso se llaman sinfibrosis y en el segundo sincondrosis. (Ej. cuerpo del esfenoides)

Anfiartrosis: También llamadas sínfisis, son articulaciones poco móviles y se las divide en dos grupos: las anfiartrosis verdaderas y las diartoanfiartrosis. (Ej. articulaciones vertebrales)

Diartrosis: Articulación con diversidad de movimientos. Todas las diartrosis son articulaciones sinoviales. Tienen diversas formas y permiten distintos tipos de actividad dinámica. (del carpo y del tarso).

3. Explique qué es el tejido muscular, cuántos tipos de fibras musculares existen y cómo realiza su metabolismo el mismo.

El tejido muscular convierte la energía química en mecánica para generar energía, realizar trabajo y producir movimientos. Además, el tejido muscular estabiliza la posición del cuerpo, regula el volumen de los órganos, genera calor e impulsa líquidos y alimentos a través de los diversos aparatos corporales. Hay tres tipos:

Tejido músculo-esquelético: recibe este nombre porque la mayoría de los músculos consiste en mover los huesos que forman la estructura del hueso. Se les da la denominación de estriado en virtud de que hay bandas oscuras y claras alternadas. Este tejido funciona principalmente de forma voluntaria, dado que se regula de forma consciente, pero también la mayoría de los músculos están sujetos a contracciones involuntarias.

Tejido del músculo cardíaco: sólo se encuentra en el corazón y forma gran parte de su pared. El miocardio también tiene estrías, si bien su movimiento es involuntario. El corazón late porque existe un nódulo sinoauricular que inicia su contracción, a lo que se le denomina autorritmicidad.

Tejido del músculo liso: forma parte de las paredes de órganos internos huecos, como los vasos sanguíneos, vías respiratorias y muchas vísceras de la cavidad abdominopélvica. También existe en la piel, ligado a los folículos pilosos. Casi siempre la acción de este músculo suele ser involuntaria, además de que en algunas partes del cuerpo posee autorritmicidad.

Algunas funciones del tejido muscular son: producción de movimientos corporales, estabilización de la postura, regulación del volumen de órganos, movimientos de sustancias en el cuerpo, producción de calor, etc. Sus propiedades son: excitabilidad eléctrica, contractilidad, extensibilidad, elasticidad.

Hay tres tipos de fibras musculares:

Fibras oxidativas lentas: son las de menor diámetro y fuerza. Su color es rojo oscuro por la cantidad de mioglobina y capilares sanguíneos. Generan ATP principalmente por respiración celular aeróbica. Se dice que son lentas porque la ATPasa de las cabezas de miosina hidroliza el ATP con lentitud relativa y el ciclo de contracción tiene ritmo más lento que en las fibras rápidas. Por lo tanto en estas fibras las contracciones son de baja velocidad (100 a 200 ms). Son muy resistentes a la fatiga y es posible su contracción sostenida o prolongada durante muchas horas. Están adaptadas para mantener la postura y para actividades aeróbicas de resistencia, como correr el maratón.

Fibras oxidativas-glucolíticas rápidas: poseen diámetro intermedio respecto de los otros dos tipos de fibras. Contienen grandes cantidades de mioglobina y muchos otros capilares sanguíneos, por lo que su color también es rojo oscuro. Pueden generar cantidades considerables de ATP por respiración celular aeróbica, lo cual les confiere resistencia moderadamente alta a la fatiga. Debido a su nivel intracelular de glucógeno es alto, también sintetizan ATP por glucólisis anaeróbica. Son rápidas porque la ATPasa de sus cabezas de miosina hidroliza el ATP con velocidad tres a cinco veces mayor que en las fibras oxidativas lentas, haciendo que la contracción sea más rápida. Su duración es de 100 ms.

