Capítulo 6. Contracción del músculo esquelético PDF

# CAPÍTULO 6 Contracción del músculo esquelético ## UNIDAD II Fisiología de la membrana, el nervio y el músculo Aproximadamente el 40% del cuerpo es músculo esquelético, y tal vez otro 10% es músculo liso y cardíaco. Algunos de los principios básicos de la contracción se aplican también a los dife...

# CAPÍTULO 6 Contracción del músculo esquelético ## UNIDAD II Fisiología de la membrana, el nervio y el músculo Aproximadamente el 40% del cuerpo es músculo esquelético, y tal vez otro 10% es músculo liso y cardíaco. Algunos de los principios básicos de la contracción se aplican también a los diferentes tipos de músculos. En este capítulo se considera principalmente la función del músculo esquelético; las funciones especializadas del músculo liso se analizan en el capítulo 8 y el músculo cardíaco se analiza en el capítulo 9. ## ANATOMÍA FISIOLÓGICA DEL MÚSCULO ESQUELÉTICO **Figura 6-1** ilustra que los músculos esqueléticos están formados por numerosas fibras cuyo diámetro varía entre 10 y 80 µm. Cada una de estas fibras está formada por subunidades cada vez más pequeñas, que también se muestran en la figura 6-1 y que se describen en los párrafos siguientes. En la mayoría de los músculos esqueléticos, las fibras se extienden a lo largo de toda la longitud del músculo. Todas las fibras, excepto alrededor de un 2%, habitualmente están inervadas por una sola terminación nerviosa localizada cerca del punto medio de la fibra. **El sarcolema** es una fina membrana que envuelve a una fibra musculoesquelética. El sarcolema está formado por una membrana celular verdadera, denominada membrana plasmática, y una cubierta externa formada por una capa delgada de material polisacárido que contiene numerosas fibrillas delgadas de colágeno. En cada uno de los dos extremos de la fibra muscular la capa superficial del sarcolema se fusiona con una fibra tendinosa. Las fibras tendinosas a su vez se agrupan en haces para formar los tendones musculares, que después insertan los músculos en los huesos. **Las miofibrillas** están formadas por filamentos de actina y miosina. Cada fibra muscular contiene varios cientos a varios miles de miofibrillas, que se representan en la vista en sección transversal de la **figura 6-1C**. Cada miofibrilla (v. **fig. 6-1D y E**) está formada por aproximadamente 1.500 filamentos de miosina y 3.000 filamentos de actina adyacentes entre sí, que son grandes moléculas proteicas polimerizadas responsables de la contracción muscular. Estos filamentos se pueden ver en una imagen longitudinal en la microfotografía electrónica de la **figura 6-2** y se representan esquemáticamente en la **figura 6-1E a L**. Los filamentos gruesos de los diagramas son miosina y los filamentos delgados son actina. Obsérvese en la **figura 6-1E** que los filamentos de miosina y de actina se interdigitan parcialmente y de esta manera hacen que las miofibrillas tengan bandas claras y oscuras alternas, como se ilustra en la **figura 6-2**. Las bandas claras contienen solo filamentos de actina y se denominan **bandas I** porque son isótropas a la luz polarizada. Las bandas oscuras contienen filamentos de miosina, así como los extremos de los filamentos de actina en el punto en el que se superponen con la miosina, y se denominan **bandas A** porque son anisótropas a la luz polarizada. Obsérvense también las pequeñas proyecciones que se originan en los lados de los filamentos de miosina en la **figura 6-1E y L**, y que se denominan **puentes cruzados**. La interacción entre estos puentes cruzados y los filamentos de actina produce la contracción (*vídeo 6-1*). La **figura 6-1E** también muestra que los extremos de los filamentos de actina están unidos al disco Z. Desde este disco estos filamentos se extienden en ambas direcciones para interdigitarse con los filamentos de miosina. El disco Z, que está formado por proteínas filamentosas distintas de los filamentos de actina y miosina, atraviesa las miofibrillas y también pasa desde unas miofibrillas a otras, uniéndolas entre sí a lo largo de toda la longitud de la fibra muscular. Por tanto, toda la fibra muscular tiene bandas claras y oscuras, al igual que las miofibrillas individuales. Estas bandas dan al músculo esquelético y cardíaco su aspecto estriado. La porción de la miofibrilla (o de la fibra muscular entera) que está entre dos discos