CAPÍTULO 9 Contracción muscular.

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1 CAPÍTULO 9 Contracción muscular

2 Figura 9-1 Organización del músculo esquelético en fascículos, fibras y miofibrillas.

3 Figura 9-2 Organización del sarcómero en sección longitudinal y transversal. a, micrografía con microscopio electrónico de una sección longitudinal de fibra muscular. Las bandas visibles al microscopio óptico resultan de la disposición regular de los miofilamentos dentro del sarcómero (pgc Hugh Huxley). b, dibujo esquemático del sarcómero: las bandas claras o bandas I están divididas a la mitad por los discos Z, mientras que al centro del sarcómero se ven las bandas oscuras o bandas A; estas últimas están divididas a la mitad por una zona más clara llamada zona H, que algunas veces presenta una línea oscura en el centro, la línea M.

4 Figura 9-2 c, el sarcómero tiene una estructura muy ordenada y regular constituida sobre todo por los filamentos gruesos (miosina) y los filamentos delgados (actina). Los filamentos delgados están conectados a las líneas Z y se extienden desde éstas hasta el interior de las bandas A, donde se superponen a los filamentos de miosina, que se encuentran en el centro del sarcómero. d, los filamentos guardan una disposición muy regular también en la sección transversal del sarcómero. En la zona de superposición, cada filamento de miosina está rodeado por seis filamentos de actina, dispuestos en los vértices de un hexágono regular, en tanto que cada filamento de actina está rodeado por tres filamentos de miosina dispuestos en los vértices de un triángulo. En la línea M están presentes los filamentos intermedios (mf).

5 Figura 9-3 Organización de los monómeros de actina en el filamento delgado y disposición de las proteínas reguladoras, troponina (en sus tres componentes, Tnl, TnC, TnT) y tropomiosina.

6 Figura R9-1 Espectro bidimensional de la difracción de rayos X de un músculo esquelético de rana en condiciones de reposo, obtenido mediante la luz de un sincrotrón. Representación esquemática de las principales reflexiones meridionales (sobre el eje vertical —meridiano—), las ecuatoriales (sobre el eje horizontal —ecuador—, en rojo) y las líneas del estrato de la miosina (M1-M4). Las reflexiones secundarias al filamento de actina no se ven porque son demasiado débiles o salen del espectro. (Redibujada por J. Bordas, et al. Two dimensional time-resolved X-ray diffraction studies of live isometrically contracting frog sartorius muscle, J Muscle Res Cell Motil 14:311-24, 1993.)

7 Figura 9-4 Estructura de la molécula de miosina II con dos cabezas globulares adheridas a una larga cola. Los sitios para la actividad enzimática y la unión con la actina se localizan en el dominio del motor. LMM (light meromyosin), cadena de meromiosina ligera; HMM (heavy meromyosin), cadena de meromiosina pesada; ELC (essential light chain), cadena ligera esencial; RLC (regulatory light chain), cadena ligera reguladora; ATP, trifosfato de adenosina. (Modificada por I. Rayment, HM. Holden. The three-dimensional structure of a molecular motor. Trends Biochem Sci 19:129-34, 1994.)

8 Figura 9-5 Estructura cristalográfica de la porción S1 de la molécula de
miosina con los diversos componentes. La larga hélice alfa con las dos cadenas ligeras constituye el brazo de palanca cuya rotación representa el suceso molecular encargado de desarrollar la fuerza. (Modifi cada por I. Rayment, et al. The active site of myosin. Annu Rev Physiol 58: , 1996.)

9 Figura 9-6 Organización de las moléculas de miosina en el filamento grueso. a, las porciones que sobresalen del cuerpo del filamento están constituidas por las cabezas de la miosina (porciones S1). Nótese la zona central desprovista de cabezas (zona desnuda). b, porción del filamento de miosina que muestra la disposición de las cabezas S1: éstas sobresalen del cuerpo con una periodicidad de alta regularidad de 14.3 nm giradas a 60°, de tal modo que la posición de S1 se repite con exactitud cada 42.9 nm.