Fibras glucolíticas rápidas: son las de mayor diámetro y número de miofibrillas, por lo que pueden generar las contracciones de mayor fuerza. Su contenido de mioglobina es bajo, posee pocos capilares sanguíneos y mitocondrias, su color es blanco. Contienen grandes cantidades de glucógeno y generan ATP principalmente por glucólisis. Se contraen con fuerza y prontitud. Están adaptadas para actividades anaeróbicas intensas de breve duración, como el levantamiento de pesas o el lanzamiento de una pelota.

Metabolismo muscular

La contracción de los músculos requiere cantidades enormes de ATP como fuente de energía para efectuar el ciclo de contracción, bombear Ca2+ al retículo sarcoplásmico para la relajación muscular y llevar a cabo otras reacciones. Cuando se debe hacer actividad física más intensa, es imperativo que se sintetice ATP adicional por medio de tres formas diferentes: creatinfosfato (exclusiva de fibras musculares), respiración celular anaeróbica y respiración celular aeróbica (en todas las células corporales).

Creatinfosfato: las fibras musculares en reposo producen más ATP. Una parte del ATP excedente se utiliza en la síntesis de creatinfosfato, molécula de alto contenido de energía presente sólo en las fibras musculares. La enzima creatincinasa (CK) cataliza la transferencia de uno de los grupos fosfato de alta energía del ATP a la creatina, con lo que se forman creatinfosfato y ADP. En

el sarcoma, existe de tres a seis veces más creatinfosfato en relación con el ATP. Cuando se inicia la contracción y empiezan a aumentar los valores de ADP, la CK cataliza la transferencia de grupos fosfato de alta energía del creatinfosfato al ADP. Esta reacción de fosforilación directa forma

rápidamente nuevas moléculas de ATP. En forma conjunta, el creatinfosfato y el ATP aportan energía para la contracción máxima de los músculos durante unos 15 segundos.

Respiración celular anaeróbica: es un conjunto de reacciones de producción de ATP en que no se requiere oxígeno. Cuando se continúa la actividad muscular y disminuyen las reservas de creatinfosfato, la glucosa se cataboliza para generar ATP. La primera pasa fácilmente de la sangre a las fibras musculares en contracción mediante difusión facilitada y también se produce por desdoblamiento del glucógeno. Luego la glucólisis desdobla cada molécula de glucosa en dos de ácido pirúvico, con ganancia neta de dos moléculas. Cuando no existe oxígeno suficiente, se forma ácido láctico que posteriormente se convierte en glucosa.

Respiración celular aeróbica: La actividad muscular con duración mayor de medio minuto depende mayormente de esta respiración, que es un conjunto de reacciones mitocondriales en que se requiere oxígeno y ATP. Si se tiene oxígeno suficiente, el ácido pirúvico pasa a las mitocondrias, donde se oxida por completo en reacciones con que se generan ATP, dióxido de carbono, agua y calor. Aunque es más lenta que la glucólisis, también produce más ATP.

4. ¿En qué consiste la contracción y relajación de los músculos, indicando qué proteínas participan? ¿Cuál es la clasificación de los músculos?

Las dos proteínas contráctiles de los músculos son la miosina y actina, o sea, los componentes principales de los filamentos gruesos y delgados respectivamente. La miosina funge como proteína motora en los tres tipos de tejido muscular. Las proteínas motoras tiran o empujan otras estructuras para generar los movimientos mediante la conversiónde la energía química del ATP en energía cinética o producción de fuerza. Cada filamento grueso consta de unas 300 moléculas de miosina. Las moléculas de actina están unidas para formar un filamento retorcido a manera de hélice. Las proteínas contráctiles como la actina y la miosina generan la fuerza durante la contracción mientras que las reguladoras (troponina y tropomiosina) ayudan a activar y desactivar la contracción espasmódica.

El modelo que describe la contracción muscular se llama mecanismo de deslizamiento de filamentos. La contracción muscular ocurre porque las cabezas de miosina se insertan en los filamentos delgados de ambos extremos del sarcómera y caminan sobre ellos, tirando progresivamente de los filamentos delgados hacia la línea M. De aquí, los filamentos delgados se deslizan hacia adentro hasta juntarse en el centro del sarcómera. Al ocurrir este deslizamiento, los discos Z se acercan y el sarcómera se acorta. Sin embargo la longitud de los filamentos gruesos y delgados individuales permanece sin cambio. El acortamiento de los sarcómeras produce el de la fibra muscular y así el del músculo entero.