Z sucesivos se denomina **sarcómero**. Cuando la fibra muscular está contraída, como se muestra en la parte inferior de la **figura 6-5**, la longitud del sarcómero es de aproximadamente 2 µm. Cuando el sarcómero tiene esta longitud, los filamentos de actina se superponen completamente con los filamentos de miosina y las puntas de los filamentos de actina están comenzando ya a superponerse entre sí. Como se expone más adelante, a esta longitud el músculo es capaz de generar su máxima fuerza de contracción. **Las moléculas filamentosas de titina mantienen en su lugar los filamentos de miosina y actina**. La relación de yuxtaposición entre los filamentos de miosina y de actina se mantiene por medio de un gran número de moléculas filamentosas de una proteína denominada titina (**fig. 6-3**). Cada molécula de titina tiene un peso molecular de aproximadamente 3 millones, lo que hace que sea una de las mayores moléculas proteicas del cuerpo. Además, como es filamentosa, es muy elástica. Estas moléculas elásticas de titina actúan como armazón que mantiene en su posición los filamentos de ## UNIDAD II Fisiología de la membrana, el nervio y el músculo **Figura 6-1.** A-E. Organización del músculo esquelético, desde el nivel macroscópico hasta el nivel molecular. F-I. Cortes transversales en los niveles indicados. **Figura 6-2.** Microfotografía electrónica de las miofibrillas musculares que muestra la organización detallada de los filamentos de actina y miosina. Obsérvense las mitocondrias situadas entre las miofibrillas. (Tomado de Fawcett DW: _The Cell_. Philadelphia: WB Saunders, 1981.) **Figura 6-3.** Organización de proteínas en un sarcómero. Cada molécula de titina se extiende desde el disco Z a la línea M. Parte de la molécula de titina está asociada estrechamente con el grueso filamento de miosina, mientras que el resto de la molécula es elástica y cambia de longitud cuando el sarcómero se contrae y se relaja. miosina y de actina, de modo que funcione la maquinaria contráctil del sarcómero. Un extremo de la molécula de titina es elástico y está unido al disco Z; para actuar a modo de muelle y con una longitud que cambia según el sarcómero se contrae y se relaja. La otra parte de la molécula de titina la une al grueso filamento de miosina. La molécula de titina puede también actuar como molde para la formación inicial de porciones de los filamentos contráctiles del sarcómero, especialmente los filamentos de miosina. **El sarcoplasma** es el fluido intracelular entre las miofibrillas. Muchas miofibrillas están yuxtapuestas suspendidas en cada fibra muscular. Los espacios entre las miofibrillas están llenos de un líquido intracelular denominado sarcoplasma, que contiene grandes cantidades de potasio, magnesio y fosfato, además de múltiples enzimas proteicas. También hay muchas mitocondrias que están dispuestas paralelas a las miofibrillas. Estas mitocondrias proporcionan a las miofibrillas en contracción grandes cantidades de energía en forma de trifosfato de adenosina (ATP), que es formado por las mitocondrias. **El retículo sarcoplásmico** es un retículo endoplásmico especializado de músculo esquelético. En el sarcoplasma que rodea a las miofibrillas de todas las fibras musculares también hay un extenso retículo (**fig. 6-4**) denominado **Figura 6-4.** Retículo sarcoplásmico en los espacios que hay entre las miofibrillas que muestra un sistema longitudinal que sigue un trayecto paralelo a las miofibrillas. También se muestran en sección transversal los túbulos T (flechas) que se dirigen hacia el exterior de la membrana de la fibra y que participan en la transmisión de la señal eléctrica hacia el centro de la fibra muscular. (Tomado de Fawcett DW: _The Cell_. Philadelphia: WB Saunders, 1981.) retículo sarcoplásmico. Este retículo tiene una organización especial que es muy importante para regular el almacenamiento, la liberación y la recaptación de calcio y, por tanto, para controlar la contracción muscular, como se analiza en el capítulo 7. Los tipos de fibras musculares de contracción rápida tienen retículos sarcoplásmicos especialmente extensos. ## MECANISMO GENERAL DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR El inicio y la ejecución de la contracción muscular se producen en las siguientes etapas secuenciales: 1. Un potencial de acción viaja a lo largo de una fibra motora hasta sus terminales sobre las fibras musculares. 