Domande di studio Biomeccanica (primo parziale)

Descrizione del modello di Hill a tre componenti per la fibra muscolare

Il modello di Hill a tre componenti descrive il comportamento di una fibra muscolare, sia scheletrica che cardiaca. Questo modello è composto da tre elementi principali:

• CE (Contractile Element): rappresenta il generatore di contrazione, ovvero i filamenti di miosina che sono responsabili della generazione di forza durante la contrazione muscolare.
• SE (Series Element): è un elemento elastico non lineare posto in serie al CE. Questo elemento rappresenta la componente elastica del tessuto muscolare, che si estende durante la contrazione e si rilascia durante il rilassamento muscolare.
• PE (Parallel Element): è un altro elemento elastico non lineare posto in parallelo al CE. Questo elemento rappresenta la componente elastica dei tendini e dei tessuti connettivi che circondano il muscolo. Contribuisce alla resistenza passiva del muscolo durante la contrazione.

Il modello di Hill a tre componenti tiene conto delle proprietà meccaniche salienti della fibra muscolare, come la capacità di generare forza, l'estensibilità e la resistenza passiva. Questo modello è ampiamente utilizzato per studiare il comportamento muscolare e comprendere i meccanismi di contrazione e rilassamento.

La banda I di actina, cioè con la zona elastica esterna alla parte motrice del sarcomero, mentre il PE con le membrane pericellulari del collagene. In condizioni isometriche, quando il muscolo è a riposo la caratteristica del sarcomero è rappresentata dal PE: il CE infatti si annulla (CE=0) e resiste solamente il PE, il quale permette di creare un precarico sul muscolo. Quando il muscolo viene eccitato e si genera contrazione il CE si accorcia (CE<0) e mette in tensione il SE (SE>0) che, allungandosi, genera una forza di richiamo che si scarica sui due estremi (permettendo così al muscolo di sollevare carichi).

Figura 18: Rappresentazione schematica del modello di Hill.

4. Il lavoro svolto da una testa di miosina è mediamente

A. 50 nN nm

B. 1 pN nm

C. 20 nN pm

Risposta: La soluzione è l'opzione C. 415.

5. La contrazione tetanica si esplica per frequenze di stimolazione di circa:

A. 10 Hz

B. 100 Hz

C. 1000 Hz

Risposta: La soluzione è

L'opzione A. (per contrazioni maggiori di 6 Hz)

6. Descrivere la sequenza temporale dei cambi conformazionali della testa di miosina in relazione alla assenza o presenza di ATP o suoi derivati

Risposta

Successivamente alla generazione del passo, l'ATP va a legarsi alla miosina, interrompendo così la contrazione: il sito dell'actina viene chiuso e la testa di miosina si stacca da tale filamento. L'ATP si idrolizza e il rilascio di ione fosfato carica la miosina che va così a legarsi all'actina. L'ADP successivamente si stacca permettendo la contrazione: la testa di miosina ruota, cambia configurazione e compie lavoro, generando il passo.

7. Illustrare il ruolo del valore assunto dal fattore di utilizzazione r nella meccanica della singola testa (e del muscolo)

Risposta

Il fattore di utilizzazione r, quando la testa di miosina interagisce con il filamento di actina, può in linea di principio essere molto elevato (prossimo

All’unità) se la testa impiega la maggior parte del suo tempo in condizioni di ponte attivo, oppure può essere molto basso (prossimo a zero)se la testa passa la maggior parte del suo tempo distaccata. La presenza di un numero elevato di teste consente di adottare fattori di utilizzazione molto bassi in modo tale da garantire che almeno una testa sia in contatto con il filamento di actina in ogni istante.

8. La portata cardiaca destra:

A. dipende dalle dimensioni del ventricolo destro

B. è uguale a quella sinistra

C. è minore di quella sinistra

Risposta: La soluzione è l’opzione C.

9. La valvola mitrale:

A. garantisce il flusso retrogrado dal ventricolo sinistro all’atrio sinistro

B. aumenta il gradiente fra atrio sinistro e ventricolo sinistro

C. garantisce il flusso anterogrado fra atrio sinistro e ventricolo sinistro

D. aumenta il riflusso dal ventricolo sinistro all’atrio sinistro

Risposta: La soluzione è l’opzione B.

10.

La leva isotonica è costituita da un'asta poggiata su un perno che ne suddivide la lunghezza in due bracci di diversa dimensione (al fine di ridurre gli effetti di inerzia associati al sollevamento del carico); su un estremo è connesso un fascio muscolare mentre sull'altro sono presenti un precarico e un post-carico.

