Biologia do ensino médio · Grades 10–12

9Músculos e articulações

Um jogador de futebol firma o pé, gira e cai segurando o joelho. O diagnóstico, uma hora depois: um ligamento rompido. Nada nos ossos está quebrado, nenhum músculo falhou; uma tira de tecido de alguns centímetros, cuja função era manter dois ossos alinhados, cedeu sob uma torção para a qual ela nunca foi construída. Para entender o que se rompeu, e por que o joelho vai precisar de meses para se recuperar, precisamos saber do que é feita uma articulação, como os músculos puxam nela, e que forças a atravessam quando um corpo de setenta quilogramas aterrissa sobre uma perna só.

9.1 A articulação

Definição 9.1 (Articulação)

Uma articulação é o lugar onde dois ossos se encontram. Numa articulação móvel como o joelho, o quadril, o ombro ou o cotovelo, as extremidades dos ossos são revestidas por uma camada de cartilagem lisa, de alguns milímetros de espessura, e encerradas num saco vedado, a cápsula, cujo revestimento secreta o líquido sinovial que lubrifica as superfícies. Faixas de tecido resistente, os ligamentos, vão de osso a osso através da articulação e limitam os movimentos dela aos previstos. No joelho, dois crescentes de cartilagem, os meniscos, ficam entre os ossos e distribuem a carga.

O joelho em corte: o fêmur em cima, a tíbia embaixo, a patela (rótula) à frente, no tendão do músculo da coxa; a cartilagem nas extremidades dos ossos, o menisco entre elas, os ligamentos segurando os ossos juntos.

Proposição 9.2 (Para que serve cada parte)

A cartilagem e o líquido sinovial fazem as superfícies deslizarem com menos atrito que gelo sobre gelo; os meniscos distribuem uma carga que de outro modo se concentraria em alguns milímetros quadrados; os ligamentos permitem que o joelho dobre e estique, mas resistem à torção e à flexão lateral; a cápsula mantém o líquido dentro. Cada parte tem a falha própria dela: a cartilagem se desgasta (a artrose), um menisco se rompe numa torção com o joelho dobrado, um ligamento sofre entorse ou se rompe quando a articulação é forçada além da amplitude dela.

Demonstração. Admitido neste nível. ∎

Exemplo 9.3 (Entorse, ruptura, luxação)

Torça o tornozelo num meio-fio: os ligamentos do lado de fora são esticados além do limite deles — é uma entorse; a articulação incha à medida que a cápsula sangra e o líquido se acumula. Puxe com força um isquiotibial frio: algumas fibras dele se rompem — é uma ruptura muscular. Caia sobre o braço estendido: a cabeça do úmero pode sair da cavidade dela — é uma luxação, com os ligamentos e a cápsula esticados ou rompidos no processo. Nenhuma dessas coisas é um osso quebrado; todas podem levar mais tempo para curar do que ele.

9.2 Os músculos puxam, aos pares

Definição 9.4 (Músculo esquelético e tendão)

Um músculo esquelético é um órgão feito de milhares de células compridas, as fibras musculares, reunidas em feixes; cada fibra encurta quando estimulada por um nervo. Nas duas extremidades o músculo se afina num tendão, um cordão de tecido não contrátil preso ao osso. Um músculo só consegue puxar, encurtando, e apenas ao longo do próprio comprimento: ele move uma articulação puxando o osso que está do outro lado dela.

Proposição 9.5 (Pares antagonistas)

Como um músculo não consegue empurrar, todo movimento de uma articulação exige dois músculos ou dois grupos trabalhando em oposição: um flexor que dobra a articulação e um extensor que a estica. Quando um se contrai, o outro relaxa e é esticado; para manter uma posição, os dois se contraem juntos. O bíceps flexiona o cotovelo e o tríceps o estende; o quadríceps, na frente da coxa, estende o joelho, e os isquiotibiais, atrás dele, o flexionam.

Demonstração. Admitido neste nível. ∎

Um par antagonista no cotovelo. O bíceps, preso ao antebraço logo depois da articulação, encurta e dobra o cotovelo; o tríceps, preso atrás da articulação, relaxa e é esticado. Inverta os papéis para esticar o braço.