10 Figura 9-7 Disposición y función del filamento de titina durante las variaciones de longitud del sarcómero. a, esquema simplificado de un sarcómero. b, el alargamiento provoca de modo inicial la distensión de los dominios IG y una distensión parcial del dominio único PEVK con desarrollo de una pequeña tensión pasiva. c, el alargamiento adicional provoca la distensión completa de PEVK, con el desarrollo de una notable fuerza pasiva. d, curva de tensión-longitud de la titina. Con el aumento de la distensión se incrementa la fuerza de forma casi exponencial.

11 Figura 9-8 Disposición isométrica (a) e isotónica (b) para el estudio de las propiedades del músculo esquelético. El tornillo superior sirve para estabilizar la longitud de reposo. El peso P es de valor inferior a la máxima tensión isométrica que el músculo puede desarrollar (P0).

12 Figura 9-9 En general, en el movimiento in vivo, la contracción nunca es isotónica. Por ejemplo, durante la rotación del antebrazo que levanta un peso, en virtud de la disposición geométrica de la carga y las palancas óseas, el músculo bíceps desarrolla una fuerza que no es constante y que es casi siete veces más grande que el peso. En compensación, la velocidad de movimiento del antebrazo es siete veces más grande que la de acortamiento del músculo. La flecha roja indica el componente de la fuerza peso que se aplica al músculo a través de la palanca ósea.

13 Las figuras muestran el desarrollo de fuerza a causa de un estímulo
Figura 9-10 Actividad del músculo esquelético en condiciones isométricas. Las figuras muestran el desarrollo de fuerza a causa de un estímulo individual (sacudidas, a) o más estímulos (tetania, b). a, la velocidad de desarrollo de la tensión depende del tipo de músculo y de la temperatura. a, músculo gastrocnemio de mamífero; b, músculo sóleo de mamífero; c, músculo sartorio de rana, 10°C; d, músculo sartorio de rana, 0°C. b, respuestas a la aplicación de uno, dos o más estímulos. La aplicación de dos o más estímulos permite la sumación de las respuestas mecánicas con incremento de la tensión. El trazo azul muestra una tetania no fusal, mientras que el trazo rojo delinea uno del todo fusal.

14 Figura 9-10 c, tetania isométrica registrada en una fibra individual muscular. La presencia de una pequeñísima oscilación sobre la meseta indica que la tetania no es por completo fusal. El trazo rojo muestra la longitud media de los sarcómeros en un tramo de fibra seleccionado de 2 mm de longitud, registrada mediante la técnica de difracción con luz láser. Se puede observar que pese a que la fibra está mantenida en condiciones isométricas, los sarcómeros (es decir, el aparato contráctil) se acortan en el segmento de fibra seleccionado (cerca de 2% en la figura) evidentemente a costa del alargamiento de los tendones u otras porciones más débiles de la fibra. Por consiguiente, puede afirmarse que el aparato contráctil no está en condiciones del todo isométricas. Nótese que la relajación se lleva a cabo en dos fases, una isométrica inicial (durante esta fase, la longitud del sarcómero no cambia en grado significativo) seguida por una fase final más o menos exponencial.

15 son todas prácticamente iguales.
Figura 9-11 Curvas de tensión-longitud activas (trazo azul) y pasivas (trazo verde) registradas en diferentes músculos con distintas cantidades de tejido conjuntivo. Obsérvese que la tensión pasiva disminuye cuando decrece el tejido conjuntivo del músculo con el avance del músculo gastrocnemio (a) al músculo sartorio (b) y el músculo semitendinoso (c), mientras que las curvas activas son todas prácticamente iguales.

16 Figura 9-12 Actividad isotónica
Figura 9-12 Actividad isotónica. Efectos de la variación del peso aplicado al músculo (P, P1, P2) sobre el desarrollo de la fuerza (a) y el acortamiento (b) durante la fase inicial de la estimulación tetánica. Nótese que en b la velocidad de acortamiento, es decir, la inclinación de las rectas (trazos rojo, verde y azul) aumenta al disminuir la carga. c, d, son los mismos casos de a y b, con la salvedad de que el registro se extiende por un tiempo más largo. Al prolongarse la actividad, el músculo se acorta siempre a menor velocidad hasta que se detiene.

