Fisiología del Músculo - PDF

FISIOLOGÍA DEL MÚSCULO Autor: MVZ Jesús Ángel Aguirre Pineda El autor agradece la colaboración de la Dra. Ma. Del Carmen Frías Domínguez en l...

FISIOLOGÍA DEL MÚSCULO Autor: MVZ Jesús Ángel Aguirre Pineda El autor agradece la colaboración de la Dra. Ma. Del Carmen Frías Domínguez en la elaboración de este apunte El músculo es el tejido más abundante del cuerpo (aproximadamente el 50% del peso de un animal adulto). Su función es la contracción, que genera fuerza o movimiento. Existen tres tipos de músculo: 1) estriado esquelético, 2) estriado cardiaco y 3) liso, cada uno de ellos con propiedades adecuadas para realizar su función. El músculo esquelético es responsable de mantener la postura corporal, de generar los movimientos voluntarios e involuntarios del organismo y de llevar a cabo la respiración. El músculo cardiaco es exclusivo del corazón y es responsable de bombear la sangre a las arterias. El músculo liso se encuentra en las paredes de los tractos digestivo, urinario y reproductivo, así como en las paredes de los vasos sanguíneos y las vías respiratorias. En los tres tipos de músculo, el factor que desencadena la contracción es un aumento de la 2+ concentración intracelular de iones Ca , aunque por mecanismos diferentes. En este apunte se hace énfasis en las funciones del músculo esquelético. Las propiedades del músculo cardiaco conviene estudiarlas en la unidad “fisiología cardiovascular”, mientras que las funciones del músculo liso se abordan a lo largo de diferentes temas del curso de fisiología. En general, los extremos de los músculos esqueléticos se encuentran insertados en estructuras óseas mediante los tendones, de tal manera que la contracción del músculo puede provocar el movimiento de los huesos. El músculo principal involucrado en cualquier movimiento se denomina músculo agonista. Así pues, en un movimiento de flexión, el músculo agonista es el flexor. Los músculos flexores y extensores ejercen acciones opuestas al actuar en la misma articulación, por lo que son músculos antagonistas entre sí. Anatomía funcional Cada músculo esquelético se compone de numerosas células alargadas y multinucleadas llamadas fibras musculares. Cada fibra muscular se extiende a todo lo largo del músculo, de tendón a tendón, y posee una estructura celular sorprendentemente compleja y organizada. La sinapsis neuromuscular (placa motora) se localiza cerca del centro de la fibra muscular. La membrana plasmática de la célula muscular se denomina sarcolema. Cada fibra muscular contiene en su interior cientos o miles de miofibrillas. Cada miofibrilla es una estructura larga que tiene un diámetro de aproximadamente 1 micrómetro y se compone de cientos de filamentos de miosina (filamentos gruesos) y filamentos de actina (filamentos delgados). Las miofibrillas consisten de unidades cilíndricas que se repiten en serie, llamadas sarcómeras. Organización de los filamentos contráctiles – estructura de la sarcómera Los miofilamentos (filamentos contráctiles) de actina y miosina se traslapan parcialmente, lo que da lugar a que las miofibrillas muestren un patrón de bandas oscuras y claras alternadas. A los lados de los filamentos de miosina se proyectan las cabezas de miosina; es la interacción entre estas cabezas y los filamentos de actina lo que provoca la contracción. Los filamentos de actina están anclados en uno de sus extremos a la línea Z (que en realidad es un disco Z, que tiene el mismo diámetro que la miofibrilla). A partir de ambas caras de este disco, los filamentos de actina se proyectan y se traslapan con los filamentos de miosina. Los discos Z de las miofibrillas adyacentes están alineados; por lo tanto, al igual que las miofibrillas individuales, la fibra muscular entera muestra un patrón de bandas oscuras y claras, lo que confiere a los músculos esquelético y cardiaco su aspecto estriado. La porción de la miofibrilla (o de la fibra muscular completa) que se encuentra entre dos discos Z sucesivos es la sarcómera y es reconocida como la unidad contráctil del músculo. Un corte transversal de la sarcómera al nivel donde los filamentos delgados se traslapan con los gruesos revela un