Proposição 9.6 (Alavancas e forças)

Um osso que gira numa articulação é uma alavanca. O tendão do músculo se prende a uma distância curta $d$ do pivô, enquanto a carga age a uma distância maior $D$ ; para o equilíbrio, o músculo precisa puxar com uma força

F_{\text{músculo}} = F_{\text{carga}} \times \frac{D}{d},

várias vezes maior que a carga. O arranjo troca força por velocidade e amplitude: um encurtamento pequeno do músculo produz um movimento grande e rápido da mão ou do pé, ao preço de forças grandes no tendão e na articulação.

Demonstração. Admitido neste nível. ∎

Exemplo 9.7 (Segurar uma sacola)

Uma sacola de $5\,\mathrm{kg}$ (peso de $49\,\mathrm{N}$ ) pende da mão, a $35\,\mathrm{cm}$ do cotovelo; o tendão do bíceps se prende a $5\,\mathrm{cm}$ dele. O bíceps puxa com $49 \times 35/5 = 343\,\mathrm{N}$ — sete vezes a carga, o peso de $35\,\mathrm{kg}$ — e a articulação do cotovelo é comprimida com cerca de $300\,\mathrm{N}$ . Os músculos, os tendões e a cartilagem são construídos para essas forças; o que os danifica é uma força súbita na direção errada, ou uma carga repetida além do que o tecido consegue reparar.

O antebraço como alavanca: o bíceps puxa perto do pivô, a carga pende longe dele. F_ músculo × d = F_ carga × D, de modo que a força do músculo é D/d = 7 vezes a carga. — O antebraço como alavanca: o bíceps puxa perto do pivô, a carga pende longe dele. $F_{\text{músculo}} \times d = F_{\text{carga}} \times D$ , de modo que a força do músculo é $D/d = 7$ vezes a carga.

9.3 Por dentro do músculo

Proposição 9.8 (Estrutura de uma fibra muscular)

Uma fibra muscular é uma única célula gigante, de $10$ – $100\,\text{µ}\mathrm{m}$ de largura e até vários centímetros de comprimento, com muitos núcleos. Ela é abarrotada de miofibrilas paralelas, cada uma uma cadeia de unidades repetidas em que dois tipos de filamento de proteína, grossos e finos, se interpenetram. A contração é o deslizamento dos filamentos finos entre os grossos, movido por ATP: cada unidade encurta uma fração, a miofibrila encurta a soma delas, e a fibra encurta junto. As mitocôndrias entre as miofibrilas fornecem o ATP; uma terminação nervosa em cada fibra dá a ordem.

Demonstração. Admitido neste nível. ∎

Do músculo inteiro até as moléculas que o encurtam: cinco níveis de organização, cada um um feixe do seguinte. O deslizamento dos filamentos uns sobre os outros, repetido em cada unidade, é a contração.

Definição 9.9 (Tipos de fibra)

As fibras musculares vêm em dois tipos principais. As fibras lentas se contraem devagar e fracamente, mas sem se cansar: ricas em mitocôndrias e em capilares, avermelhadas por uma proteína que armazena oxigênio, elas funcionam com a respiração e predominam nos músculos posturais e nos atletas de resistência. As fibras rápidas se contraem depressa e com força, mas se cansam em menos de um minuto: mais pobres em mitocôndrias, mais pálidas, elas contam com a reserva de fosfato e com a fermentação e predominam nos velocistas. A proporção num dado músculo é em grande parte herdada; o treinamento muda o tamanho e o equipamento das fibras mais do que o número delas.

Exemplo 9.10 (Ler uma biópsia muscular)

Uma coloração para as enzimas das mitocôndrias numa fatia fina de músculo da coxa mostra um mosaico: fibras escuras (lentas) e fibras pálidas (rápidas). A amostra de um maratonista tem 80% de escuras; a de um velocista, 30%; a de uma pessoa não treinada, cerca de metade e metade. A mesma coloração no mesmo corredor depois de um ano de treino de velocidade mostra as fibras pálidas aumentadas, mas não mais numerosas.

