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Protección, soporte y movimiento Capítulo 39 Dr. Robert J. Mayer UPR en Aguadilla http//:math.uprag.edu/rmayer/biopres1_3012.ppt Objetivos del capítulo Comprender la importancia de los diferentes tipos de epitelios Entender la importancia y la función de diferentes tipos de esqueletos Comprender la importancia y el funcionamiento de los músculos Contrastar y comparar estos sistemas en distintos grupos de animalesy luego concentrarse en su estructura y función en los mamíferos (butterflies and moths) (flies) (Ants, wasps, bees) Tomado y modificado de Rupert and Barnes, 1994 Tres sistemas interrelacionados • Cubiertas epiteliales • Sistemas esqueletales • Sistemas musculares Cubierta epitelial Protección a órganos internos, cubre el interior y exterior de los organismos Superficie especializada para el intercambio de gases Regulación de temperatura (homeostasis) Excreción de desperdicios Secreción de mucosidad Secreción de sustancias tóxicas A veces contienen estructuras receptoras de estímulos Tejido – células similares agrupadas para funcionar como una unidad altamente organizada y coordinada Superficie de la piel humana Protección a estructuras internas Epitelio de la vejiga urinaria humana Sudor • Enfriamiento evaporativo •Secreción de sales y excreción de urea Intercambio de gases Salamandra (Nototophtalmus viridescens) Intercambio de gases a través de la piel Nudibranquios Secreción de mucosidad Secreción de sustancias tóxicas “Poison dart” frogs Quimioreceptores en la superficie de un artrópodo 3. El epitelio de algunos invertebrados secreta una mucosidad que a veces los ayuda a comunicarse con otros organismos o a marcar su territorio 4. El epitelio de otros invertebrados produce sustancias tóxicas para evadir depredadores o matar la presa 5. El epitelio de algunos invertebrados produce una mucosidad que lubrica el animal (fácil movimiento) y facilita el intercambio de gases • La piel de los vertebrados le provee al animal, protección y juega un papel bien importante en la regulación de la temperatura corporal • Sistema integumentario – en los vertebrados consiste de la piel y las estructuras que se desarrollan de la misma. Cyclura cornuta (Iguana de la Mona) • Los vertebrados poseen estructuras derivadas de la piel: a. garras b. uñas c. cabello d. glándulas sudoríparas * e. glándulas mamarias f. plumas Estructura generalizada de la piel de un mamífero Producción de células Openings of sweat glands Capillary Nerve endings Epidermis Stratum corneum Stratum basale Melanocyte (pigment cell) Hair erector muscle Células que producen melanina Dermis Subcutaneous tissue Artery Vein Hair shaft Sensory receptor (Pacinian corpuscle) Sweat gland Sebaceous gland Sebo (sebum) – mezcla compleja de grasas y ceras con propiedades antibacterianas Hair follicle Fig. 38.01 Hair Squamous epithelial cells Stratum corneum Hair follicle Dermis Do not post photos on Internet Fig. 38.02 Muerte celular Producción de Keratina Epidermis Stratum corneum Stratum basale Estructura generalizada de la piel de un mamífero Openings of sweat glands Capillary Nerve endings Epidermis Stratum corneum Stratum basale Melanocyte (pigment cell) Hair erector muscle Células que producen melanina Dermis Subcutaneous tissue Artery Vein Hair shaft Sensory receptor (Pacinian corpuscle) Hair follicle Sweat gland Sebaceous Dermis – tejido conectivo denso y fibroso compuesto de fibras de colágeno (fuerza y gland flexibilidad). Contiene vasos sanguíneos y terminaciones nerviosas. Sebo (sebum) – mezcla compleja de grasas y ceras con propiedades antibacterianas Tejido subcutáneo – (e.g. aves y mamíferos) compuesta en su mayoríaFig. de38.01 tejido adiposo Sistema esqueletal y muscular • Estos dos sistemas trabajan juntos para generar movimiento • Los músculos necesitan trabajar en contra de una estructura rígida para poder generar movimiento (diferentes estructuras en vertebrados e invertebrados) • La mayor parte de los animales tienen un cierto grado de motilidad (e.g organismos sésiles y los que no lo son) Tomado de Borror, Triplehorn y Johnson,1989 Tejido