arreglo geométrico en el que cada filamento grueso está rodeado por seis delgados. Otras estructuras importantes en la fibra muscular - El sarcoplasma es el líquido intracelular de las fibras musculares y ocupa los espacios entre las numerosas miofibrillas. - El retículo sarcoplásmico (RS) es una estructura membranosa extensa que rodea las miofibrillas y juega un papel extremadamente importante en el proceso de contracción muscular; es un retículo endoplásmico especializado y tiene dos componentes principales: 1) compartimientos grandes, llamados cisternas terminales y 2) túbulos longitudinales que rodean las miofibrillas contráctiles.  - Los túbulos transversos (túbulos T) se originan como invaginaciones de la membrana plasmática y atraviesan la célula muscular en todo su diámetro, formando una “tubería” compleja que penetra la célula. Debido a que se originan del sarcolema, los túbulos transversos contienen en su interior líquido extracelular. Su función es extremadamente importante, pues conducen el potencial de acción al interior de la fibra muscular, lo que provoca la contracción. A lo largo del túbulo, este se asocia con dos cisternas del RS. El conjunto de un túbulo T y las dos cisternas adyacentes se conoce como triada. Acoplamiento excitación-contracción Como las neuronas, las células musculares son células excitables y por lo tanto pueden generar potenciales de acción. En esencia, el desarrollo del potencial de acción se da de la misma manera en ambos tipos celulares. A continuación se explican los eventos necesarios para que ocurra la contracción de una fibra muscular: 1. Un potencial de acción se propaga a lo largo del axón de la neurona motora, hacia sus terminaciones sobre las fibras musculares. Esto provoca la secreción del neurotransmisor acetilcolina (ACh) en la sinapsis neuromuscular. 2. La acetilcolina se une a receptores colinérgicos nicotínicos localizados en una zona específica y especializada de la membrana de la fibra muscular. Tales receptores son canales de sodio que se abren cuando se une a ellos la acetilcolina. Aunque en el laboratorio las fibras musculares esqueléticas pueden ser excitadas mediante estimulación eléctrica, en el animal vivo siempre son excitadas químicamente, por la ACh liberada de la neurona motora. 3. Al abrirse estos canales, se presenta flujo de iones sodio en favor de su gradiente electroquímico, es decir, al interior de la fibra muscular. Esto provoca despolarización de la membrana muscular, lo que conduce a la apertura de canales de sodio dependientes de voltaje y al inicio de un potencial de acción. 4. El potencial de acción se propaga a lo largo de la membrana de la célula muscular. La conducción del potencial de acción por la membrana de los túbulos transversos (túbulos T) hacia el centro de la fibra muscular esquelética es un evento esencial. Si únicamente se despolarizara el sarcolema, no sería posible la contracción de las miofibrillas. 5. La llegada del potencial de acción a la región de la triada activa los receptores de dihidropiridina, que son proteínas localizadas en la membrana de los túbulos T que cambian su conformación debido al cambio del voltaje. Los receptores de dihidropiridina se encuentran acoplados mecánicamente con los 2+ canales liberadores de Ca (también llamados receptores de rianodina), localizados en la membrana del RS. La asociación mecánica entre estas dos proteínas es posible gracias a la gran cercanía entre la membrana del túbulo T y la membrana de la cisterna. Así, la activación de los receptores de dihidropiridina (por el desarrollo del potencial de acción) provoca la apertura de los canales liberadores de calcio en el RS. Estos canales permanecen abiertos por unos milisegundos, permitiendo la liberación (difusión) de iones calcio desde el interior del retículo hacia el sarcoplasma. 