9.4 Fadiga, dano, reparo

Proposição 9.11 (Limites do músculo)

Um músculo falha de três maneiras distintas. A fadiga: a força diminui quando o fornecimento de ATP não consegue acompanhar — em menos de um minuto nas fibras rápidas, ao longo de horas nas lentas — e se recupera com o descanso. A cãibra: uma contração súbita, sustentada e involuntária, muitas vezes por desidratação ou perda de sal. A lesão: fibras rompidas por uma força que ultrapassa a resistência delas, tipicamente quando o músculo está frio, cansado ou sendo esticado enquanto se contrai. As fibras se reparam ao longo de semanas a partir de células de reserva do músculo; um tendão ou um ligamento, mal irrigados de sangue, se reparam ao longo de meses.

Demonstração. Admitido neste nível. ∎

Método 9.12 (Analisar uma lesão musculoesquelética)

Identifique o movimento que a causou e a direção dele: a articulação foi movida dentro da amplitude dela (problema muscular) ou além dela (problema de ligamento ou de cápsula)?
Identifique o tecido: as fibras musculares se rompem (dor no ventre do músculo, fraqueza); os ligamentos sofrem entorse (dor e inchaço na articulação, instabilidade); os tendões inflamam sob carga repetida; a cartilagem se desgasta em silêncio ao longo de anos.
Estime a força: use a regra da alavanca; lembre que aterrissar ou frear multiplica o peso do corpo várias vezes.
Preveja a recuperação a partir da irrigação sanguínea do tecido: músculo em semanas, ligamento e tendão em meses, cartilagem quase nada.

Observação 9.13 (Por que o aquecimento funciona)

Dez minutos de movimento leve elevam a temperatura dos músculos em um ou dois graus, o que torna as proteínas deles mais extensíveis e as enzimas deles mais rápidas; ele abre os capilares que vão entregar o oxigênio do Capítulo 8, e engrossa a película de líquido sinovial sobre a cartilagem. Um músculo frio ao qual se pede uma contração máxima é a causa mais comum de uma ruptura; uma articulação carregada antes de o líquido dela se espalhar se desgasta mais depressa.

9.5 Exercícios

Exercício 9.1 ★

Cite as partes de uma articulação móvel e dê o papel de cada uma.

Solução

Solução de Exercício 9.1.

Cartilagem nas extremidades dos ossos (deslizamento suave, distribuição da carga); cápsula (veda a articulação) com o líquido sinovial dela (lubrificação); ligamentos (seguram os ossos juntos, limitam os movimentos); no joelho, os meniscos (distribuem a carga).

Exercício 9.2 ★

Qual é a diferença entre um tendão e um ligamento?

Solução

Solução de Exercício 9.2.

Um tendão une um músculo a um osso e transmite a tração dele; um ligamento une osso a osso através de uma articulação e limita o movimento dela. Nenhum dos dois se contrai.

Exercício 9.3 ★

Por que toda articulação precisa de pelo menos dois músculos para se mover?

Solução

Solução de Exercício 9.3.

Um músculo só consegue puxar encurtando; ele não consegue empurrar. Para mover uma articulação nos dois sentidos são necessários um flexor e um extensor, cada um desfazendo o que o outro fez.

Exercício 9.4 ★

Distinga uma entorse, uma ruptura muscular e uma luxação pelo tecido envolvido.

Solução

Solução de Exercício 9.4.

Entorse: um ligamento esticado ou rompido. Ruptura muscular: fibras musculares rompidas. Luxação: a extremidade de um osso forçada para fora da articulação, com a cápsula e os ligamentos esticados ou rompidos.

Exercício 9.5 ★

Dê duas diferenças entre as fibras musculares lentas e as rápidas.

Solução

Solução de Exercício 9.5.

Fibras lentas: lentas, fracas, incansáveis, ricas em mitocôndrias e em capilares, avermelhadas, funcionam com a respiração. Fibras rápidas: rápidas, potentes, cansam em um minuto, poucas mitocôndrias, pálidas, funcionam com a reserva de fosfato e com a fermentação.

Exercício 9.6 ★★

Um halter de $2\,\mathrm{kg}$ é segurado na mão, a $32\,\mathrm{cm}$ do cotovelo; o bíceps se prende a $4\,\mathrm{cm}$ dele. Calcule a força no bíceps ( $g = 9.8\,\mathrm{N}/\mathrm{kg}$ ).

Solução

Solução de Exercício 9.6.

Carga $2 \times 9.8 = 19.6\,\mathrm{N}$ ; força do bíceps $19.6 \times 32/4 \approx 157\,\mathrm{N}$ .

