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Tema 5. Bases fisiológicas de la contracción muscular. Fisiología Humana

Dr. F. Javier López Román Grado en Odontología

Curso 2015 – 2016 Universidad Católica San Antonio de Murcia - Tlf: (+34) 968 27 88 00 [email protected] - www.ucam.edu

Fisiología Humana

INTRODUCCIÓN: La función del músculo es realizar una acción mecánica (desarrollar tensión y acortamiento) en respuesta a un estimulo nervioso u hormonal, gracias a su capacidad para convertir la energía química en mecánica. En el organismo podemos distinguir dos tipos de músculo: ESTRIADO: Cuyo nombre deriva de su morfología microscópica. A este grupo pertenece el músculo esquelético, denominado así porque se inserta en estructuras óseas, y el músculo cardiaco. La función del músculo esquelético, que constituye un 40-50% del peso corporal, es realizar trabajo físico y facilitar la interacción del individuo con el medio que le rodea. El músculo esquelético se llama también voluntario. LISO: También llamado involuntario. Forma parte de múltiples estructuras huecas del organismo y su función es modificar el volumen del órgano del que forma parte, al contraerse o relajarse.

ESTRUCTURA: MÚSCULO ESQUELÉTICO: Las células musculares esqueléticas son multinucleadas y alargadas, con un diámetro de 10-100µ y varios centímetros de longitud, ya que se extienden a todo lo largo del músculo. En sus extremos las células musculares se unen con fibras tendinosas que forman los tendones que insertan el músculo a los huesos. En sentido paralelo al eje longitudinal de la célula se disponen ordenadamente miles de miofibrillas de 1µm de diámetro, que contienen los filamentos contráctiles finos y gruesos. A intervalos de 2-2,5µm se encuentran las líneas Z, que subdividen las miofibrillas y delimitan la unidad funcional de la célula muscular, a la que denominamos sarcómero. A cada lado de las líneas Z se localiza los filamentos finos de actina y en el centro del sarcómero, colocados entre los filamentos de actina, se disponen los filamentos gruesos de miosina.

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Dado que los filamentos gruesos y finos sé interdigitan, las miofibrillas del músculo esquelético

muestran

al

microscopio

bandas

claras

y

oscuras

repetidas

regularmente, lo que les confiere su típica morfología estriada. A cada lado de la línea Z encontramos una zona que sólo contiene filamentos finos por lo que aparece más clara al microscopio; son las bandas I. Las bandas más oscuras, denominadas A, contienen los filamentos gruesos y los extremos de los finos. En la banda A es posible distinguir una zona más clara que corresponde al espacio existente entre los extremos de los filamentos finos, la denominada banda H, que contiene la porción central de los filamentos gruesos que carece de proyecciones laterales; en el centro de esta banda los filamentos gruesos se unen entre sí, dando lugar a una zona más densa, denominada banda M. MÚSCULO LISO: Sus células poseen un único núcleo en la parte central de la célula, las fibras lisas son de menor tamaño que las esqueléticas; su diámetro oscila de 5 a 15 µm y si longitud varía entre 200 y 500 µm dependiendo del tipo de músculo liso que se trate. Esto indica que son unas veinte veces más delgadas y miles de veces más cortas que las fibras esqueléticas. Son fusiformes (no cilíndricas). DIFERENCIAS ESTRUCTURALES: Las diferencias fundamentales entre las células lisas con respecto a las esqueléticas consisten en la ausencia de bandas transversales en su citoplasma. No existen miofibrillas organizadas, sino filamentos gruesos, constituidos

por miosina y

filamentos delgados, de actina, cuya orientación es paralela a la fibra muscular. Se ha comprobado que los filamentos delgados se unen a zonas electrodensas de la membrana plasmática y del citoplasma, denominadas cuerpos densos, que contienen la proteína ◊-actina y que podrían ser el equivalente a las líneas Z de la célula muscular esquelética.