muscular de un insecto • Los músculos también llevan a cabo otras funciones fisiológicas Diafragma Peristalsis Corazón Sistema circulatorio del calamar Esqueletos hidrostáticos • Común en los invertebrados pero presente en los vertebrados también • Consisten de compartimientos corporales llenos de fluido • Presente en los cnidarios, anélidos y platihelmintos • Parecido a un globo lleno de agua Longitudinal contractile fibers of epidermal layer Circular contractile fibers of gastrodermis (a) (b) Hydra Fig. 38.03ab Lumbricus variegatus Anelido (lombriz segmentada) El pene humano – ejemplo de un esqueleto hidrostático Los moluscos y los artrópodos poseen esqueletos no-vivientes • Común en los invertebrados pero presente en los vertebrados también • Los exoesqueletos casi siempre estan compuestos de sustancias no vivientes o acelulares • Los exoesqueletos son secretados por el epitelio del animal y protege a un animal vulnerable al ataque de depredadores • Transmiten fuerzas • Varían en grosor y número de capas • Los animales deben mudar el exoesqueleto (écdisis) ya que el mismo no crece con el animal siphuncle * El epitelio en los invertebrados podría funcionar para secretar sustancias o para llevar a cabo el intercambio de gases • Muchos invertebrados tienen un epitelio que secreta sustancias estructurales no-vivientes 1. Esta cubierta muchas veces se conoce como cutícula Cutícula de un insecto = exoesqueleto = hecho de un polisacárido llamado Quitina y una proteína llamada Sclerotina Periplaneta americana (American cockroach) 2. Otros organismos secretan un caparazón (shell) compuesto mayormente de carbonato de calcio (CaCO3) Pólipo de un coral Bulimulus guadalupensis Manto Anatomía de un gastrópodo Anatomía de un crustaceo Los endoesqueletos tienen la capacidad de crecer con el organismo • Los endoesqueletos consisten de placas o fibras de tejido impregnado de carbonato de calcio • Consisten de tejido vivo • Crecen con el organismo • El esqueleto de un erizo de mar consiste de espiculas y placas de carbonato de calcio impregnada en la piel del organismo localizado debajo de una capa de epitelio que protégé al organismo Los equinodermos, además de tener un eso esqueleto tienen un sistema esqueletal hidrostático altamente especializado para diferentes funciones (sistema vascular de agua o “water vascular system” El endoesqueleto de los vertebrados : • Provee protección al animal • Transmite la fuerza muscular • Casi siempre consiste de hueso ? ¡ Otras veces esta compuesto de cartilago ! Clase Chondrichtyes Condrocraneo de un tiburón Compuesto de cartílago Skull • Craneo – consiste de huesos craneales (8) y faciales (14) • Fusión en los huesos craneales de los infantes Sternum Rib cage Vertebrae Esqueleto axial (a) • 24 vertebras - humanos • Área cervical – 7 vértebras • Área torácica – 12 vértebras • Área lumbar – 5 vértebras • Área coccygeal – mas de una vertebra Area coccygeal • El sacro y el coccyx estan formados por vertebras fusionadas • 12 pares de costillas • Cada par de costillas esta unido a una vertebra Esqueleto apendicular Clavicle Scapula • “pectoral girdle”o placa pectoral – 1. Clavícula (2) 2. Escápula (2) “paletilla” Humerus Radius Pelvic girdle Ulna Carpals Metacarpals Unión flexible a la columna vertebral Phalanges Femur • “pelvic girdle” o placa pélvica – Consiste de un par de huesos grandes cada uno compuesto de tres huesos fusionados de la cadera Patella Fibula Tibia Tarsals Metatarsals Phalanges (b) Firmemente unida a la columna vertebral Cada una de las extremidades humanas consiste de 30 huesos y termina en 5 dígitos Cada una de las extremidades de un cerdo termina en 4 dígitos Cada una de las extremidades de un rinoceronte termina en 3 dígitos Las extremidades de un camello y de un caballo terminan en 1 dígito Un hueso largo típico consiste de hueso compacto y hueso esponjoso • Los puntos de inserción de los músculos en un hueso largo como el radio del brazo de un ser humano están colocados de tal forma que el brazo pueda girar sobre un eje imaginario y pueda funcionar como una palanca Articular surface covered with cartilage Epiphysis Metaphysis