Exercício 9.7 ★★

Explique por que o bíceps e o tríceps precisam se contrair os dois para manter o braço parado contra um empurrão imprevisível.

Solução

Solução de Exercício 9.7.

Um empurrão pode vir de qualquer um dos dois lados, e cada músculo só consegue resistir a um. Os dois contraídos enrijecem a articulação nos dois sentidos ao mesmo tempo; de onde quer que venha o empurrão, um deles já está puxando contra ele.

Exercício 9.8 ★★

Uma fibra muscular de $3\,\mathrm{cm}$ de comprimento encurta 20% quando se contrai. De quanto a mão se desloca se o tendão da fibra se prende a $5\,\mathrm{cm}$ do cotovelo e a mão está a $35\,\mathrm{cm}$ dele?

Solução

Solução de Exercício 9.8.

A fibra encurta $0.6\,\mathrm{cm}$ ; o tendão move o osso em $0.6\,\mathrm{cm}$ a $5\,\mathrm{cm}$ do cotovelo, de modo que a mão se desloca $0.6 \times 35/5 = 4.2\,\mathrm{cm}$ .

Exercício 9.9 ★★

Por que o ombro, a articulação mais móvel do corpo, é também a que mais sofre luxações?

Solução

Solução de Exercício 9.9.

A mobilidade exige uma cavidade rasa e ligamentos frouxos; essa mesma frouxidão deixa a cabeça do úmero sair da cavidade quando uma força a empurra além da amplitude que os ligamentos conseguem segurar.

Exercício 9.10 ★★

A panturrilha de um corredor tem cãibra no fim de uma prova quente. Proponha duas causas do capítulo e um remédio.

Solução

Solução de Exercício 9.10.

A desidratação e a perda de sal pela transpiração, e a fadiga das fibras no fim da prova. Remédio: alongar o músculo com suavidade e beber água com sal.

Exercício 9.11 ★★

Usando o Exemplo 9.10, explique por que um velocista que treina para uma maratona melhora menos do que poderia melhorar uma pessoa não treinada da mesma idade.

Solução

Solução de Exercício 9.11.

A coxa do velocista tem 70% de fibras rápidas e a proporção é em grande parte herdada; o treinamento aumenta as fibras e melhora o equipamento delas, mas não converte o número delas. A pessoa não treinada parte de metade e metade e tem mais fibras lentas a desenvolver.

Exercício 9.12 ★★★

Na aterrissagem de um salto, o joelho dobra e o tendão do quadríceps carrega cerca de quatro vezes o peso do corpo. Para um atleta de $70\,\mathrm{kg}$ , calcule essa força. O tendão tem uma seção transversal de cerca de $1\,\mathrm{cm}^{2}$ e rompe por volta de $100\,\mathrm{N}/\mathrm{mm}^{2}$ ; a que distância ele está da ruptura?

Solução

Solução de Exercício 9.12.

$4 \times 70 \times 9.8 \approx 2.7\,\mathrm{kN}$ . Tensão $2744/100 \approx 27\,\mathrm{N}/\mathrm{mm}^{2}$ : cerca de um quarto da tensão de ruptura, um fator de segurança de quatro.

Exercício 9.13 ★★★

Um ligamento rompido cicatriza ao longo de meses, um músculo rompido ao longo de semanas, e a cartilagem danificada quase nada. Relacione os três com a irrigação sanguínea dos tecidos e com as células disponíveis para o reparo.

Solução

Solução de Exercício 9.13.

O músculo é ricamente irrigado de sangue e contém células de reserva que reconstroem fibras: semanas. Os ligamentos têm poucos vasos, de modo que os nutrientes e as células de reparo chegam devagar: meses. A cartilagem não tem vaso sanguíneo nenhum e quase nenhuma célula em divisão; ela é alimentada só pelo líquido sinovial e quase não se repara.

Exercício 9.14 ★★★

A musculação aumenta os músculos; o alongamento amplia a amplitude de uma articulação. Que tecido cada um deles muda, e por que nenhum dos dois muda o número de fibras?

Solução

Solução de Exercício 9.14.

A musculação engrossa as fibras (mais miofibrilas em cada uma) e o alongamento aumenta o comprimento do conjunto músculo–tendão e a tolerância da cápsula. O número de fibras é fixado no início da vida; o músculo adulto cresce ou encolhe mudando o tamanho das fibras existentes.