La contrazione isotonica avviene a forza costante e permette quindi di analizzare la storia dell'accorciamento di un muscolo che si contrae in opposizione a una forza costante: il muscolo mette in tensione il tirante che connette precarico e postcarico, poi, una volta che è riuscito a generare una forza in grado di sostenere anche il post-carico, inizia a sollevare da terra il blocco di carichi a forza costante.

Valori di post carico più elevati della forza generabile dal muscolo corrispondono a una contrazione isometrica, che rappresenta proprio la condizione limite della contrazione.

isotonica.Figura 19: Rappresentazione schematica di una leva isotonica.

11. Descrivere il comportamento tetanico del muscolo

Risposta

Il muscolo scheletrico risponde a specifici stimoli elettrici o chimici con determinate forze di contrazione. Più la frequenza di stimolazione aumenta, più i cicli di contrazione si sovrappongono: in particolare, quando la frequenza di stimolazione è maggiore di 6/s, ogni successiva contrazione parte da uno stato ancora contratto del muscolo e quindi contribuisce alla generazione di una forza di contrazione che va in parte a sommarsi alla forza di contrazione dovuta allo stimolo precedente. Di conseguenza, per sovrapposizione degli effetti, la forza di contrazione totale aumenta e le oscillazioni che si generano nella somma degli impulsi, diventano sempre meno avvertibili. Esiste però un limite al di là del quale aumenti di frequenza non producono più rilevanti aumenti di forza: tale limite è rappresentato dalla

frequenza critica, pari a 60/s, che rappresenta la frequenza di stimolazione ottimale per la contrazione tetanica: oltre tale valore infatti il movimento non è più associato a tremore, le vibrazioni diventano quasi inavvertibili ei picchi vanno quasi a sovrapporsi generando un tratto continuo.

12. Il passo compiuto da una testa di miosina è circa:

A. 1 nm

B. 100 nm

C. 10 nm

Risposta: La soluzione è l'opzione C. (13 nm)

13. Descrivere il filamento di miosina

Risposta: Il filamento di miosina è costituito da due catene pesanti che si avvolgono a formare una superalfa elica (140nm di lunghezza) e che nella coda di scindono e cambiano struttura dando origine a due teste globulari, ciascuna formata da collo, fulcro e catalytic domain e di lunghezza pari a circa 16nm: si distinguono così le catene leggere regulatory RLC (che stabilizzano la coda) e le catene leggere essential ELC (che stabilizzano collo e fulcro della testa). Le reazioni avvengono nel

catalytic domain il quale è suddiviso in due regioni (lower e upper region) da una scissura: nella lower region sono presenti i siti di legame per l'actina mentre presso la scissura ci sono isiti di legame per l'ATP.

Le teste di miosina sono poste a distanza regolare: ci sono 3 coppie di teste ogni 14,3nm disposte ogni 120°.

14. Le fibre di tipo IIx sono caratterizzate da un metabolismo di tipo:

A. ossidativo

B. anaerobico lattacido

C. intermedio

Risposta: La soluzione è l'opzione B.

15. Calcolare la forza che un singolo filamento di miosina è mediamente in grado di generare durante la contrazione.

Risposta: Figura 20: Rappresentazione schematica del passo. Sapendo che posso calcolare il numero di fibre:

D = 80µm, fibra · · · 3 2 6A π (40 10 ) 1600 10 fibra 2 milioni di fibre

N = = ==2A π(28) 800 filamento

Da cui posso calcolare la forza di una singola fibra come: · · · · · -126F = N n

F = 2 10 150 5 10 N = 1, 5mNf ibra teste testa16. Descrivere l'equazione di Hill per il muscolo in condizioni isotoniche

Risposta

L'equazione di Hill rappresenta l'equazione fenomenologica della meccanica muscolare per il muscolo tetanico, tale per cui tanto maggiore è il carico, tanto minore è la velocità di contrazione.

(V + b) (F + a) = b (F + a)

isomcon a e b costanti, V velocità di contrazione, F forza esercitata dal muscolo.

Rappresenta un'iperbole traslata che intercetta il grafico velocità/carico in due punti; tali punti nel grafico potenza/forza vanno a descrivere proprio il funzionamento realistico del muscolo, per il quale si evidenzia una zona ottimale di funzionamento dove si ha potenza massima.

Figura 21: Curva velocità/carico.

4517. Descrivere il differente comportamento del muscolo a lisca di pesce del granchio e del muscolo a fibre parallele a parità di volume

Risposta

Il muscolo bipennato e