6. En el sarcoplasma, los iones calcio activan la interacción entre los filamentos de actina y miosina, permitiendo que se deslicen unos sobre otros. Esto es el proceso de contracción. Finalización de la contracción La concentración de calcio en el sarcoplasma debe disminuir al valor de reposo para que se termine la 2+ contracción. Esta acción es llevada a cabo por una bomba de Ca (SERCA, por su nombre en inglés), localizada en la membrana del retículo sarcoplásmico, que reincorpora activamente iones calcio al interior del retículo. La actividad de esta bomba requiere ATP, por lo que la relajación no es un simple proceso pasivo, sino una actividad celular que gasta una cantidad considerable de energía. ¿Cómo ocurre el proceso de contracción muscular? De acuerdo con la teoría del deslizamiento de los miofilamentos, durante la contracción, los filamentos delgados son “jalados” hacia el centro de la sarcómera; en otras palabras, los discos Z son jalados hacia el centro de la sarcómera, y la sarcómera tiende a acortarse. El deslizamiento de los filamentos de actina hacia el centro de la sarcómera es resultado de su interacción con los filamentos de miosina. Durante el reposo, esta interacción no ocurre. Pero cuando un potencial de acción se propaga a lo largo de la célula muscular provoca la liberación de una cantidad importante de iones calcio, los cuales rodean a las miofibrillas y permiten las fuerzas de interacción entre los filamentos delgados y gruesos, con lo que inicia la contracción. Una vez activada por los iones calcio, la contracción continúa gracias a la energía procedente de las moléculas de ATP. Nótese que los iones calcio no llevan a cabo la contracción, pero su presencia es indispensable para iniciar el proceso. Filamentos de miosina (filamentos gruesos) Cada filamento de miosina está compuesto por decenas de moléculas de la proteína miosina. La molécula de miosina tiene forma de “palo de golf”: En uno de sus extremos presenta dos cabezas; las colas de las moléculas de miosina se agrupan para formar el cuerpo del filamento de miosina, mientras que muchas cabezas se proyectan hacia afuera del filamento; las cabezas de miosina funcionan como enzimas con actividad ATP-asa. Esto permite usar la energía almacenada en la molécula de ATP para llevar a cabo la contracción. Filamentos de actina (filamentos delgados) Los filamentos de actina se componen de las proteínas actina, tropomiosina y troponina. La actina es la base estructural de los filamentos delgados y forma una doble cadena de monómeros globulares; contiene los sitios activos a los que se pueden unir las cabezas de miosina. Durante el reposo, las moléculas de tropomiosina se encuentran cubriendo los sitios activos de las cadenas de actina, impidiendo la interacción entre los filamentos de actina y miosina, y por lo tanto la contracción. La troponina es un complejo de tres subunidades proteicas diferentes: troponina T, troponina I y troponina C. Esta última es afín a los iones de calcio. Interacción entre los filamentos de actina y miosina – contracción muscular Durante el reposo, el complejo troponina-tropomiosina impide la interacción entre la actina y las cabezas de miosina. Pero cuando una cantidad importante de calcio es liberada desde el retículo sarcoplásmico, los iones calcio se unen con la troponina C, provocando un cambio conformacional en el complejo troponina. Este cambio genera el desplazamiento de la molécula de tropomiosina, moviéndola hacia el surco entre las dos cadenas de actina. El resultado es que los sitios activos en las cadenas de actina quedan descubiertos. Esta activación de los filamentos de actina por los iones calcio permite la interacción entre los filamentos delgados y los gruesos, con lo que inicia la contracción. La contracción muscular propiamente dicha ocurre de la siguiente manera:  Las cabezas de miosina se unen al ATP y, dada su actividad ATP-asa, fragmentan dicha molécula. Los productos (ADP y Pi) permanecen unidos a la cabeza de miosina. En este punto, la cabeza de miosina se encuentra en posición perpendicular, a 90º, apuntando hacia el filamento de actina, pero aún no se une a él.  La exposición de los sitios activos en los filamentos de actina (provocada por la presencia de calcio) permite que las cabezas de miosina se unan con los sitios activos en la actina.  