Exercício 9.15 ★★★

A cartilagem do joelho de uma pessoa idosa se desgastou até metade da espessura. Explique, a partir do capítulo, por que a articulação dói nas escadas, por que os meniscos importam mais do que antes, e por que os músculos em volta do joelho fazem parte do tratamento.

Solução

Solução de Exercício 9.15.

Nas escadas a articulação carrega várias vezes o peso do corpo; uma cartilagem mais fina transmite essa pressão ao osso de baixo, que tem nervos e dói. Com menos cartilagem, os meniscos são a última coisa que distribui a carga. Músculos fortes em volta do joelho absorvem parte do impacto e estabilizam a articulação, reduzindo a pressão de pico sobre a cartilagem que resta.

9.6 Problema: as forças num joelho

Problema 9.1

Problema de fim de semana — o joelho de um jogador de futebol desmontado: a alavanca da perna, a tração do músculo da coxa, o ligamento que se rompeu, e os números que um tendão carrega a cada passo

Karim, de $70\,\mathrm{kg}$ , lesionou o joelho ao girar bruscamente com o pé fincado. Tome $g = 9.8\,\mathrm{N}/\mathrm{kg}$ . O tendão do quadríceps se prende à tíbia a $5\,\mathrm{cm}$ do pivô do joelho; o empurrão do chão sobre o pé age a cerca de $20\,\mathrm{cm}$ dele quando o joelho está bem dobrado, como numa aterrissagem.

Parte I — De pé e a cada passo.

Calcule o peso de Karim.
De pé sobre uma perna com o joelho ligeiramente dobrado, o chão empurra o pé para cima com todo o peso dele, agindo a $10\,\mathrm{cm}$ do pivô do joelho. Calcule a força no tendão do quadríceps.
Subindo um degrau, o joelho fica mais dobrado e a força do chão age a $20\,\mathrm{cm}$ do pivô. Calcule de novo a força no tendão.
Expresse os dois resultados como múltiplos do peso do corpo, e explique por que as escadas cansam as coxas.
Que grupo muscular é o antagonista do quadríceps, e o que ele está fazendo durante o passo?

Parte II — A aterrissagem.

Ao cair de um cabeceio, o chão empurra com três vezes o peso de Karim, a $20\,\mathrm{cm}$ do pivô. Calcule a força no tendão.
A seção transversal do tendão é de $1.2\,\mathrm{cm}^{2}$ . Calcule a tensão nele, em newtons por milímetro quadrado, e compare com a tensão de ruptura de cerca de $100\,\mathrm{N}/\mathrm{mm}^{2}$ .
As superfícies da articulação são comprimidas uma contra a outra por cerca da força do tendão mais a força do chão. Calcule essa carga, depois a pressão sobre a cartilagem se a área de contato for de $6\,\mathrm{cm}^{2}$ com os meniscos e de $1\,\mathrm{cm}^{2}$ sem eles.
Deduza por que um joelho que perdeu um menisco desgasta a cartilagem mais depressa.
Explique com o que o líquido sinovial contribui durante a aterrissagem.

Parte III — A lesão.

O pé de Karim estava fincado e o corpo dele girou: que direção de movimento foi imposta ao joelho, e que tecido é construído para resistir a ela?
Por que o quadríceps, forte o bastante para puxar com vários quilonewtons, não protegeu o ligamento?
O joelho inchou em menos de uma hora. O que o encheu, e que parte da articulação foi rompida?
Um exame de imagem mostra o ligamento rompido e um menisco lesionado. Usando o Método 9.12, preveja o tempo de recuperação de cada um e justifique pela irrigação sanguínea deles.
Karim pergunta por que o cirurgião quer fortalecer os isquiotibiais dele antes da operação. Responda com a Proposição 9.5.

Parte IV — Cada passo conta.

