Tema 6 y 7_ Fisiología De La Contracción Muscular PDF

Tema 6: BASES FISIOLÓGICAS DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR Dr. Jordi Lafarga ®  INTRODUCCIÓN La fibra muscular esquelética estriada (FMEE) es una célula excitable: cuando una neurona motora excita a la FMEE se producirán una serie de cambios en su polari...

Tema 6: BASES FISIOLÓGICAS DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR Dr. Jordi Lafarga ®  INTRODUCCIÓN La fibra muscular esquelética estriada (FMEE) es una célula excitable: cuando una neurona motora excita a la FMEE se producirán una serie de cambios en su polaridad transmembrana, que globalmente se conocen con el nombre de Potencial de acción (PA). La FMEE en reposo está polarizada; durante el PA se despolariza y se repolariza. Cuando se produce un PA dentro de la FMEE se desencadenarán una cascada de acontecimientos que, en condiciones fisiológica, resultarán en un acortamiento unitario de la fibra con producción de tensión contráctil (tensión activa). La neurona motora que ordena la contracción muscular se denomina motoneurona alfa MN alfa o neurona motora inferior. El soma de la MN alfa se localiza en el asta anterior de la médula espinal, y en los Núcleos de los PC motores.. El axón de la Nmi sale de la médula por la raíz anterior (Fig.1) y se integra dentro de un nervio periférico. Cuando el nervio penetra en el músculo el axón distal de sus motoneuronas se ramifica y acaba haciendo sinapsis con un número variable de fibras musculares. La región de la fibra donde se produce el contacto sináptico neuromuscular nivel de la placa motriz (PM) o “neuromuscular juction” El conjunto formado por 1 Mn alfa y todas las FMEEs que ésta inerva conforma la UNIDAD MOTORA (Fig.2/3) Como veremos más adelante, la MN alfa puede ser excitada (en el asta anterior de la médula espinal) por dos tipos de neuronas: A. Nm superior (vía piramidal): contracción voluntaria B. Neurona sensitiva (Vía refleja): contracción involuntaria En cualquier caso, tanto en la contracción muscular voluntaria, como en la contracción muscular refleja, la vía terminal es la UNIDAD MOTORA (motoneurona alfa y fibras musculares con las que esta se relaciona) Dr. Jordi Lafarga ®  COMPONENTES CONTRÁCTILES DE LA FMEE La FMEE es una célula cilíndrica y multinucleada (Fig.1). Su citoplasma (sarcoplasma) está ocupado en su mayor parte por unas estructuras cilíndricas con capacidad contráctil: miofibrillas (Fig.2) Cada miofibrilla está rodeada por dos tipos de túbulos: Los Túbulos T (transversales), son en realidad invaginaciones de la membrana (Fig.2 azules) que se introducen dentro de la fibra y cuando llegan a una mofibrilla sebifurcan para roderla. Túbulos L (longitudinales) o Retículo sarcoplasmático (Fig.2, amarillos) FMEEs de diferentes tamaños; en amarillo Túbulos T Túbulos L Se disponen logitudinalmente entre dos túbulos T. El RS acumula en su se tiñe el colágeno del endomisio. FMEE con sus miofibrillas interior gran cantidad de iones de Ca+. citoplasmáticas y los túbulos que las envuelven. Todas las miofibrillas de la FMEE están cohesionadas (unidas entre sí) 1º) a través de los TT y 2º) a través de unos “hilos” que las rodean y que se denominan genéricamente costámeros El acortamiento aislado de una sola miofibrilla es imposible. En la Fig.4 podemos ver como hay otro tipo de costámeros anexionan el extremo distal de las miofibrillas al extremo longitudinal de la myofibrilla el acortamiento de las miofibrillas provocará acortamiento activo de la FMEE  Importancia de los túbulos sarcoplasmáticos En la Fig.1 vemos la membrana celular de la fibra o sarcolema (en rosa) y debajo tres miofibrillas fragmentadas. Las