2. En cada terminal, el nervio secreta una pequeña cantidad del neurotransmisor acetilcolina. 3. La acetilcolina actúa en una zona local de la membrana de la fibra muscular para abrir múltiples canales de cationes activados por acetilcolina a través de moléculas proteicas que flotan en la membrana. 4. La apertura de los canales activados por acetilcolina permite que grandes cantidades de iones sodio difundan hacia el interior de la membrana de la fibra muscular. Esta acción provoca una despolarización local que, a su vez, conduce a la apertura de los canales de sodio activados por el voltaje, que inicia un potencial de acción en la membrana. 5. El potencial de acción viaja a lo largo de la membrana de la fibra muscular de la misma manera que los potenciales de acción viajan a lo largo de las membranas de las fibras nerviosas. 6. El potencial de acción despolariza la membrana muscular, y buena parte de la electricidad del potencial de acción fluye a través del centro de la fibra muscular, donde hace que el retículo sarcoplásmico libere grandes cantidades de iones calcio que se han almacenado en el interior de este retículo. ## MECANISMO MOLECULAR DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR La contracción muscular se produce por un mecanismo de deslizamiento de los filamentos. La **figura 6-5** muestra el mecanismo básico de la contracción muscular, el estado relajado de un sarcómero (arriba) y su estado contraído (abajo). En el estado relajado, los extremos de los filamentos de actina que se extienden entre dos discos Z sucesivos apenas comienzan a superponerse entre sí. Por el contrario, en el estado contraído estos filamentos de actina han sido traccionados hacia dentro entre los filamentos de miosina, de modo que sus extremos se superponen entre sí en su máxima extensión. Además, los discos Z han sido traccionados por los filamentos de actina hasta los extremos de los filamentos de miosina. Así, la contracción muscular se produce por un mecanismo de deslizamiento de los filamentos. Pero ¿qué hace que los filamentos de actina se deslicen hacia dentro entre los filamentos de miosina? Esta acción está producida por las fuerzas que se generan por la interacción de los puentes cruzados que van desde los filamentos de miosina a los filamentos de actina. En condiciones de reposo estas fuerzas están inactivas, pero cuando un potencial de acción viaja a lo largo de la fibra muscular, esto hace que el retículo sarcoplásmico libere grandes cantidades de iones calcio que **Figura 6-5.** Estados relajado y contraído de una miofibrilla que muestran (arriba) deslizamiento de los filamentos de actina (rosa) en los espacios que hay entre los filamentos de miosina (rojo) y (abajo) la aproximación entre sí de las membranas Z. rodean rápidamente a las miofibrillas. A su vez, los iones calcio activan las fuerzas de atracción entre los filamentos de miosina y de actina y comienza la contracción. Sin embargo, es necesaria energía para que se realice el proceso contráctil. Esta energía procede de los enlaces de alta energía de la molécula de ATP, que es degradada a difosfato de adenosina (ADP) para liberarla. En los siguientes apartados describimos estos procesos moleculares de la contracción. ## Características moleculares de los filamentos contráctiles **Los filamentos de miosina** están compuestos por múltiples moléculas de miosina. Cada una de las moléculas de miosina, mostradas en la **figura 6-6A**, tiene un peso molecular de aproximadamente 480.000. La **figura 6-6B** muestra la organización de muchas moléculas para formar un filamento de miosina, así como la interacción de este filamento por un lado con los extremos de dos filamentos de actina. **La molécula de miosina** (v. **fig. 6-6A**) está formada por seis cadenas polipeptídicas, dos cadenas pesadas, cada una de las cuales tiene un peso molecular de aproximadamente 200.000, y cuatro cadenas ligeras, que tienen un peso molecular de aproximadamente 20.000 cada una. Las dos cadenas pesadas se enrollan entre sí en espiral para formar una hélice doble, que se denomina cola de la molécula de miosina. Un extremo de cada una de estas cadenas se pliega bilateralmente para formar una estructura polipeptídica globular denominada cabeza de la miosina. Así, hay dos cabezas libres en un extremo de la molécula de miosina de doble hélice. Las cuatro cadenas ligeras también forman parte de la cabeza de la miosina, dos en cada cabeza. Estas cadenas ligeras ayudan a controlar la función de la cabeza durante la contracción muscular. **El filamento de miosina** está formado por 200 o más moléculas individuales de miosina. En la **figura 6-6B** se muestran **Figura 6-6.