Una vez unida la miosina con la actina ocurre un golpe de fuerza, es decir, la cabeza de miosina se inclina (hacia el centro del filamento grueso), formando un ángulo de 45º. Esta inclinación jala consigo al filamento de actina hacia el centro de la sarcómera, generando fuerza y movimiento. La energía que activa el golpe de fuerza es la energía que había sido previamente almacenada por la ruptura de la molécula de ATP.  La unión de la miosina con la actina genera tensión. La cabeza de miosina permanece unida a la actina mientras no se una a ella una nueva molécula de ATP (en una célula muerta, la falta de ATP hace que sea imposible la separación de la miosina y la actina, por lo que se desarrolla un estado de tensión permanente. Esto puede apreciarse en la rigidez cadavérica o rigor mortis durante las horas posteriores a la muerte).  Debido a la actividad ATPasa de la cabeza de miosina, la nueva molécula de ATP es degradada a ADP y Pi; estos productos permanecen unidos a la miosina. Con la hidrólisis del ATP, la cabeza de miosina regresa a la posición perpendicular y luego se une con un nuevo sitio activo, generando un nuevo golpe de fuerza y desplazando el filamento de actina un poco más. El ciclo se repite una y otra vez, de manera que la parte final de los filamentos de actina es jalada hacia el centro de la sarcómera. Energía para la contracción muscular La energía del ATP es necesaria para el desplazamiento de los filamentos de actina, y por lo tanto para la contracción muscular. La concentración de ATP en la fibra muscular permitiría mantener la contracción completa durante únicamente 1 o 2 segundos. Sin embargo, el ADP puede ser refosforilado para obtener nuevo ATP, permitiendo que continúe la contracción muscular. La energía necesaria para esta refosforilación proviene de diversas fuentes: 1. Fosfocreatina. Esta sustancia contiene un enlace fosfato de alta energía, que puede ser transferido al ADP para formar nuevo ATP. 2. Glucogenólisis. La degradación enzimática del glucógeno muscular hacia ácido pirúvico y ácido láctico libera energía que es utilizada para convertir ADP en ATP. Las reacciones glucolíticas pueden ocurrir aún en ausencia de oxígeno, al igual que la conversión de piruvato en lactato. 3. Metabolismo oxidativo. Los productos de la glucogenólisis y varios nutrientes celulares pueden combinarse con oxígeno para obtener ATP, mediante la participación del sistema enzimático de las mitocondrias. Tipos de contracción Cuando un músculo es estimulado y se contrae, genera una fuerza que tiende a aproximar los dos extremos de fijación del músculo entre sí, y esa fuerza es la tensión desarrollada por el músculo. En una contracción isométrica, el músculo genera tensión, pero no se acorta (la longitud es constante). En una contracción isotónica, el músculo se acorta, pero la tensión se mantiene constante. Para ejemplificar los dos tipos de contracción mencionados se puede considerar la siguiente situación: cuando se levanta un objeto pesado, primero se toma el objeto (músculo relajado). Luego, el músculo se contrae de manera isométrica antes de poder levantarlo: el músculo genera tensión pero no se acorta. Después, cuando la fuerza desarrollada por el músculo ha igualado el peso del objeto, este último es levantado mediante una contracción isotónica: el músculo se acorta y la tensión desarrollada ya no se modifica. En el organismo, es difícil hablar de procesos puramente isotónicos o isométricos. No obstante, el aislamiento experimental de estos dos tipos de respuestas ha permitido estudiar las propiedades mecánicas de los músculos. Relación longitud – tensión La tensión desarrollada por una fibra muscular que se contrae está determinada por la longitud de sus sarcómeras y el grado de superposición entre los filamentos de actina y miosina. La máxima fuerza de contracción de una célula muscular se alcanza cuando la longitud de las sarcómeras individuales es de aproximadamente 2 micrómetros porque con esta longitud los filamentos de actina se superponen con todos los puentes cruzados del filamento de miosina y el músculo desarrolla la máxima tensión que es capaz de generar. La tensión desarrollada por la contracción de la fibra muscular sería menor con longitudes de sarcómera mayores o menores que esa. Lo anterior explica por qué la fuerza de la contracción isométrica de un músculo completo está