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PROTEINAS DE LOS FILAMENTOS CONTRACTILES DEL MÚSCULO ESQUELETICO. Las principales proteínas del sarcómero son la miosina de los filamentos gruesos y actina, troponina y tropomiosina de los filamentos finos. La separación de los filamentos gruesos es de 40 nm y entre los finos de 24 nm, observándose en sección transversal de las miofibrillas que cada filamento fino está rodeado por 3 gruesos y cada filamento grueso se rodea por 6 finos. Filamentos gruesos Los filamentos gruesos comprenden una proteína de peso molecular elevado denominada miosina, que posee seis cadenas de polipéptidos, incluyendo un par de cadenas pesadas y dos pares de cadenas ligeras. Casi toda la miosina de la cadena pesada tiene una estructura helicoidal alfa, en la cual las dos cadenas se enrollan entre sí para formar la “cola” de la molécula de miosina. Las cuatro cadenas ligeras y las terminales N de cada cadena pesada forman dos “cabezas” globulares sobre la molécula de miosina. Estas cabezas globulares tienen un sitio de unión para la actina, necesario para la formación de puentes transversales, y un sitio que se une a ATP y lo hidroliza (miosina ATP-asa). Filamentos delgados Los filamentos delgados se componen de tres proteínas: actina, tropomiosina y troponina. La actina es una proteína que, por su forma globular, se denomina actina-G. En los filamentos delgados la actina-G esta polimerizada en dos cadenas retorcidas en una estructura helicoidal alfa para formar actina filamentosa, denomina actina-F. La actina tiene un sitio para unirse a la miosina; cuando el músculo se encuentra en reposo, el sitio de unión a miosina está cubierto por tropomiosina, de modo que actina y miosina no pueden interactuar. La tropomiosina es una proteína filamentosa que corre a lo largo del surco en cada espina del filamento de actina. En reposo, su función es bloquear el sitio de unión para miosina sobre la actina. Cuando se presenta una contracción la

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tropomiosina se desplaza fuera del camino de tal manera que la actina y miosina pueden interactuar. La troponina es un complejo de tres proteínas globulares (troponina T, I y C) localizadas a intervalos regulares a lo largo de los filamentos de tropomiosina. La troponina T (T por tropomiosina) une el complejo troponina a la tropomiosina. La troponina I (I por inhibición) junto con la tropomiosina inhiben la interacción de actina y miosina y cubren el sitio de unión para miosina situado sobre la actina. La troponina C (C por Ca2+ ) es una proteína que se une a Ca2+ y desempeña una función principal en el inicio de la contracción. Cuando la concentración intracelular de Ca2+ aumenta, el Ca 2+ se une a la troponina C y genera un cambio conformacional en el complejo troponina. Este cambio conformacional desplaza la tropomiosina fuera del camino y permite la unión de actina a las cabezas de miosina. Filamentos gruesos y delgados en los sarcómeros. El sarcómero es la unidad contráctil básica y está delimitado por las líneas Z. Cada sarcómero contiene una banda A completa en el centro y una mitad de banda I a cada lado de la banda A. Las bandas A se ubican en el centro del sarcómero y contienen filamentos gruesos (miosina), que aparecen oscuros cuando se observan con luz polarizada. A veces los filamentos gruesos y delgados se superponen en la banda A; estas áreas superpuestas son posibles sitios para la formación de puentes transversos. Las bandas I se localizan en ambos lados de la banda A y parecen de color claro cuando se observan con luz polarizada. Contienen los filamentos delgados (actina), proteínas filamentosas intermedias y las líneas Z. No poseen filamentos gruesos. Las líneas Z son estructuras teñidas de color oscuro que corren en la parte media de cada banda I delineando los extremos del sarcómero. La zona H se sitúa en el centro de cada sarcómero. No hay filamentos delgados en la zona H; por lo tanto, no puede haber superposición de filamentos gruesos y delgados o formación de puentes transversos en esa región.

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La línea M biseca la zona H y contiene proteínas teñidas de color oscuro que reúnen la porción central de los filamentos delgados.

MECANISMO DE LA CONTRACCIÓN MÚSCULAR Durante la contracción tanto la longitud de los miofilamentos de actina y miosina como las dimensiones de las bandas A permanecen constantes, mientras que las bandas I y H se acortan. Este hallazgo es compatible con la teoría de que durante la contraccion muscular se produce un deslizamiento de los miofilamentos de la banda I dentro de los filamentos de la banda A; es decir, que los filamentos delgados se mueven hacia el centro del sarcómero entre los gruesos. Este proceso de deslizamiento se acopla a la hidrólisis del ATP e implica la formación y disociación repetitiva de enlaces cruzados entre ambos filamentos. Para comprender este proceso de acortamiento del sarcómero es preciso conocer la disposición de los filamentos en el mismo.

a) Teoría del deslizamiento de los filamentos Durante el proceso de contracción las cabezas de miosina de 20nm de longitud contactan con el filamento de actina, formándose enlaces cruzados que desplazan los filamentos de actina entre los de miosina hacia el centro del sarcómero. A continuación, el enlace se rompe y se forma uno nuevo en un punto mas cerca del centro del filamento de actina produciéndose otro deslizamiento y así sucesivamente. Cuando el músculo se relaja los filamentos de miosina se separan de los de actina produciéndose un estiramiento pasivo del sarcómero hasta su longitud inicial.

b) Cambios de conformación de los filamentos Inicialmente, los enlaces cruzados entre la actina y miosina se realizan en sentido perpendicular(90º), pero a continuación diversos cambios conformacionales facilitan el desplazamiento de los filamentos finos hacia el centro del sarcómero. La porción