Red marrow in spongy bone Periosteum Yellow marrow Blood supply Diaphysis Compact bone Articular cartilage Epiphysis Periosteo – membrana de tejido conectivo en e la cual se insertan los ligamentos musculares y los tendones Este tejido produce nuevas capas de hueso haciendo posible un aumento en el diametro de esta estructura Diaphysis – La parte mas larga del hueso de una extremidad. Epiphysis – La parte del hueso extendida, localizada en los extremos del mismo Epiphysis Articular surface covered with cartilage Epiphysis Metaphysis Red marrow in spongy bone Periosteum Yellow marrow Blood supply Diaphysis Compact bone Articular cartilage Epiphysis Metaphysis – disco de cartílago presente entre los epiphyses y diaphyses de los niños. Esta es un área de crecimiento del hueso que se desaparecen cuando el individuo llega a la madurez Los mismos se convierten en lo que se conoce como lineas epiphyseales en el individuo adulto metaphysis Do not post photos on Internet Lacunae Haversian canal Matrix Paso de vasos sanguineos (a) (b) Spongy bone Consiste de una red de hebras finas de hueso con espacios rellenos de médula osea (provee fuerza mecánica) (c) Compact Blood Haversian bone vessel canal Cytoplasmic extensions Lacuna canaliculi Osteon Matrix Cytoplasmic extensions (d) Osteocyte (e) “Bone marrow” o médula osea del hueso Articular surface covered with cartilage Epiphysis Metaphysis Red marrow in spongy bone Periosteum Yellow marrow Blood supply Diaphysis Compact bone Articular cartilage Epiphysis Formación de huesos fetales humanos • 1. Desarrollo de huesos largos – se desarrollan de “moldes” de cartílago (desarrollo endocondral del hueso) • Un hueso fetal comienza a osificarse en el diaphysis luego otras áreas de desarrollo del hueso se forman en las epiphyses • Las partes del hueso que estan localizadas entre las partes ya osificadas de un hueso pueden crecer • Estas secciones del hueso eventualmente se unen en un individuo adulto • Los huesos craneales planos se desarrollan de estructuras no cartilaginosas de tejido conectivo Desarrollo intramembranoso de del hueso Do not post photos on Internet Lacunae Haversian canal Matrix (a) (b) Spongy bone (c) Compact Blood Haversian bone vessel canal Cytoplasmic extensions Lacuna Osteon Matrix Cytoplasmic extensions (d) Osteocyte (e) Osteoblasto – células que producen hueso mediante la secreción de fibras de colágeno que forman las fibras resistentes del hueso Osteoblasto humano • El compuesto hydroxyapatita (fosfato de calcio) se encuentra en el fluido intersticial • Este compuesto se cristaliza automaticamente alrededor de las fibras de colágeno formando la matriz fuerte del hueso • Los osteoblastos quedan atrapados en la matriz endurecida del hueso y pasan entonces a ser llamadas osteocitos Los huesos son moldeados durante el crecimiento y son remodelados continuamente durante la vida del individuo en respuesta a “estres” físico y otras condiciones A medida que los músculos de un ser humano se desarrollan, como respuesta a la actividad física, los huesos también se hacen mas gruesos y mas fuertes A medida que crece el hueso el tejido es removido de su interior especialmente de la cavidad de la medula ósea Osteoclasto – células relativamente grandes que rompen y absorben el hueso Los oscteoclastos se mueven secretando iones de hidrógeno que disuelven los cristales y enzimas que digieren las fibras de colágeno Los osteoclastos y osteoblastos juntos le dan forma a los huesos. El esqueleto humano es completamente remplazado cada 10 aňos Osteoclasto de una rata de laboratorio Osteoporosis – enfermedad progresiva degenerativa del sistema óseo. La resorción del material óseo ocurre mas rápido que la formación del mismo en una persona que padece de esta condición. Inhibición de la acción de los osteoclastos y activación de los osteoblastos Las coyunturas o articulaciones unen los huesos Coyunturas – articulaciones o uniones entre dos o mas huesos Se categorizan por el nivel de movimiento que permiten 1. Coyunturas imovibles = las suturas entre los huesos del craneo humano 2. Coyunturas levemente movibles = se encuentran entre las vértebras, compuestas de cartílago. Funcionan como amortiguadores de golpes. 