dos primeras están envueltas por los TT (azul claro) y el RS (azul oscuro). En la tercera los túbulos se han retirado, lo que nos permite ver claramente la unidad contráctil de la miofibrilla: el sarcómero. El sarcómero es la unidad funcional de la miofibrilla; el acortamiento de la miofibrilla lleva implícito un acortamiento unitario de todos sus sarcómeros y a su vez, esto solo ocurrirá si se suceden una serie de acontecimientos. En primer lugar, tiene que producirse una sinapsis excitatoria de la fibra que desencadene su despolarización (1ª fase del PA). En la Fig. 1 podemos ver como la despolarización de la FMEE se origina en la región subsarcolémica de la placa motriz. La onda de despolarización progresa primero a través del sarcolema, y luego a través de los TT, hasta que finalmente alcanza el nivel del retículo sarcoplasmático (RS). Cuando la onda de despolarización llega al RS se genera una señal de apertura de sus canales de Ca++, y el Ca++ es liberado al citoplasma (sarcoplasma) por un breve instante. Ach + + + + El acortamiento puntual del sarcómero solo es posible durante + esa fracción de segundo en el que hay Ca++ citoplasmático. + Ca+ Tan pronto como la fibra se repolariza el Ca++ es inmediatamente recapturado por el RS, y los canales de Ca++ se cierran hasta que la fibra vuelva a ser despolarizada. El ciclo completo de despolarización-repolarización de la FMEE se denomina Potencial de Acción (PA). Para alcanzar un máximo nivel de acortamiento sarcomérico se necesitan ente 50 y 200 PA. SARCÓMERO Dr. Jordi Lafarga ®  EL SARCÓMERO En la Fig.1 podemos ver una visión tridimensional de un fragmento de una miofibrilla y, en el centro de la misma, un sarcómero. El sarcómero está delimitado por dos discos Z en los cuales se anclan antiparalelamente los filamentos finos (FFs, rosas). En el centro del sarcómero hallamos la línea M donde se anclan los Filamentos Gruesos (FGs,azules). Las regiones de la miofibrilla donde encontramos los FFs forman bandas isótropas o bandas claras, llamadas así porque los FFs permiten el paso de luz. Cada sarcómero contiene, por tanto, dos hemibandas I. Las regiones de la miofibrilla donde encontramos los FGs forman las bandas anisótropas o bandas oscuras; los FGs apenas permiten el paso de luz a su través. Cada sarcómero contiene una banda A entre las dos hemibandas I. En la Fig.2A vemos el sarcómero de una fibra en reposo. Nótese que dentro de la BA hay una zona central un poco menos electrodensa zona H (ZH) de la BA. Por el contrario, los extremos de la BA se ven mucho más electrodensos, ¿por qué sucede eso?: estas zonas son más opacas porque a ese nivel los FGs se solapan con los FFs En la Fig.2A vemos lo que sucede durante la contracción muscular concéntrica; se produce un acortamiento sarcomérico. Nótese que este acortamiento conlleva una un estrechamiento de las hemibandas I y, dentro de la banda A un increneto de las zonas más electrodensas y un estrechamiento de la ZH Tª del filamento deslizante. Sarcómera relajada Sarcómera contraída A ½ BI BA ½ BI B ½ BI BA ½ BI ZH ZH DZ DZ DZ DZ Dr. Jordi Lafarga ® LM LM  EL SARCOMERO Durante la contracción concéntrica ni los FFs, ni los FGs, se van a acortar, lo que sucede, recordemos, es que los FFs se introducen entre los FGs, o lo que es lo mismo, se produce un deslizamiento concéntrico de los primeros sobre los segundos). Pero ¿cómo es eso posible? ¿Qué fuerza produce este deslizamiento concéntrico de los FFs?. Los FGs están formados por filamentos de miosina 2; como luego veremos, la miosina 2 posee en sus extremos unas formaciones denominadas cabezas de miosina. Las cabezas de miosina tienen una gran afinidad por la actina