** A. Molécula de miosina. B. Combinación de muchas moléculas de miosina para formar un filamento de miosina. También se muestran miles de puentes cruzados de miosina y la interacción entre las cabezas de los puentes cruzados con los filamentos de actina adyacentes. la porción central de uno de estos filamentos y las colas de las moléculas de miosina agrupadas entre sí para formar el cuerpo del filamento, mientras que hay muchas cabezas de las moléculas por fuera de los lados del cuerpo. Además, parte del cuerpo de cada una de las moléculas de miosina se prolonga hacia la región lateral junto a la cabeza, formando de esta manera un brazo que separa la cabeza del cuerpo, como se muestra en la figura. Los brazos y las cabezas que protruyen se denominan en conjunto **puentes cruzados**. Cada puente cruzado es flexible en dos puntos denominados bisagras, una en el punto en el que el brazo sale del cuerpo del filamento de miosina y la otra en el punto en el que la cabeza se une al brazo. Los brazos articulados permiten que las cabezas se separen del cuerpo del filamento de miosina o que se aproximen a este. Las cabezas articuladas, a su vez, participan en el proceso de contracción, como se analiza en los apartados siguientes. La longitud total de los filamentos de miosina es uniforme, casi exactamente 1,6 µm. Sin embargo, se debe tener en cuenta que no hay cabezas de puentes cruzados en el centro del filamento de miosina en una distancia de aproximadamente 0,2 µm, porque los brazos articulados se separan desde el centro. Ahora, para completar este cuadro, el filamento de miosina está enrollado de modo que cada par sucesivo de puentes cruzados está desplazado en sentido axial 120° con respecto al par previo. Esta torsión garantiza que los puentes cruzados se extiendan en todas las direcciones alrededor del filamento. **Actividad adenosina trifosfatasa de la cabeza de miosina.** Otra característica de la cabeza de la miosina que es esencial para la contracción muscular es que actúa como una enzima adenosina trifosfatasa (ATPasa). Como se explica más adelante, esta propiedad permite que la cabeza escinda el ATP y que utilice la energía procedente del enlace fosfato de alta energía del ATP para aportar energía al proceso de la contracción. **Los filamentos de actina** están formados por actina, tropomiosina y troponina. El esqueleto del filamento de actina es una molécula de la proteína F-actina bicatenaria, que se representa por las dos hebras de color claro de la **figura 6-7**. Las dos hebras están enroscadas en una hélice de la misma manera que la molécula de miosina. **Cada una de las hebras de la doble hélice de F-actina** está formada por moléculas de G-actina polimerizadas, cada una de las cuales tiene un peso molecular de aproximadamente 42.000. A cada una de estas moléculas de G-actina se le une una molécula de ADP. Se piensa que estas moléculas de ADP son los puntos activos de los filamentos de actina con los que interactúan los puentes cruzados de los filamentos de miosina **Figura 6-7.** Filamento de actina, formado por dos hebras helicoidales de moléculas de F-actina y dos hebras de moléculas de tropomiosina que se disponen en los surcos que hay entre las hebras de actina. Hay un complejo de troponina unido a un extremo de cada una de las moléculas de tropomiosina que inicia la contracción. para producir la contracción muscular. Los puntos activos de las dos hebras de F-actina están escalonados, lo que permite que haya un punto activo en toda la longitud del filamento de actina cada 2,7 nm. **Cada uno de los filamentos de actina tiene una longitud de aproximadamente 1 µm.** Las bases de los filamentos de actina se anclan fuertemente en los discos Z; los extremos de los filamentos protruyen en ambas direcciones para situarse en los espacios que hay entre las moléculas de miosina, como se muestra en la **figura 6-5**. **Moléculas de tropomiosina.