Karim dá cerca de 8000 passos por dia; metade são sobre a perna lesionada. Usando a força da questão 2, quantas vezes por dia o tendão carrega pelo menos essa carga?
Ao longo de um ano, qual é o número total de solicitações? Explique por que um tendão inflamado por uso excessivo (uma tendinite) precisa de descanso, e não de força.
Numa partida ele aterrissa de saltos umas 40 vezes. Compare a carga total carregada nas aterrissagens (questão 6) com a carregada nos passos do dia.
Correr dobra a força do chão em relação a caminhar. Por que os médicos recomendam bicicleta e natação em vez de corrida para um joelho em recuperação?
Enuncie o resultado: o múltiplo do peso do corpo carregado pelo tendão do quadríceps num degrau e numa aterrissagem, e o único tecido do joelho cuja resistência esses números nunca puseram à prova — até o giro.

Solução

Solução de Problema 9.1.

1. $70 \times 9.8 = 686\,\mathrm{N}$ .

2. $686 \times 10/5 \approx 1.4\,\mathrm{kN}$ .

3. $686 \times 20/5 \approx 2.7\,\mathrm{kN}$ .

4. Duas e quatro vezes o peso do corpo: a cada degrau o quadríceps puxa com o peso de quatro pessoas, e é por isso que as coxas ardem numa subida longa.

5. Os isquiotibiais, atrás da coxa; eles relaxam e são esticados enquanto o quadríceps estica o joelho, contraindo-se de leve para estabilizar a articulação.

6. Força do chão $3 \times 686 \approx 2.06\,\mathrm{kN}$ ; força no tendão $2058 \times 20/5 \approx 8.2\,\mathrm{kN}$ , doze vezes o peso do corpo.

7. $8232/120 \approx 69\,\mathrm{N}/\mathrm{mm}^{2}$ : cerca de dois terços da tensão de ruptura. Cada aterrissagem usa quase toda a margem do tendão.

8. Carga $8.2 + 2.1 \approx 10.3\,\mathrm{kN}$ . Com os meniscos: $10300/600 \approx 17\,\mathrm{N}/\mathrm{mm}^{2}$ ; sem eles: $10300/100 \approx 103\,\mathrm{N}/\mathrm{mm}^{2}$ , seis vezes mais.

9. Seis vezes a pressão sobre a mesma cartilagem a cada aterrissagem: a superfície é esmagada mais depressa do que consegue ser mantida, e se desgasta.

10. Uma película de líquido entre as cartilagens, para que elas deslizem durante a flexão sem atrito seco, e um leve amortecimento do impacto.

11. Uma torção da tíbia sob o fêmur, com uma flexão lateral: rotações para as quais o joelho não é construído, e às quais os ligamentos estão ali para resistir.

12. O quadríceps só puxa ao longo da perna, esticando o joelho; ele não tem ação nenhuma contra uma torção. E a lesão acontece em poucos centésimos de segundo, mais depressa que qualquer resposta muscular.

13. Sangue dos vasos do ligamento rompido e da cápsula, mais líquido sinovial em excesso: a cápsula foi rompida ou inflamou e a articulação se encheu.

14. O ligamento, mal irrigado de sangue, precisa de meses e muitas vezes de cirurgia; o menisco lesionado, cartilagem quase sem vasos, em geral não cicatriza e a parte rompida é aparada ou suturada.

15. Os isquiotibiais são os antagonistas do quadríceps e puxam a tíbia para trás; um par forte contraindo-se junto enrijece o joelho contra o deslizamento para a frente que o ligamento rompido não impede mais, protegendo a articulação antes e depois da cirurgia.

16. Cerca de 4000 vezes por dia a $1.4\,\mathrm{kN}$ ou mais.

17. Cerca de $1.5 \times 10^{6}$ solicitações por ano. A tendinite é um dano que se acumula mais depressa que o reparo lento do tecido do tendão; só o descanso deixa o reparo alcançá-lo, já que a força não reduz a carga de cada passo.

18. Aterrissagens $40 \times 8.2 \approx 330\,\mathrm{kN}$ ao todo; passos $4000 \times 1.4 \approx 5600\,\mathrm{kN}$ — os passos carregam dezessete vezes mais carga total, mas as aterrissagens carregam os picos que ameaçam romper.

19. Dobrar a força do chão dobra as forças no tendão e na articulação a cada passada; a bicicleta e a natação trabalham os músculos carregando o joelho bem abaixo do peso do corpo.

20. O tendão do quadríceps carrega quatro vezes o peso do corpo num degrau e cerca de doze numa aterrissagem; os ligamentos, que essas cargas nunca põem à prova, foram o tecido que a torção encontrou.

Termos definidos neste capítulo

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