de los FFs, a la cual tienden a unirse, tienden a unirse formando puentes cruzados actina-miosina. ATP+Ca++ Contracción concéntrica los isquios que, durante este ejercicio, hacen rotar a la pelvis posteriormente en relación al fémur. Este tipo de extensión de cadera (próximodistal) se denomina retroversión pélvica. La formación de puentes cruzados actina miosina solo es posible en presencia de Ca++ sarcoplasmático. Cuando las cabezas de miosina se unen a la actina pueden realizar un movimiento en bisagra (Golpe activo o golpe de poder) a través del cual traccionan de ella en sentido concéntrico (Fig.1) acortamiento sarcomérico En la Fig.2 vemos un ejercicio para los isquios. Durante este ejercicio NM superiores excitan (vía piramidal) a MN alfa que, a su vez, inervan a las fibras musculares de los isquios. En este ejercicio deberán ser reclutadas un importante nº de UM, pues los isquios operan en desventaja y deben producir una Fm elevada. 1 Cada vez que una MN alfa excita a una fibra muscular de los isquios se produce en su interior un PA, y en cada PA se libera Ca++ al sarcoplasma, lo que permite la formación de puentes cruzados actina-miosina y la producción de cientos de miles de golpe activos acortamiento progresivo de la FMEE (Fig.3)  SARCOMERO Pero ¿qué sucede cuando el músculo produce F excéntrica?, ¿Se producen puentes cruzados actina miosina?. Cuando el músculo produce F excéntrica la FMEE es excitada por la MN alfa, se genera en su interior un PA, se libera Ca++ al sarcoplasma y se forman puentes cruzados actina miosina, igual que en la acción concéntrica. ¿Entonces? Máximo acortamiento activo GP GP Fext Fext Contracción excéntrica En la Fig. 1 vemos la fase excéntrica del ejercicio anterior. Ahora las fibras musculares de los isquios son activadas vía piramidal, y producen una tensión activa que se opone al momento de fuerza externo, anteversor pélvico. Sin embargo, el número y/o el tipo de UM reclutadas vía piramidal es insuficiente. En las fibras musculares de las UM activas se van a formar puentes cruzados actina-miosina y las cabezas de miosina van a “intentar” realizar el golpe de poder en sentido concéntrico. Sin embargo, al ser insuficiente el número de UM activas, la F externa supera a la tensión activa producida por la suma de todos esos GP producidos en las FMEE Deslizamiento excéntrico resistido de los FFs sobre los FGs (Fig.2). En otras palabras, durante la activación muscular excéntrica tanto las bandas claas (BI) como la zona H de las bandas oscuras (BA) se hacen más anchas (Fig.2) Durante las maniobras de estiramiento también se producirá un deslizamiento excéntrico de los FFs en relación a los FGs. Pero ojo, el músculo no se activa, se relaja, es decir no hay una orden voluntaria de contracción muscular (NM sup- vía piramidal-MN alfa) y, por tanto, no se forman puentes cruzados deslizamiento excéntrico no resistido Dr. Jordi Lafarga ®  LOS FILAMENTOS FINOS Cada FF contiene dos polímeros de F actina enrollados en forma de doble hélice. Los polímeros de actina F estás constituidos, a su vez, por monómeros de actina G ensamblados entre sí. Rodeado en azul vemos un monómero de actina G con su DAAM (punto amarillo) Doble hélice actina F FILAMENTOS FINOS DE ACTINA En la Fig. 1 vemos como cada monómero de actina G presenta, en su superficie, un dominio llamado dominio de alta afinidad por la miosina (DAAM) o punto de unión de la actina es el punto donde las cabezas de miosina se unen a la actina, formando enlace cruzado entre la actina-miosina. Cuando la fibra muscular está en reposo, los DAAM están ocluidos por otra proteína filamentosa que adopta la misma disposición helicoidal que la