** El filamento de actina también contiene otra proteína, la tropomiosina. Cada molécula de tropomiosina tiene un peso molecular de 70.000 y una longitud de 40 nm. Estas moléculas están enrolladas en espiral alrededor de los lados de la hélice de F-actina. En estado de reposo las moléculas de tropomiosina recubren los puntos activos de las hebras de actina, de modo que no se puede producir atracción entre los filamentos de actina y de miosina para producir la contracción. Dicha contracción tiene lugar solo cuando una señal apropiada origina un cambio conformacional en la tropomiosina que «descubre» sitios activos en la molécula de actina e inicia la contracción, como se explica más adelante. **Troponina y su función en la contracción muscular.** Unidas de manera intermitente a lo largo de los lados de las moléculas de tropomiosina hay otras moléculas proteicas denominadas troponina. Estas moléculas proteicas son en realidad complejos de tres subunidades proteicas unidas entre sí de manera laxa, cada una de las cuales tiene una función específica en el control de la contracción muscular. Una de las subunidades (troponina I) tiene una gran afinidad por la actina, otra (troponina T) por la tropomiosina y la tercera (troponina C) por los iones calcio. Se cree que este complejo une la tropomiosina a la actina y que la intensa afinidad de la troponina por los iones calcio inicia el proceso de la contracción, como se explica en el apartado siguiente. ## Interacción de un filamento de miosina, dos filamentos de actina y los iones calcio para producir la contracción **Inhibición del filamento de actina por el complejo troponina-tropomiosina.** Un filamento de actina puro sin la presencia del complejo troponina-tropomiosina (pero en presencia de iones magnesio y ATP) se une instantánea e intensamente a las cabezas de las moléculas de miosina. Después, si se añade el complejo troponina-tropomiosina al filamento de actina, no se produce la unión entre la miosina y la actina. Por tanto, se piensa que los puntos activos del filamento de actina normal del músculo relajado son inhibidos o cubiertos físicamente por el complejo troponina-tropomiosina. En consecuencia, estos puntos no se pueden unir a las cabezas de los filamentos de miosina para producir la contracción. Antes de que se produzca la contracción, se debe inhibir el efecto bloqueante del complejo troponina-tropomiosina. **Activación del filamento de actina por iones calcio.** En presencia de grandes cantidades de iones calcio, se inhibe el propio efecto inhibidor del complejo troponina-tropomiosina sobre los **Figura 6-8.** Mecanismo de cremallera de la contracción muscular. filamentos de actina. No se conoce el mecanismo de esta inhibición, aunque se ha presentado una hipótesis: cuando los iones calcio se combinan con la troponina C, de la que una molécula se puede unir intensamente con hasta cuatro iones calcio, el complejo de troponina experimenta un cambio conformacional que en cierto modo tira de la molécula de tropomiosina y la desplaza hacia zonas más profundas del surco que hay entre las dos hebras de actina. Esta acción descubre los puntos activos de la actina, permitiendo de esta manera que atraigan a las cabezas del puente cruzado de miosina y que produzcan la contracción. Aunque este mecanismo es hipotético, pone de relieve que la relación normal entre el complejo troponina-tropomiosina y la actina es alterada por los iones calcio, dando lugar a una nueva situación que lleva a la contracción. ## Interacción entre el filamento de actina activado y los puentes cruzados de miosina: teoría de la cremallera de la contracción Tan pronto como el filamento de actina es activado por los iones calcio, las cabezas de los puentes cruzados de los filamentos de miosina son atraídos hacia los puntos activos del filamento de actina e inicia la contracción. Aunque el mecanismo preciso mediante el que esta interacción entre los puentes cruzados y la actina produce la contracción sigue siendo en parte teórico, una hipótesis para la que hay datos considerables es la teoría de la cremallera (o teoría del trinquete) de la contracción. **La figura 6-8** muestra este hipotético mecanismo de la cremallera de la contracción. La figura muestra las cabezas de dos puentes cruzados uniéndose y liberándose de los puntos activos de un filamento de miosina. Cuando una cabeza se une a un punto activo, esta unión produce simultáneamente cambios profundos en las fuerzas intramoleculares entre la cabeza y el brazo de este puente cruzado. La