3. Coyunturas movibles = el resto de las coyunturas Disco intervertebral (cartílago) Contracción muscular En casi todos los animales el tejido muscular genera fuerzas mecánicas y movimiento necesarios para: • Locomoción • Manipulación de objetos • Circulación de la sangre • Peristalsis • Los organismos relativamente simples no tienen un sistema muscular como tal pero casi todas las células contienen la proteína contráctil llamada actina La actina es el componente principal de los microfilamentos y es bien importante en varios procesos celulares. En muchas células la actina esta asociada a la miosina (e.g. células musculares). Celulas epiteliomusculares Los músculos de los invertebrados varían de un grupo a otro • En la mayoría de estos organismos los músculos estan organizados en capas definidas o bandas • Algunos invertebrados tienen músculo esqueletal y liso • Los músculos de los artrópodos son todos estriados Lombriz plana (Platyhelminthes) Platyhelmithes Músculos en forma de bandas Músculos de los insectos 100 contracciones por segundo Mayor número de mitocondrias en las células musculares = razón metabólica mas alta de todos los animales Traquea del sistema respiratorio de un insecto Los músculos de los vertebrados consisten de miles de fibras musculares • El músculo esqueletal es el mas abundante • Está compuesto de células alargadas (fibras musculares) estan organizadas en masos envueltos por tejido conectivo Muscle fibers Biceps muscle (a) Sarcolemma Sarcoplasmic reticulum Myofibril T tubule Nucleus (b) Mitochondria Z line (c) Myofilaments Sarcomere (actin or myosin) Fig. 38.08abc Sarcómeros – Las unidades básicas de la contracción muscular. Consisten de unidades repetitivas que consisten de fibras de actina y miosina Los filamentos finos de actina consisten mayormente de la proteína actina además de las proteinas tropomiosina y el complejo troponin que regula la interacción del mismo con los filamentos de miosina Cross bridges Actin (thin filament) Myosin (a) (thick filament) (b) Sarcomere Z line A band I band H zone (c) Cross bridges Actin (thin) filament Myosin (thick) filament (d) (e) Sarcomere Fig. 38.09 Contracción muscular • Ocurre cuando los sarcómeros (y por consiguiente cuando las fibras musculares) se acortan • “Sliding filament model” = los filamentos de actina y miosina se deslizan uno encima del otro sin que ninguno se contraiga • Unidades motoras (motor unit) – Una neurona motora que está conectada a aproximadamente 150 fibras nerviosas • Uniones neuromusculares – La unión de una neurona motora y una fibra muscular. MOTOR UNIT Cross section of spinal cord Neuromuscular junctions Spinal nerve Motor nerve fiber Muscle Union neuromuscular La enzima Acetilcolinesterasa (en el espacio Sináptico) inactiva la Acetilcolina (neurotrasmisor) Potencial de Acción • El potencial de acción es una onda de depolarización que viaja a lo largo del sarcolemma y a través de el sistema de membranas T. La depolarización de las membranas T abre los canales de calcio en el retículo sarcoplásmico liberando iones de calcio acumulados a las miofibras Muscle fibers Biceps muscle (a) Sarcolemma Sarcoplasmic reticulum Myofibril T tubule Nucleus (b) Mitochondria Z line (c) Myofilaments Sarcomere (actin or myosin) Fig. 38.08abc 1.Acetycholine released by the motor neuron combines with receptors on the muscle fiber, causing depolarization and an action potential. 2.The impulse spreads through the T tubules, stimulating Ca2+ release from the sarcoplasmic reticulum. Depolarization causes an electrical signal or action potential to be generated in the muscle fiber (wave of depolarization) ATP binding site Myosin filament Tropomyosin Actin filament Troponin Active site 3.Ca2+ bind to troponin, causing change in shape. Troponin pushes tropomyosin away, exposing active sites on actin filaments. 7.The actin-myosin complex binds ATP and myosin detaches from actin. Cuando muchos sarcómeros se contraen a la vez el músculo se contrae completamente 6.The cross bridge flexes and the actin filament is pulled toward the center of the sarcomere. 