actina F: la tropomiosina (Fig.1/2; amarilla). Dentro de los FFs, unido a la tropomiosina, encontramos un tercer componente molecular: la troponina (Tn, Fig.2 azul) el cual, a su vez se compone de tres subunidades: TnT (es la que se une a la tropomiosina), TnC y TnI. La TnC se llama así porque tiene una gran afinidad por el Ca++; cuando el Ca++ se une a la TnC provoca un movimiento de rotación de la TnI (Fig.3 B) y como la troponina y la tropomiosina están unidas entre sí por la TnT, todo el complejo troponina-tropomiosina modificará su configuración espacial quedando al descubierto los DAAM por un instante Entonces y solo entonces pueden establecerse los puentes cruzados actina-miosina Ca2+ I Complejo-Tn DAAM libre Ca2+ Ca2+ C TT Ca2+ Ca2+ Dr. Jordi Lafarga ® Ca2+ LOS FILAMENTOS GRUESOS El componente principal de los FGs es la miosina tipo II, que contiene dos cadenas pesadas y cuatro cadenas ligeras (Fig. 1) D ATPasico DUA. Las 2 cadenas pesadas están sobreenrolladas en forma de doble hélice. En el extremo N-terminal de cada una encontramos el cuello y la cabeza de miosina. Sobreenrollamiento de las 2 cadenas pesadas Cabeza de miosina en el extremo N-terminal Las cabezas de miosina tienen un dominio de unión a la actina (DUA; rojo), que es el punto donde estas se unen a los DAAM de la actina, formándose entonces los puentes cruzados A-M Tal y como se ha explicado, una vez formado el puente cruzado A-M el cuello de las cadenas pesadas realiza un movimiento en bisagra de manera que las cabezas de miosina traccionan de la actina SIEMPRE en sentido concéntrico (Fig.2) golpe de poder o golpe activo (GP; Fig.2) La energía necesaria para realizar el GP se obtiene a partir del ATP, molécula que posee un enlace de alta energía. Nótese que en las cabezas de miosina también existe un dominio ATPasico (Fig.1, naranja) que contiene ATPasa. Esta encima es necesaria para escindir el Adenosín trifosfato en Adenosín difosfato + P inorgánico En cada GP la cabeza de miosina debe capturar y luego hidrolizar dos ATP ADP +Pi + E moléculas de ATP (en ADP+Pi+e): ATPasa La primera captura, y posterior hidrólisis de ATP, proporciona a la cabeza de miosina energía que es utilizada para realizar el GP propiamente dicho. La segunda captura de ATP permite deshacer el puente cruzado A-M. Una vez roto el puente cruzado, el ATP es hidrolizado en ADP +Pi, y la energía liberada es utilizada para que las cabezas de miosina retornen a la posición de reposo Todas las cabezas de miosina tienen un dominio ATPásico, sin embargo, el nivel de actividad de la encima ATPasa varía en función del tipo de cadena pesada que tenga el sarcómero. Hay hasta 4 tipos (isoformas) diferentes de cadenas pesadas de miosina. Dr. Jordi Lafarga ®  2x LOS FILAMENTOS GRUESOS gene Las FMEEs poseen, dentro de su material genético, 4 genes diferentes que codifican 4 isoformas distintas de cadenas pesadas de miosina: El type1 gene porta el código para la síntesis de la cadena pesada tipo 1 El type 2A gene porta el código para la síntesis de la cadena pesada tipo 2A traducción El type2B gene porta el código para la síntesis de la cadena pesada tipo 2B El type2X gene porta el código para la síntesis de la cadena pesada tipo 2X (Fig.1) Cadena pesada miosina 2x En el hombre, el type2B gen está permanentemente inhibido. Cada FMEEs solo puede sintetizar una de estas tres isoformas de miosina pesada: a) Isoforma 1 Actividad ATPásica baja Nº de GP por uinidad/tpo bajo FMEE tipo 1 o Fibra de contracción lenta b) Isoforma 2A Actividad ATPásica media/alta Nº de GP por uinidad/tpo medio/alto FMEE tipo 2A c) Isoforma 2X Actividad ATPásica alta Nº de GP por uinidad/tpo alto FMEE tipo 2B o