17 Figura 9-13 Ilustración esquemática del mecanismo que limita el acortamiento
máximo del músculo en función de la carga aplicada. La curva (trazo azul) muestra la vía de la máxima tensión isométrica en función de la longitud del músculo (véase la fig. 9-11). Las flechas verticales ilustran el desarrollo de la tensión isométrica (hasta el valor del peso aplicado P o P2) que precede al acortamiento. Las flechas horizontales representan el acortamiento, que termina cuando la longitud alcanza el valor al cual la tensión isométrica es equivalente al peso aplicado. En consecuencia, cuanto más pequeño es el peso, más grande es el acortamiento.

18 Figura 9-14 a, relación fuerza-velocidad en el músculo esquelético en el intervalo de fuerza entre 0 y 2 P0. La máxima velocidad de acortamiento (Vmáx) se alcanza cuando la carga aplicada es cero. Para cargas superiores a P0 la velocidad es negativa, es decir, el músculo se alarga en vez de acortarse y desarrolla una fuerza superior a P0 hasta que, alrededor de 2 P0, cede y se alarga con rapidez. La curva azul representa la potencia que el músculo puede desarrollar. Ésta es obviamente cero a P0 y Vmáx y alcanza el máximo valor alrededor de 1/3 de P0. En el músculo esquelético rápido del ser humano, Vmáx es casi de 6 l0/s, mientras que P0 se aproxima a 280 kPa. b, método gráfico para encontrar las constantes a y b que aparecen en la ecuación de la fuerza-velocidad de A.V. Hill. Éstas representan la distancia de las asíntotas de la hipérbole equilátera desde los ejes de la curva P-V.

19 Figura 9-15 Aparato y registros isotónicos con poscarga
Figura 9-15 Aparato y registros isotónicos con poscarga. a, la longitud del músculo se mantiene constante hasta el momento de liberar el bloqueo que se efectúa en la meseta tetánica para todas las cargas aplicadas. Esta técnica elimina las heterogeneidades de activación que pueden estar presentes en las condiciones mostradas en la figura 9-8. b, cuando se anula el bloqueo, la tensión desciende inmediatamente al valor del peso y permanece constante durante todo el periodo de acortamiento. El acortamiento del músculo se lleva a cabo en dos fases: la primera, muy veloz y prácticamente independiente de la carga, y la segunda, dependiente de la carga según sea la relación fuerza-velocidad. La primera fase se debe a la recuperación de los componentes elásticos en serie del músculo; la segunda, al acortamiento del componente contráctil. Las oscilaciones presentes en los dos registros son un artefacto mecánico debido al peso y la elasticidad del músculo.

20 Figura 9-16 Modelo mecánico del músculo de tres elementos: los dos componentes elásticos (en serie –CES– y en paralelo –CEP–) y el componente contráctil (CC).

21 Figura 9-17 Efecto del acortamiento rápido del músculo activado en la meseta tetánica. El valor del acortamiento es más grande en b. El acortamiento rápido determina una caída pronta de la tensión, seguida por una recuperación hacia el valor de meseta. Cuanto más grande es el acortamiento, más grande es la caída.

22 Figura 9-18 Deslizamiento de los miofilamentos de actina y acortamiento del
sarcómero producido por la acción cíclica de las cabezas de miosina que interactúan con los sitios activos presentes sobre el filamento de actina.