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S1 de la miosina es flexible y puede girar unos 45º a dos niveles, uno en el punto de unión con la porción S2 y otro en el punto de unión con la meromiosina ligera. Estos dos puntos de giro, o bisagras, entre el cuerpo y la cabeza permiten orientar la cabeza de la miosina hacia el punto adecuado del filamento de actina durante la formación de enlaces cruzados y modificar la longitud de estos en respuesta a cambios en la longitud del sarcómero.

c) Regulación de la contracción muscular El músculo esquelético esta bajo control el control nervioso, observándose que cada neurona motora inerva 10-10000 fibras. El grupo de fibras musculares inervadas por un axón constituye lo que se denomina una unidad motora. Cuando los potenciales de acción se propagan por un nervio motor alcanzan las fibras musculares de la unidad motora en éstas aparece un marcado aumento en la [Ca]i , que precede a la aparición de una respuesta contractil, contracción –relajación, cuya duración depende del músculo considerado.

ACOPLAMIENTO EXCITACIÓN-CONTRACCIÓN DEL MÚSCULO ESQUELÉTICO El acoplamiento entre la señal eléctrica y la contracción es un progreso regulado por los iones Ca, de tal forma que en su ausencia no se forman enlaces cruzados y las miofibrillas se relajan. Incluso en células musculares “peladas” , que carecen de sarcolema, la contracción sólo tiene lugar cuando la [Ca]i es de M. En ausencia de Ca, cuando las miofibrillas están relajadas, las cabezas de tropomiosina se disponen de tal forma que bloquean la formación de enlaces cruzados entre la miosina y la actina. En presencia de Ca este se une a la TnC lo que facilita el desplazamiento de la tropomiosina en el surco existente entre las cadenas de la actina y miosina se unen, tiene lugar la hidrólisis de una molécula de ATP y se produce la contracción muscular. En la célula muscular en reposo la [Ca]i es de 0,1 M. Esta cifra es el resultado de diversos procesos que mantienen el Ca en valores muy definidos,

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impidiendo así que la [Ca]i aumente y el músculo esquelético

se contraiga. Este

puede hacerlo durante varias horas en un medio carente de Ca, lo que indica que el acoplamiento excitación – contracción depende fundamentalmente de la liberación del Ca almacenado a nivel intracelular y no de la entrada de Ca desde el medio extracelular.

a) Relajación muscular Este proceso implica la activación de dos ATP-asas (Bombas de Ca) y del intercambiador Na-Ca. Existe una ATP-asa Ca- y Mg- dependiente localizada en la membrana del RS (100kDa) que facilita el transporte de Ca desde la TnC hacia el interior del RS; en este proceso, por cada dos moléculas de Ca transportadas se hidroliza una de ATP. Posteriormente, el Ca almacenado se desplaza hacia las cisternas terminales que contienen calsecuestrina(44kDa); a este nivel el Ca alcanza concentraciones 10000 veces superiores a las del citoplasma y queda disponible para liberarse en la siguiente contracción. A nivel del sarcolema encontramos otra ATP-asa Ca-dependiente (130kDa), que esta regulada por la calmodulina, y el intercambiador Na- Ca que también facilitan el flujo de salida de Ca fuera de la celula. Como consecuencia de estos tres mecanismos, durante la relajación la [Ca]i vuelve a valores cercanos

a 0’1 m, disminuyendo el Ca unido a la

TnC; ello

restablece la capacidad de la TnI para inhibir la formación de enlaces cruzados y los miofilamentos vuelven a la situación de reposo. Por tanto, la velocidad de relajación depende de la velocidad con la que el Ca libre intracitoplasmatico se almacena en el RS.

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b) Contracción muscular El termino contracción indica cualquier tipo de actividad muscular en respuesta a un estímulo y puede dar lugar o no al acortamiento muscular Tipos:  CONTRACCIÓN ISOMÉTRICA: si la tensión muscular desarrollada es menor que la carga, la contracción se denomina isométrica ya que la longitud del músculo no varía aunque aumente la tensión  CONTRACCIÓN ISOTÓNICA: :Si la tensión es lo suficientemente grande como para sobrepasar el peso de la carga , la contracción se llama isotónica ya que la tensión permanece constante una vez que se alcanzan el nivel necesario como para desplazar la carga.  CONTRACCIÓN MIXTA: la mayor parte de las contracciones de nuestros. Músculos esqueléticos se producen con modificación de la longitud y cambios en el grado de tensión alcanzado y se denominan contracciones auxotónicas o mixtas.

ACOPLAMIENTO EXCITACIÓN-CONTRACCIÓN DEL MÚSCULO LISO Las células. Lisas no contienen troponina y la contracción está regulada por aumento

intracelular

de

calcio,

que es el

responsable del

el

acoplamiento

electromecánico. Este puede tener dos orígenes: a través de dos tipos de calcio canales de calcio dependientes de voltaje, o a partir de la liberación del catión almacenado en el retículo sarcoplásmatico, que está muy poco desarrollado.

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