Fibra de contracción rápida FMEE tipo 2A Velocidad acortamiento FMEE tipo 2x FMEE tipo 1 sarcomérico submáxima Velocidad acortamiento Velocidad acortamiento sarcomérico máxima sarcomérico lenta Dr. Jordi Lafarga ®  POTENCIAL DE ACCIÓN MUSCULAR; = TIRÓN A modo de repaso para el examen repasemos cómo se desencadena el acortamiento sarcomérico: 1º FORMACIÓN DEL POTENCIAL DE ACCIÓN: Sinapsis neuromuscular en la placa motora iberación de Ach desde el botón sináptico del axón distal de la MN alfa (elemento presináptico) a la hendidura sináptica unión de la Ach a los receptores acetilcolinérgicos de los canales de Na+ ubicados en el sarcolema de la PM (elemento postsináptico) Apertura de los canales de Na+ Entrada masiva de Na+ y despolarización localizada de la fibra (inicio del PA) 0,001 s después cierre de los canales de Na+, salida del Na+ al EEC y repolarización de la fibra (final del PA) 2º CONDUCCIÓN DEL POTENCIAL DE ACCIÓN : El PA por el + subsarcolema hasta los túbulos T, y a través de los túbulos T + + + + penetral al interior de la fibra El PA llega a una región donde hay + + RS señal de apertura de los canales de Ca++ del RS y salida del + ion ca++ al sarcoplasma 0,001 s después cierre de los canales de CA++ y recapturación del ion CA++ por el RS. Durante el 0,001 s en el cual hay Ca++ en el sarcoplasma este ion se une a la TnC cambio de configuración espacial del complejo Tn-tropomiosina liberación de los DAMM puentes cruzados actina miosina ATP en el sarcoplasma GP Cada PA provocará cientos de GP en cada uno de los sarcómeros de cada una de las miofibrillas de cada una de las fibras musculares que hayan sido despolarizadas Como resultado de lo cual se producirá una fracción de acortamiento de cada sarcómero, de cada miofibrilla, de cada fibra Tirón o twich Fast-Twitch Muscle Fibers Slow-Twitch Muscle Fibers  FMEE BLANCA vs FMEE ROJA Fibra tipo 1, lentas o STMF Fibra tipo 2A y 2x, rápidas o FTMF perimisio endomisio FMEE1 mitocondrias FMEE2x miofibrilla miofibrilla Las STMF están inervadas por MN alfa que conducen el impulso nervioso a menor velocidad, por otro lado, una vez que la STFM es excitada y se genera en su interior un PA, este es conducido más lentamente hasta el RS. Desde que la MN alfa genera un IN motor hasta que se producen los GP transcurre más tiempo. Recordemos las STMF poseen, en sus FGs, la isoforma 1 de cadenas pesada de miosina; en este tipo de cadena pesada las cabezas de miosina presentan un dominio ATPasico con muy baja actividad Generan menor nº de GP cada vez que la fibra muscular es despolarizada Menor velocidad de acortamiento sarcomérico en cada tirón. Por otro lado, las miofibrillas de las STMF tienen un diámetro transversal mucho menor, pues en sus sarcómeros hay una menor superposición de FFs y FGs (Fig.1, en rojo) < sumación puntual de GP durante el PA diámetro axonal > concentración de canales de Na+ por unidad de área más rápida despolarización más v de conducción. Por tanto, las MN alfa de las UM Axón de UM pequeñas conducirán a menor velocidad que las de las UM grandes (Fig.4). pequeña Dr. Jordi Lafarga ® Corte transversal de un nervio  FUERZA ACTIVA: CONTROL NEURAL Básicamente, existen dos mecanismos a través de los cuales el SN motor puede regular la cantidad de fuerza producida por el músculo: Sumación espacial y sumación temporal. SUMACIÓN ESPACIAL es un mecanismo que explica la cantidad de tensión activa que produce el músculo puntualmente. Cuanto > sea el nº de UM reclutadas en cada instante de la contracción; >sumatorio de PA en las FMEE de dichas UM; > nº de tirones, y mayor será la tensión activa producida en ese momento. Sóleo; predominio de Gemelo; predominio UM