determinada por la longitud del músculo. La tensión activa (es decir, la tensión generada por la contracción de un músculo) es máxima cuando el músculo tiene una longitud cercana a la normal. En el organismo, esta longitud normal de reposo tiende a mantenerse constante mediante el reflejo miotático, el cual se estudia en la unidad de “sistema nervioso”. Unidad motora Una unidad motora está compuesta por una motoneurona (neurona motora) y todas las fibras musculares que ésta inerva. El soma de la neurona motora se localiza en el sistema nervioso central (SNC) y su axón se extiende a lo largo de un nervio periférico hasta alcanzar las células musculares con las que establece sinapsis. En algunos casos, la neurona motora inerva solo dos o tres fibras musculares; esto es particularmente cierto en músculos implicados en movimientos finos y precisos que involucran poca fuerza, como los músculos extraoculares, que controlan la posición del ojo. En otros casos, la neurona motora inerva cientos de fibras musculares, especialmente en el caso de músculos involucrados en movimientos toscos y fuertes que no requieren control fino, por ejemplo el sóleo y el gastrocnemio en las extremidades. El conjunto de todas las motoneuronas que inervan a un músculo completo es la poza de neuronas motoras de ese músculo. Gradación de la fuerza de contracción de un músculo completo La intensidad de la contracción de un músculo completo puede modificarse mediante dos mecanismos importantes: 1) suma de fibras múltiples y 2) suma de frecuencia de contracción. Suma de fibras múltiples (suma espacial) Consiste en un incremento del número de unidades motoras que se activan simultáneamente. Cuando el SNC manda señales débiles para la contracción de un músculo, se estimulan principalmente las unidades motoras más pequeñas de ese músculo; conforme aumenta la intensidad de la señal, también se activan motoneuronas (y unidades motoras) más grandes. Este proceso es el reclutamiento de unidades motoras. Suma de frecuencia (suma temporal) Consiste en aumentar la frecuencia de estimulación de las fibras musculares, lo que puede generar suma de contracciones y aumentar la tensión generada por el músculo. Tipos de fibras musculares Las fibras musculares se han clasificado en dos tipos generales: rojas (lentas) y blancas (rápidas). También existen fibras que presentan características intermedias.  Fibras lentas (tipo I) → se contraen más lento: requieren más tiempo para alcanzar la tensión máxima. Son más delgadas y presentan mayor irrigación, lo que les aporta una mayor cantidad de oxígeno. En su sarcoplasma contienen una alta cantidad de mioglobina, una proteína que se une al oxígeno; la mioglobina es lo que les confiere su aspecto rojizo. La característica más importante de este tipo de fibras es su  metabolismo oxidativo: contienen una alta cantidad de mitocondrias y de enzimas oxidativas. Debido a su metabolismo oxidativo, estas fibras son más resistentes a la fatiga.  Fibras rápidas (tipo IIb) → se contraen más rápido y son más grandes. Tienen un metabolismo glucolítico, lo que les permite la rápida obtención de energía mediante la degradación del glucógeno. Puesto que el metabolismo oxidativo es relativamente menos importante en estas fibras, se fatigan fácilmente. Son más grandes y generan mayor fuerza de contracción. Cada músculo tiene fibras de diferentes tipos. No obstante, la proporción de fibras tipo I y IIb varía entre los músculos según su función. Los músculos que requieren movimientos rápidos y fuertes tienen una mayor proporción de fibras blancas. En cambio, las fibras rojas predominan en los músculos que necesitan ser resistentes a la fatiga y mantener la tensión por periodos relativamente largos, por ejemplo los músculos que mantienen la postura corporal, como el sóleo en la parte baja de la pierna. Un aspecto muy interesante es el hecho de que el tipo de fibras no es estático. La proporción de fibras varía enormemente entre los músculos de unos individuos y otros, según su genética y su actividad física. Los velocistas tienen una proporción relativamente alta de fibras blancas, mientras que en los maratonistas predominan las fibras rojas.