nueva alineación de las fuerzas hace que la cabeza se desplace hacia el brazo y que arrastre con ella al filamento de actina. Este desplazamiento de la cabeza se denomina golpe activo. Inmediatamente después del desplazamiento, la cabeza se separa automáticamente del punto activo; a continuación, la cabeza recupera su dirección extendida. En esta posición se combina con un nuevo punto activo que está más abajo a lo largo del filamento de actina; después la cabeza se desplaza una vez más para producir un nuevo golpe activo, y el filamento de actina avanza otro paso. Así, las cabezas de los puentes cruzados se incurvan hacia atrás y hacia delante y paso a paso recorren el filamento de actina, desplazando los extremos de dos filamentos de actina sucesivos hacia el centro del filamento de miosina. Se piensa que cada uno de los puentes cruzados actúa independientemente de todos los demás, uniéndose y tirando en un ciclo repetido continuo. Por tanto, cuanto mayor sea el número de puentes cruzados que estén en contacto con el filamento de actina en un momento dado, mayor será la fuerza de contracción. ## ATP como fuente de energía para la contracción: fenómenos químicos en el movimiento de las cabezas de miosina Cuando se contrae el músculo, se realiza un trabajo y es necesaria energía. Durante el proceso de contracción se escinde grandes cantidades de ATP para formar ADP; cuanto mayor sea la magnitud del trabajo que realiza el músculo, mayor será la cantidad de ATP que se escinde, lo que se denomina efecto de Fenn. Se piensa que este efecto se produce por medio de la siguiente secuencia de acontecimientos: 1. Antes de que comience la contracción, las cabezas de los puentes cruzados se unen al ATP. La actividad ATPasa de la cabeza de miosina escinde inmediatamente el ATP, aunque deja los productos de la escisión, el ADP y el ion fosfato, unidos a la cabeza. En este estado la conformación de la cabeza es tal que se extiende perpendicularmente hacia el filamento de actina, pero todavía no está unida a ella. 2. Cuando el complejo troponina-tropomiosina se une a los iones calcio quedan al descubierto los puntos activos del filamento de actina, y entonces las cabezas de miosina se unen a estos sitios, como se muestra en la figura 6-8. 3. El enlace entre la cabeza del puente cruzado y el punto activo del filamento de actina produce un cambio conformacional de la cabeza, lo que hace que la cabeza se desplace hacia el brazo del puente cruzado, lo que proporciona el golpe activo para tirar del filamento de actina. La energía que activa el golpe activo es la energía que ya se ha almacenado, como un muelle comprimido por el cambio conformacional que se había producido previamente en la cabeza cuando se escindió la molécula de ATP. 4. Una vez que se desplaza la cabeza del puente cruzado, se facilita la liberación del ADP y el ion fosfato que previamente estaban unidos a la cabeza. En el punto de liberación del ADP se une una nueva molécula de ATP, lo cual hace que la cabeza se separe de la actina. 5. Después de que la cabeza se haya separado de la actina, se escinde la nueva molécula de ATP para comenzar el ciclo siguiente, dando lugar a un nuevo golpe activo. Es decir, la energía comprime la cabeza una vez más a su situación perpendicular, dispuesta para comenzar el nuevo ciclo de golpe activo. 6. Cuando la cabeza comprimida (con su energía almacenada procedente del ATP escindido) se une a un nuevo punto activo del filamento de actina, se estira y una vez más proporciona un nuevo golpe activo. De esta manera el proceso se realiza una y otra vez hasta que los filamentos de actina han desplazado la membrana Z hasta los extremos de los filamentos de miosina o hasta que la carga que se ejerce sobre el músculo se hace demasiado grande como para que se produzca una tracción adicional. ## La cantidad de superposición de los filamentos de actina y miosina determina la tensión desarrollada por el músculo en contracción La **figura 6-9** muestra el efecto de la longitud del sarcómero y de la cantidad de la superposición entre los filamentos de miosina y de actina sobre la tensión activa que desarrolla una fibra muscular en contracción. A la derecha se muestran distintos grados de superposición entre los filamentos de miosina y actina a diversas longitudes del sarcómero. En el punto D del diagrama el filamento de actina ha producido una