pequeñas de UM grandes A su vez el mecanismo de sumación espacial será mayor si se excita una UM grande (Fig.1), pues contiene mayor nº de fibras musculares mayor sumación de puntual de PA (mayor amplitud de la señal EMG) mayor sumación de tirones > producción de fuerza puntual. En la Fig.1 podemos ver como en el sóleo predominan las UMs pequeñas, mientras que en el gemelo predominan las UM grandes. Los dos son flexores plantares pero, obviamente, este hecho va a condicionar su función. Durante la fase de apoyo de la carrera el sóleo es solicitado excéntricamente para controlar la flexión dorsal del tobillo. La activación de sus UMs, no se traducirá en una elevada producción de fuerza, pero es mucho más resistente a la fatiga. El gemelo es un músculo más potente, muy solicitado en impulsos, saltos, etc, durante la fase concéntrica. El índice de reclutamiento de UM, tenderá al 100% cuando el músculo tenga que producir su Fm máxima. En la Fig. 2 vemos el registro electromiográfico del VI y VE del cuádriceps. Nótese que en la 2ª repetición (sentadilla profunda) la sumación de PA alcanza valores más elevados que en la primera (sentadilla normal). Dr. Jordi Lafarga ®  FUERZA ACTIVA: CONTROL NEURAL La SUMACIÓN TEMPORAL es un mecanismo que explica la cantidad de Fm que produce cada UM dentro de un marco temporal (no puntualmente). En la sumación temporal se tiene en consideración el nº de PA que se generan en las FMEE de una UM desde el inicio hasta el final de la contracción. Cuanto mayor sea la tasa de descarga de la MN alfa (nº de IN por segundo), > nº de PA se van a generar en su interiorde cada una de sus fibras musculares por unidad de tiempo; > sumatorio de tirones y, por tanto, mayor será la tensión activa que esa UM aporta al total de la fuerza muscular desarrollada durante la contracción. 140 R RECTUS ABDOMINIS: EMG 1->RMean->MEF, L RECTUS ABDOMINIS: EMG 3->RMean->MEF La deportista de la Fig.1 realiza un test de F máxima 120 isocinética, cada una de las 5 flexiones de espalda se 100 realiza a la misma velocidad y dura lo mismo. 80 [Hz] 60 40 La frecuencia de estimulación nerviosa en el RA 20 R RECTUS ABDOMINIS: EMG 1->RMean->MEF L RECTUS ABDOMINIS: EMG 3->RMean->MEF durante la extensión del tronco es de 20 Hz (20 2 4 6 8 10 [s] 12 14 16 18 20 descargas por segundo), pero durante la flexión activa Registro mediante EMG de la frecuencia es de 100-120 Hz. de estimulación nerviosa del RA y OM En realidad, ambos mecanismos (sumación espacial y temporal) acaban por solaparse. Cuando incrementamos ligeramente la intensidad de un ejercicio, el músculo tiende, inicialmente, a incrementar el índice de reclutamiento de UMs (sumación espacial). Sin embargo, si el incremento de la intensidad del ejercicio es medianamente importante comenzará a incrementarse, también, la frecuencia de estimulación en las UMs activas. En esfuerzos muy importantes (Fig.1) ambos mecanismos tenderán al máximo. Dr. Jordi Lafarga ®  CONTROL NEURAL DE LA FUERZA SEGÚN EL TIPO DE EJERCICIO En ejercicios de fuerza, en los que la contracción muscular voluntaria se realiza a una velocidad submáxima se reclutan las UM siguiendo un principio de eficiencia energética o principio de tamaño de Henneman: 1º las UMs pequeñas +2º UMs grandes con fibras tipo IIA 3º+UMs grandes con fibras Iix (Fig.1). Fibras I Fibras I Fibras IIA Fibras I Fibras IIA Fibras IIx El principio de Henneman no se cumplirá en acciones como saltos o lanzamientos, pues en ellas se requiere una máxima velocidad de contracción muscular Se reclutan vía piramidal solo UMs grandes F activa máxima F activa explosiva F activa elástico-explosiva F explosiva elástico-reactiva Dr. Jordi Lafarga ®