4.ATP is split. The myosin head, now cocked, binds to the exposed active site, forming a cross bridge. 5.Pi and ADP are released. Este proceso va ocurriendo a lo largo del filamento de actina para causar la Contracción del músculo Secuencia de eventos en la contracción de un músculo 1. La Acetilcolina producida por una neurona motora se combina con receptores en las fibras musculares causando depolarización y un potencial de acción 2. El potencial de acción se prolifera por los tubulos T desencadenando la salida de Ca +2 del retículo sarcoplásmico 3. Cuando la Troponina se une a Ca +2 esta experimenta un cambio de conformación que causa que los sitios activos en los filamentos de actina estén expuestos. 4. Al ATP (ligado a la miosina) es “roto” y la cabeza energizada de miosina es “cargada”; se une al sitio activo en un filamento de actina formando un puente entre el filamento de miosina y el de actina. 5. Cuando la Troponina se une a Ca +2 esta experimenta un cambio de conformación que causa que los sitios activos en los filamentos de actina estén expuestos. 6. El “power stroke” ocurre cuando el filamento de actina es halado hacia el centro del sarcomero y el ADP es liberado 7. La cabeza de miosina se une al ATP y se “suelta” de la fibra de actina si hay suficiente Ca +2 la secuencia del paso 4 se repite Tono muscular Cuando los impulsos provenientes de las neuronas motoras cesan las fibras musculares vuelven a su estado de descanso La acetylcolinesterasa inactiva la acetilcolina en el espacio sináptico Los iones de calcio son bombeados de vuelta al retículo sarcoplásmico por transporte activo Esto causa que el músculo se relaje y solamente tarda unos cuantos milisegundos Aun cuando uno no se mueve los músculos están en un estado de contracción parcial = tono muscular Siempre algunas fibras musculares están contraídas, siendo estimuladas por mensajes de las neuronas motoras Esto mantiene los músculos preparados para cuando tienen que funcionar Si la conexión entre la neurona motora y la fibra muscular se interrumpe por alguna razón el músculo se pone flácido y eventualmente se atrofia El ATP impulsa la contracción muscular • La fuente inmediata de energía para la contracción muscular es el ATP • La energía almacenada en las moléculas de ATP es utilizada para “cargar”, y unirse las cabezas de miosina a las fibras de actina ¿Qué causa el rigor mortis? Rigidez post-mórtem - “Rigidez post-mortuoria” • Luego de la muerte el Ca +2 entra al sarcoplasma • No hay suficiente ATP para hacer que la miosina libere a la actina causando que el músculo se quede contraído • Comienza de 10 minutos a varias horas (depende de factores atmosféricos) después de la muerte • Dura alrededor de 24 horas o hasta que las uniones entre la actina y la miosina se degraden por autolisis 1.Acetycholine released by the motor neuron combines with receptors on the muscle fiber, causing depolarization and an action potential. 2.The impulse spreads through the T tubules, stimulating Ca2+ release from the sarcoplasmic reticulum. Depolarization causes an electrical signal or action potential to be generated in the muscle fiber (wave of depolarization) ATP binding site Myosin filament Tropomyosin Actin filament Troponin Active site 3.Ca2+ bind to troponin, causing change in shape. Troponin pushes tropomyosin away, exposing active sites on actin filaments. 7.The actin-myosin complex binds ATP and myosin detaches from actin. Cuando muchos sarcómeros se contraen a la vez el músculo se contrae completamente 6.The cross bridge flexes and the actin filament is pulled toward the center of the sarcomere. 4.ATP is split. The myosin head, now cocked, binds to the exposed active site, forming a cross bridge. 