23 Figura 9-19 a, curva de tensión-longitud medida en un grupo de sarcómeros
mantenidos en condiciones estrechamente isométricas en un músculo semitendinoso de rana. b, disposiciones de los filamentos correspondientes a las longitudes del sarcómero indicadas con las fl echas verticales numeradas en a. La curva muestra que en la región de la meseta, de 2.0 a 2.2 μm y hasta 3.65 μm, las tensiones medidas se hallan en perfecta concordancia con las expectativas de la teoría del deslizamiento de los filamentos y los puentes cruzados. (a, modificada por AM Gordon, et al )

24 Figura 9-20 Experimentos de relajación rápida en la meseta tetánica.
El experimento es similar al de la figura 9-17, con la excepción de que el acortamiento es mucho más rápido. Se pone así en evidencia que la recuperación de la tensión después del acortamiento sucede en más fases. a, caída de la tensión debida a la relajación rápida. b, primera fase muy rápida de recuperación de la tensión: ésta se atribuye a una variación conformacional de los puentes cruzados sin variación de su número. c, segunda fase en la cual la velocidad de recuperación se vuelve muy lenta. d, fase de recuperación final que sucede a una velocidad similar a la inicial de formación de puentes.

25 Figura 9-21 Relaciones entre los ciclos mecánico y bioquímico de los puentes cruzados. M, miosina; ADP, difosfato de adenosina; Pi, fosfato intracelular; ATP, trifosfato de adenosina; A, actina; AM, actomiosina.

26 Figura R9-3-1 Ensayos de motilidad
Figura R9-3-1 Ensayos de motilidad. Una porción de filamento de actina dispuesta sobre un lecho de cabezas de miosina y en presencia de ATP se mueve impelida por la acción de los puentes cruzados a una velocidad cercana a Vmáx. El filamento de actina se estabiliza y marca con faloidina fluorescente para hacerlo visible al microscopio óptico.

27 Figura R9-3-2 a, experimentos con trampa óptica (técnica con tres microesferas) para la medición de la fuerza o el desplazamiento generado por un puente cruzado. Los registros se llevan a cabo al cuantificar el movimiento de las microesferas que sostienen el filamento de actina. b, registro de los impulsos elementales de fuerza causados por la interacción entre una molécula de miosina (S1) y el filamento de actina.

28 Figura 9-22 Rotación del brazo de palanca
Figura 9-22 Rotación del brazo de palanca. (Modificada por A Houdusse, HL Sweeney. Myosin motors: missing structures and hidden springs. Curr Opin Struct Biol 11:182-94, 2001.)

29 Figura 9-23 Movimiento de la acción elemental del desarrollo de fuerza en función del número de motivos IQ presentes en el brazo de palanca. Se puede advertir que el movimiento producido por la acción elemental del desarrollo de fuerza aumenta de forma lineal con la longitud de la palanca (proporcional al número de los motivos IQ).

30 Figura 9-24 Esquema de las vías de producción del ATP a partir de las fuentes indirectas de energía. Pi, fosfato intracelular; ADP, difosfato de adenosina; ATP, trifosfato de adenosina.

31 Figura 9-25 Movimiento temporal del potencial de acción, de la concentración
intracelular del Ca2+ y el desarrollo de fuerza tras un solo estímulo. La actividad eléctrica es brevísima y se extingue mucho antes del desarrollo de fuerza.

32 Figura 9-26 a, relación entre potencial de membrana y fuerza desarrollada en una sola fibra muscular. El potencial de membrana se modifica mediante la utilización de soluciones extracelulares con contenido variable de potasio (contractura de potasio). b, relación entre concentración del calcio (pCa) y fuerza desarrollada en una sola fibra carente de membrana.

33 Figura 9-27 Organización del retículo longitudinal y las miofibrillas en la fibra muscular esquelética.

34 Figura 9-28 Disposición de los túbulos transversal y longitudinal y esquema del funcionamiento de la abertura de los canales del Ca2+ (receptores de la rianodina).

35 Figura 9-29 Morfología esquemática de una fibra muscular lisa
Figura 9-29 Morfología esquemática de una fibra muscular lisa. a, la contracción produce un notable cambio de forma de la fibra que de alargada tiende a volverse esférica. b, organización del citoesqueleto y los miofilamentos en las fibras musculares lisas. En este ejemplo, dos fibras adyacentes están acopladas en sentidos eléctrico, por medio de la unión hendida, y mecánico, mediante las uniones adherentes.

