Capitolo 25 I sistemi scheletrico e muscolare

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1 Capitolo 25 I sistemi scheletrico e muscolare

2 Mobilità e locomozione 25.1 Gli animali hanno evoluto modalità di locomozione molto diversificate Lo spostamento attivo da un luogo a un altro è detto locomozione. Qualsiasi forma di locomozione richiede una spesa energetica da parte dell animale che deve vincere due forze che tendono a frenarlo: l attrito e la gravità.

3 Il nuoto Gli animali che nuotano sono sostenuti dall acqua ma devono vincere l attrito, perché l acqua è densa e oppone una notevole resistenza a un corpo che si sposta al suo interno. Figura 25.1A

4 La locomozione terrestre Nella locomozione sulla terraferma, l aria oppone una resistenza molto bassa agli spostamenti, ma offre scarso sostegno al corpo dell animale, che deve quindi provvedere da solo a sostenere sé stesso. Figura 25.1B, C

5 Gli animali che strisciano devono vincere la forte resistenza che l attrito oppone al loro movimento. Alcuni animali si muovono con moto ondulatorio laterale. Muscolo longitudinale rilassato (disteso) Muscolo circolare contratto Muscolo circolare rilassato Muscolo longitudinale contratto Altri animali si muovono grazie a movimenti peristaltici prodotti da onde ritmiche di contrazioni muscolari. Setole Capo Figura 25.1D

6 Il volo Tutti i tipi di ali hanno forme aerodinamiche, hanno cioè una forma in grado di modificare le correnti dell aria in modo da generare una spinta verso l alto. Forma aerodinamica Figura 25.1E

7 Il sostegno scheletrico 25.2 Lo scheletro ha funzioni di supporto, mobilità e protezione Uno scheletro svolge molte funzioni: sostiene il corpo; permette il movimento; protegge le parti molli degli animali (gli organi interni).

8 L idroscheletro L idroscheletro, o scheletro idrostatico, è costituito da un liquido mantenuto sotto pressione all interno di un compartimento chiuso del corpo. I lombrichi e gli cnidari (come l idra) hanno uno scheletro idrostatico. Figura 25.2A

9 L esoscheletro Una grande varietà di animali acquatici e terrestri ha uno scheletro rigido esterno, detto esoscheletro. L esoscheletro è presente negli insetti e in altri artropodi. Figura 25.2B

10 Anche le conchiglie dei molluschi sono esoscheletri. Conchiglia (un esoscheletro) Mantello Figura 25.2C

11 L endoscheletro L endoscheletro è un terzo tipo di scheletro formato da elementi di supporto rigidi o coriacei che si trovano tra i tessuti molli dell animale. I ricci marini possiedono un endoscheletro formato da dure piastre sottocutanee, a cui sono attaccati aculei mobili. Figura 25.2D

12 L endoscheletro dei vertebrati è formato da cartilagine o da una combinazione di cartilagine e osso. Figura 25.2E

13 25.3 Lo scheletro umano è una variante particolare di un modello ancestrale Tutti i vertebrati hanno uno scheletro assile che sostiene l asse, o tronco, del corpo. Lo scheletro assile comprende: il cranio, la colonna vertebrale e una casa toracica. La maggior parte dei vertebrati possiede inoltre delle appendici (braccia, gambe, ali, pinne) sostenute da uno scheletro appendicolare.

14 Lo scheletro umano: Cinto scapolare Sterno Costola Omero Vertebra Radio Ulna Cinto pelvico Carpo Clavicola Scapola Cranio Alcuni tipi di articolazioni Falangi Metacarpo Femore Rotula Tibia Perone Figura 25.3A Tarso Metatarso Falangi

15 I nostri antenati primitivi erano dei quadrupedi e, di conseguenza, quasi tutte le parti dello scheletro sono cambiate drasticamente durante l evoluzione, fino a consentire la postura eretta e il bipedismo. Essere umano (bipede) Babbuino (quadrupede) Figura 25.3B

16 La versatilità dello scheletro dei vertebrati è in gran parte dovuta alla presenza di articolazioni mobili, mentre dei forti cordoni di tessuto connettivo, i legamenti, tengono insieme le ossa e le loro articolazioni. Testa dell omero Omero Scapola Ulna 1 Enartrosi (spalla) 2 Articolazione a cerniera (gomito) 3 Figura 25.3C Ulna Articolazione a perno (gomito) Radio

17 25.4 Le ossa sono organi vivi e complessi Le ossa sono organi complessi, contenenti diversi tipi di tessuti vivi e abbondantemente irrorati di sangue. A entrambe le estremità dell osso, il tessuto connettivo è sostituito da uno strato di cartilagine, che forma una specie di cuscinetto a livello delle articolazioni. L osso stesso contiene cellule vive che producono il materiale di cui sono circondate, chiamato matrice ossea.

18 La matrice ossea è composta da fibre flessibili di collagene immerse in una struttura rigida di sali di calcio. Cartilagine Cavità centrale Tessuto osseo spugnoso (contiene il midollo osseo rosso) Tessuto osseo compatto Midollo osseo giallo Tessuto connettivo fibroso Vasi sanguigni Figura 25.4 Cartilagine

19 Le ossa lunghe, come l omero, sono attraversate da una cavità centrale contenente il midollo osseo giallo, costituito principalmente da grasso trasportato dal sangue e immagazzinato all interno delle ossa. Le estremità, o teste, dell osso possiedono uno strato interno di osso spugnoso con una struttura ad alveare con minuscole cavità che contengono il midollo osseo rosso, un tessuto specializzato nella produzione delle cellule del sangue.