5.Pi and ADP are released. Este proceso va ocurriendo a lo largo del filamento de actina para causar la Contracción del músculo El ATP solamente provee energía por unos cuantos segundos Glucógeno Fosfáto de Creatinina • Se puede almacenar • Le transfiere energía al ATP • Se gasta rápido durante actividad física fuerte • Polisacárido • Otra forma de almacenaje de energía en el músculo • Es degradado produciendo Glucosa • La glucosa se convierte en ATP (respiración celular) y fosfato de creatinina siempre y cuando haya suficiente O2 Fosfato de Creatinina • Se puede almacenar • Le transfiere energía al ATP • Se gasta rápido durante actividad física fuerte • El sistema circulatorio no puede proveer suficiente O2 para satisfacer la demanda de las células musculares durante el ejercicio extremo = deuda de oxígeno Deuda de oxígeno Rompimiento anaerobio de moléculas con alto contenido de energía (ácido láctico) por peridos cortos = fermentación de ácido láctico Producción de poco ATP Fatiga muscular • La acumulación de el ácido láctico contribuye a la fatiga muscular • Los atletas pueden tolerar concentraciones altas de este compuesto • El “jadeo” que es causado por el ejercicio extremo ayuda al cuerpo a “reponerse” de la deuda de oxígeno La función del músculo esqueletal depende de la acción antagónica de los pares de músculos Tendones – cuerdas fuertes compuestas de tejido conectivo mediante los cuales están insertados los músculos a los huesos Movimiento muscular antagonístico a. Músculo antagonista b. Músculo agonista Biceps relaxes Triceps contacts Triceps relaxes Biceps contracts Extension (a) Flexion (b) Muscles that flex fingers Facial muscles Platysma Sternocleidomastoid Trapezius Clavicle Latissimus dorsi Rectus abdominus Deltoid Pectoralis major Biceps brachii Linea alba Brachialis External oblique Gluteus medius Wrist and finger flexors Gracillis Sartorius Quadriceps femoris Triceps brachii Patella Gastrocnemius Tibalis anterior Soleus Tibia Sternocleidomastoid Biceps brachii Trapezius Deltoid Triceps brachii Brachialis Latissimus dorsi Brachioradials External oblique Muscles that flex fingers Glyteus maximus Hamstring muscles Gracilis Semitendinosus Biceps femoris Semimembranosus Gastrocnemius Soleus Achilles tendon Calcaneus Las fibras musculares pueden estar especializadas para responder rápida o lentamente • Las fibras musculares Tipo I (contienen miosina tipo I) “slow fibers” Importancia “endurance activities” – nado, maratones, mantenimiento de la postura Características • Derivan su energía del metabolismo aeróbico • Contienen muchas mitocondrias y capilares • También conocidas como fibras rojas por la gran concentración de mioglobina (pigmento rojo – carga oxígeno) • Fibras rapidas o blancas – contienen miosina tipo IIx (mas rápidas) y IIa Importancia Generan mucha fuerza y llevan a cabo movimientos que solamente pueden sostenerse por poco tiempo Carreras cortas y rapidas (“sprinting”) y alzamiento de pezas Características • Contienen pocas mitocondrias y obtienen la mayor parte de su energía de la glucolisis • Una vez se consume el glucógeno se fatigan rapidamente Hay diferentes músculos especializados para respuestas rápidas y lentas Los músculos blancos son eficientes para respuestas rápidas (vuelo rápido de una gallina) Los músculos rojos están adaptados para movimientos sostenidos como el caminar todo el dia Las proporciones de un tipo de músculo varían de un Individuo a otro Los distintos tipos de músculo responden de formas diferentes • Músculo liso – no está unido a huesos pero forma tubos que se contraen (e.g. lombriz de tierra, arterias) • Contracciones sostenidas en respuesta a estímulos • Se contrae lentamente pero se contraen mas que los otros tipos de músculo • No es estriado debido a que las fibras de miosina y actina no están organizadas en mío fibras en sarcómeros • Contienen fibras unidas por uniones de hendidura – permiten que los impulsos nerviosos se muevan de una célula a otra • Tienen puentes entre fibras que permanecen unidos por mas tiempo y por lo tanto utiliza menos energía Músculo cardiaco – se contrae y se relaja en ritmos alternos propulsando la sangre con cada contracción • Producen sus propias señales • Las fibras musculares están unidas por uniones de hendidura Músculo esqueletal – estimulados por un estimulo eléctrico fugaz se contrae con una contracción rápida (“simple switch”) Usualmente recibe una serie de impulsos seguidos que genera una contracción continua y extendida llamada TÉTANO