tracción de toda la longitud hasta el final del filamento de miosina, sin superposición entre la actina y la miosina. En este punto la tensión que desarrolla el músculo activado es cero. Después, a medida que el sarcómero se acorta y que el filamento de actina comienza a superponerse al filamento de miosina, la tensión aumenta progresivamente hasta que la longitud del sarcómero disminuye a aproximadamente 2,2 µm. En este punto el filamento de actina ya se ha superpuesto a todos los puentes cruzados del filamento de miosina, aunque todavía no ha alcanzado el centro del filamento de miosina. Con un acortamiento adicional el sarcómero mantiene la tensión completa hasta que se llega al punto B, a una longitud del sarcómero de aproximadamente 2 µm. En este punto los extremos de los dos filamentos de actina comienzan a superponerse entre sí además de superponerse a los filamentos de miosina. A medida que la longitud del sarcómero disminuye desde 2 µm hasta aproximadamente 1,65 µm, en el punto A, se produce una rápida disminución de la fuerza de la contracción. En este punto los dos discos Z del sarcómero se encuentran apoyados en los extremos de los filamentos de miosina. Después, a medida que se produce la contracción hasta longitudes del sarcómero aún menores, los extremos de los filamentos de miosina están corrugados y, como se muestra en la figura, la fuerza de la contracción se aproxima a cero, aunque el sarcómero ya se ha contraído hasta su mínima longitud. **Figura 6-9.** Diagrama longitud-tensión de un sarcómero único contraído totalmente que muestra la máxima fuerza de contracción cuando el sarcómero mide de 2 a 2,2 µm de longitud. En la parte superior derecha están las posiciones relativas de los filamentos de actina y miosina a diferentes longitudes del sarcómero desde el punto A hasta el punto D. (Modificado de Gordon AM, Huxley AF, Julian FJ: _The length-tension diagram of single vertebrate striated muscle fibers_. _J Physiol_ 171:28P, 1964.) **Figura 6-10.** Relación entre la longitud y la tensión del músculo antes y durante la contracción muscular. ## Efecto de la longitud muscular sobre la fuerza de contracción en el músculo intacto entero La curva superior de la **figura 6-10** es similar a la de la **figura 6-9**, pero la curva de la **figura 6-10** representa la tensión del músculo entero intacto y no la de una única fibra muscular. El músculo entero tiene una gran cantidad de tejido conjuntivo; además, los sarcómeros de diferentes partes del músculo no siempre se contraen la misma magnitud. Por tanto, la curva tiene unas dimensiones algo diferentes de las que se muestran para la fibra muscular individual, aunque muestra la misma forma general para la pendiente en el intervalo normal de contracción, como se muestra en la **figura 6-10**. Obsérvese en la **figura 6-10** que cuando el músculo está en su longitud normal en reposo, que corresponde a una longitud del sarcómero de aproximadamente 2 µm, se contrae con una fuerza de contracción próxima a la fuerza máxima cuando es activado. Sin embargo, el aumento de la tensión que se produce durante la contracción, denominado tensión activa, se reduce a medida que el músculo es distendido más allá de su longitud normal, es decir, hasta una longitud del sarcómero mayor de aproximadamente 2,2 µm. Este fenómeno se demuestra por la disminución de la longitud de la flecha de la figura a una longitud del músculo mayor de lo normal. ## Relación de la velocidad de contracción con la carga Un músculo esquelético se contrae rápidamente cuando lo hace frente a una carga nula, hasta un estado de contracción completa en aproximadamente 0,1 s para un músculo medio. Cuando se aplican cargas, la velocidad de la contracción se hace cada vez más lenta a medida que aumenta la carga, como se muestra en la **figura 6-11**. Cuando la carga ha aumentado hasta la fuerza máxima que puede ejercer el músculo, la velocidad de contracción se hace cero y no se produce ninguna contracción, a pesar de la activación de la fibra muscular. **Figura 6-11.