20 COLLEGAMENTI 25.5 Fratture e patologie delle ossa Il sistema scheletrico sopporta fino a un certo punto le sollecitazioni: se la forza applicata supera la sua capacità elastica, si verifica una frattura. Le ossa umane sono costituite da tessuti vivi e dinamici che si rinnovano continuamente in un processo di destrutturazione e ricostruzione che funziona piuttosto bene anche per la guarigione delle fratture.

21 Nel caso di fratture, la prima operazione medica da eseguire è rimettere nella sede naturale le ossa eventualmente andate fuori sede e quindi immobilizzarle. Figura 25.5A

22 In alcuni casi, le ossa gravemente danneggiate o difettose che non possono essere riparate, possono essere sostituite da protesi artificiali fatte di leghe di cobalto o di titanio. Figura 25.5B

23 Il rischio di fratture ossee aumenta in caso di porosità e debolezza ossea. L osteoporosi è una malattia caratterizzata da massa ossea ridotta e deterioramento strutturale del tessuto osseo. Colonizzata SEM 50 Colonizzata SEM 50 Figura 25.5C

24 Contrazione muscolare e movimento 25.6 Lo scheletro e i muscoli interagiscono per produrre i movimenti del corpo Muovere un braccio in direzioni opposte è possibile grazie alla presenza di coppie di muscoli antagonisti che si inseriscono sulle ossa e che svolgono funzioni opposte. Bicipite contratto, tricipite rilassato (disteso) Tricipite contratto, bicipite rilassato Bicipite Bicipite Figura 25.6A Tricipite Tendine Tricipite

25 25.7 Ciascuna cellula muscolare possiede un proprio apparato di contrazione Il muscolo scheletrico (o muscolo striato) che si inserisce sullo scheletro e consente i movimenti del corpo, è costituito da una struttura gerarchica di filamenti sempre più piccoli. Ogni fibra muscolare è un fascio di miofibrille.

26 La miofribrilla è formata da due tipi di filamenti che si alternano con regolarità: filamenti sottili e filamenti spessi. I filamenti sottili sono costituiti da una coppia di filamenti proteici della proteina actina e da due filamenti di una proteina regolatrice, avvolti tra loro. I filamenti spessi sono formati da diversi filamenti della proteina miosina disposti parallelamente tra loro.

27 Le miofibrille sono formate da unità ripetute chiamate sarcomeri che rappresentano le unità funzionali fondamentali della fibra muscolare. Muscolo Fascio di fibre muscolari Singola fibra muscolare (una cellula) Nuclei Miofibrilla Banda Banda Banda chiara scura chiara Linea Z Filamenti spessi (miosina) Filamenti sottili (actina) Figura 25.7 Banda chiara Linea Z Banda scura Sarcomero Banda chiara TEM Sarcomero Linea Z

28 25.8 I muscoli si contraggono quando i filamenti sottili di actina scorrono, accavallandosi, lungo quelli spessi di miosina Il funzionamento del sarcomero è stato spiegato grazie al modello di scorrimento dei filamenti. Sarcomero Muscolo rilassato Z Banda scura Z Muscolo in fase di contrazione Muscolo completamente contratto Figura 25.8A Sarcomero contratto

29 L energia necessaria perché avvenga lo scorrimento proviene dall ATP. L ATP si lega alla testa di una molecola di miosina, provocando il suo distacco dal sito di legame presente sull actina. La scissione dell ATP in ADP e fosfato inorganico (che restano attaccati alla testa della miosina) libera l energia necessaria per la contrazione. Grazie a questa energia, la testa della molecola di miosina cambia posizione.

30 Il meccanismo dello scorrimento dei filamenti: Filamento spesso (m iosina) Linea Z Filamento ATP sottile (actina) 1 Testa della miosina La testa della miosina si lega all ATP e si stacca da un filamento di actina ADP P 2 La scissione dell ATP «carica» la testa della m iosina ADP P Ca 2+ 3 La testa della miosina, grazie alla presenza di calcio, si attacca a un sito di legame dell actina Nuova posizione della linea Z ADP +P Figura 25.8B 4 Il power stroke fa scorrere il filamento (sottile) di actina.

31 25.9 I neuroni stimolano la contrazione muscolare I sarcomeri delle fibre muscolari non si contraggono autonomamente ma in seguito alla stimolazione effettuata dai neuroni motori, o motoneuroni. Ciascun neurone motorio stimola più fibre muscolari. Il neurone motorio invia un potenziale d azione che raggiunge le fibre muscolari, facendo in modo che tutte le fibre dell unità motoria si contraggano contemporaneamente.

32 Un unità motoria è costituita da un neurone e da tutte le fibre muscolari da esso controllate. Midollo spinale Unità motoria 1 Unità motoria 2 Corpo cellulare del neurone motorio Assone del neurone motorio Giunzioni neuromuscolari Muscolo Nervo Fibre muscolari (cellule) Nuclei Tendine Osso Figura 25.9A

33 Le sinapsi tra l assone del neurone motorio e la fibra muscolare avvengono in corrispondenza della giunzione neuromuscolare. Assone del neurone motorio Potenziale d azione Mitocondrio Tubulo Reticolo endoplasmatico Figura 25.9B Miofibrilla Membrana plasmatica Sarcomero Ca 2+ rilasciato dal reticolo endoplasmatico

34 Diffondendo attraverso la giunzione neuromuscolare, l acetilcolina determina un cambiamento della permeabilità della membrana plasmatica della fibra muscolare. Il cambiamento di permeabilità fa scattare i potenziali d azione che passano attraverso la membrana della cellula muscolare, penetrando grazie ai tubuli (introflessioni della membrana plasmatica). Il reticolo endoplasmatico rilascia ioni calcio nel citoplasma che libera un sito di legame sull actina, rendendo possibile l unione tra la testa della miosina e l actina e iniziando la contrazione muscolare.