El ciclo de contracción

Cuando se inicia la contracción, el retículo sarcoplásmico libera iones calcio, los cuales se enlazan a la troponina y hacen que los complejos troponina-tropomiosina se alejen de los sitios donde la miosina se une a la actina. Una vez libres estos sitios, se inicia el ciclo de contracción.

I. Hidrólisis de ATP: La cabeza de la miosina contiene una bolsa de unión con el ATP y una adenosintrifosfatasa que hidroliza el ATP en adenosíndifosfato y un grupo fosfato. Esta reacción de hidrólisis confiere energía a la cabeza de la miosina.

II. Fijación de la miosina en la actina para formar puentes cruzados: La cabeza de la miosina energizada se enlaza a sus sitios de unión en la actina y luego libera el grupo fosfato previamente hidrolizado.

III. Fase de deslizamiento: La liberación del grupo fosfato desencadena la fase de deslizamiento de la contracción. Se abre la bolsa de la cabeza de miosina que todavía contiene el ADP y la hace girar y libera el ADP. Al girar la cabeza de miosina genera fuerza hacia el centro de la sarcómera, con la cual se desliza el filamento delgado sobre el grueso hacia la línea M.

IV. Desacoplamiento de la miosina y la actina: Al término de la fase de deslizamiento, la cabeza de la miosina permanece firmemente unida a la actina, hasta que se enlaza con otra molécula de ATP, la cual se adhiere a la bolsa de unión con el ATP de la cabeza de la miosina; así ésta se separa de la actina.

El ciclo de contracción se repite cuando la ATPasa de la miosina hidroliza de nuevo al ATP. Esta reacción reorienta la cabeza de miosina y transfiere energía del ATP a dicha cabeza, que de nuevo está lista para combinarse con otro sitio receptor de miosina en un punto más distal del filamento delgado. El ciclo de contracción se repite una y otra vez siempre y cuando haya ATP disponible y los valores de Ca cerca del filamento delgado sean suficientemente altos. La cabeza de miosina continúa girando hacia atrás y hacia adelante con cada fase de deslizamiento y tiran de los filamentos delgados en sentido de la línea M. Cada una de las 600 cabezas de miosina de un solo filamento grueso se une y separan aproximadamente cinco veces por segundo. En un momento, algunas cabezas están unidas a la actina y generan fuerza, mientras que otras se han separado y están disponibles para unirse de nuevo.

Clasificación de los músculos

Según su movimiento

Extensores: Enderezan los miembros y el tronco, actuando sobre las articulaciones correspondientes, se relacionan con la postura corporal y se oponen a la gravedad. Algunos ejemplos son los de las extremidades y los de la espalda.

Flexores: Tienen que ver principalmente con la marcha, están en la parte posterior de las extremidades.

Abductores: Llevan a los miembros hacia el lado opuesto a la línea media.

Aductores: Llevan a los miembros hacia la línea media.

Rotadores: Mueven un hueso alrededor de su eje longitudinal. Si la acción es de rotar la palma de la mano hacia arriba, se dice que son supinadores, mientras que los pronadores son los que rotan hacia abajo.

Según su acción en grupo

Agonistas: Siguen la misma dirección y ayudan a realizar el movimiento.

Antagonistas: Se oponen en la acción de un movimiento.

Sinergista: Similar al agonista, ayuda indirectamente al movimiento.

Bibliografía

Espasa. (s.f.) Diccionario Médico Espasa. España: Espasa.

Quiroz, F. (1994). Anatomía humana, Vol 1. México: Porrúa.

Tortora, G. (2002). Principios de anatomía y fisiología. México: Oxford University Press

Tresguerres, J. (2009). Anatomía y fisiología del cuerpo humano. España: McGraw Hill