** Relación entre la carga y la velocidad de contracción de un músculo esquelético que tiene una sección transversal de 1 cm² y una longitud de 8 cm. La disminución de la velocidad de contracción al aumentar la carga sucede porque una carga sobre un músculo en contracción es una fuerza inversa que se opone a la fuerza contráctil que produce la contracción muscular. Por tanto, la fuerza neta de que se dispone para producir la velocidad de acortamiento está reducida de manera proporcional. ## ENERGÉTICA DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR ### Generación de trabajo durante la contracción muscular Cuando un músculo se contrae contra una carga realiza un trabajo. Esto significa que se transfiere energía desde el músculo hasta la carga externa para levantar un objeto hasta una mayor altura o para superar la resistencia al movimiento. En términos matemáticos el trabajo se define mediante la siguiente ecuación: ~~~ T=CxD ~~~ donde T es el trabajo generado, C es la carga y D es la distancia del movimiento que se opone a la carga. La energía necesaria para realizar el trabajo procede de las reacciones químicas de las células musculares durante la contracción, como se describe en los apartados siguientes. ### Tres fuentes de energía para la contracción muscular La mayor parte de la energía necesaria para la contracción muscular se utiliza para activar el mecanismo de cremallera mediante el cual los puentes cruzados tiran de los filamentos de actina, aunque son necesarias cantidades pequeñas para: 1) bombear iones calcio desde el sarcoplasma hacia el interior del retículo sarcoplásmico después de que haya finalizado la contracción, y 2) para bombear iones sodio y potasio a través de la membrana de la fibra muscular para mantener un entorno iónico adecuado para la propagación de los potenciales de acción de la fibra muscular. La concentración de ATP en la fibra muscular, de aproximadamente 4 milimolar, es suficiente para mantener la contracción completa durante solo 1 a 2 s como máximo. El ATP se escinde para formar ADP, que transfiere la energía de la molécula de ATP a la maquinaria contráctil de la fibra muscular. Después, como se describe en el capítulo 2, el ADP se vuelve a fosforilar para formar nuevo ATP en otra fracción de segundo, lo que permite que el músculo mantenga su contracción. Hay varias fuentes de energía para esta nueva fosforilación. La primera fuente de energía que se utiliza para reconstituir el ATP es la sustancia fosfocreatina, que contiene un enlace fosfato de alta energía similar a los enlaces del ATP. El enlace fosfato de alta energía de la fosfocreatina tiene una cantidad ligeramente mayor de energía libre que la de cada uno de los enlaces del ATP, como se analiza con más detalle en los capítulos 68 y 73. Por tanto, la fosfocreatina se escinde inmediatamente y la energía que se libera produce el enlace de un nuevo ion fosfato al ADP para reconstituir el ATP. Sin embargo, la cantidad total de fosfocreatina en la fibra muscular también es pequeña, solo aproximadamente cinco veces mayor que la de ATP. Por tanto, la energía combinada del ATP y de la fosfocreatina almacenados en el músculo es capaz de producir una contracción muscular máxima durante solo 5 a 8 s. La segunda fuente importante de energía, que se utiliza para reconstituir tanto el ATP como la fosfocreatina, es un proceso denominado glucólisis (degradación) del glucógeno que se ha almacenado previamente en las células musculares. La escisión enzimática rápida del glucógeno en ácido pirúvico y ácido láctico libera energía que se utiliza para convertir el ADP en ATP; después se puede utilizar directamente el ATP para aportar energía a la contracción muscular adicional y también para reconstituir los almacenes de fosfocreatina. La importancia de este mecanismo de glucólisis es doble. Primero, las reacciones glucolíticas se pueden producir incluso en ausencia de oxígeno, de modo que se puede mantener la contracción muscular durante muchos segundos y a veces hasta más de 1 min, aun cuando no se disponga de aporte de oxígeno desde la sangre. Segundo, la velocidad de formación de ATP por la glucólisis es aproximadamente 2,5 veces más rápida que la formación de ATP en respuesta a la reacción de los nutrientes celulares con el oxígeno. Sin embargo, se acumulan tantos productos finales de la glucólisis en las células musculares que la glucólisis también pierde su capacidad de mantener una contracción muscular máxima después de aproximadamente 1 min. La tercera y última fuente de energía es el metabolismo oxidativo, lo que supone combinar oxígeno con los productos finales de la glucólisis y con otros diversos nutrientes celulares para liberar ATP. Más del 95% de toda