36 Figura 9-30 Actividades eléctrica y mecánica en los diversos tipos de músculo liso. La contracción puede activarse por potencial de acción (a), por las despolarizaciones lentas y rítmicas que llevan a la producción de potenciales de acción (b) y por la despolarización lenta (c). Al final, la contracción puede activarse por variaciones del potencial de membrana provocadas por neurotransmisores o fármacos (acoplamiento farmacomecánico, d). La actividad en a es común en los músculos multiunitarios, mientras que la de d y c es típica de los músculos unitarios fásicos.

37 Figura 9-31 Relación de tensión-longitud activa en el músculo liso de arteria activada con estimulación eléctrica. a, curva de tensión-longitud pasiva. b, curva de tensión-longitud activa. Las líneas azules se refieren a los datos obtenidos 2 min después del cambio de longitud; las rojas aluden a los obtenidos tras 27 min. Se observa que, al contrario del músculo esquelético, la curva varía con el tiempo y ello indica que el material elástico o el contráctil tienen desempeños opuestos para modificar las estructuras lentas después de las variaciones de longitud.

38 Figura 9-32 Curva de fuerza-velocidad en el músculo liso
Figura 9-32 Curva de fuerza-velocidad en el músculo liso. A diferencia del músculo esquelético, la activación del músculo liso, que ocurre sobre todo a través de la fosforilación de la cadena ligera de la miosina, controla también la velocidad del acortamiento con carga cero que puede variar de 0.6 l0/s a 0.1 l0/s. Se muestran dos curvas con grado de fosforilación de 20 y 50% del máximo.

39 Figura 9-33 Esquema de la activación en el músculo liso
Figura 9-33 Esquema de la activación en el músculo liso. El Ca2+ controla el grado de fosforilación de la cadena ligera de la miosina y la interacción actina-caldesmón (CaD). También la actividad de la fosfatasa es modulable a través de la acción del sistema rho-cinasa. CaM, calmodulina; MLC, cadena ligera de la miosina; MLCK, cinasa de la cadena ligera de la miosina; ADP, difosfato de adenosina; ATP, trifosfato de adenosina; Rho-K, Rho-cinasa; RhoA-GTP, proteína RhoA-trifosfato de guanosina.

40 Figura 9-34 Movimientos del calcio en el músculo liso
Figura 9-34 Movimientos del calcio en el músculo liso. La concentración de Ca2+ mioplasmático la controlan la entrada del calcio externo a través de los canales dependientes de voltaje o la liberación del calcio contenido en el retículo provocada por el 1,4,5-trifosfato de inositol (IP3) a través del sistema de las proteínas G y la fosfolipasa C (PLC). En el esquema está indicada también una posible vía para la liberación de Ca2+ del retículo secundaria a la acción del Ca2+ ingresado desde el exterior sobre los receptores del IP3. La resorción sucede por medio de bombas de Ca2+ localizadas sobre el retículo o la membrana y a través de un intercambiador de membrana Na+/Ca2+.

41 Figura 9-35 Ciclo de los puentes transversales (puentes cruzados) en el músculo liso. Todos los estados de los puentes pueden existir en el estado fosforilado (ciclo más interno, flechas rojas) y el desfosforilado (ciclo externo, flechas azules). Los puentes pueden generar fuerza en ambos estados, pero pueden vincularse y producir movimiento sólo en el estado fosforilado. El Ca2+ es necesario para iniciar la contracción. El ATP se utiliza para la actividad contráctil y la activación.

42 Figura 9-36 Evolución temporal del desarrollo de fuerza, la velocidad de
acortamiento y el grado de fosforilación de las cadenas ligeras de la miosina (MLC) en un músculo liso de arteria activado con una solución de gran contenido de K+ (109 mM de Na+ sustituidos con K+). Para la comparación se registra también la concentración intracelular de Ca2+ obtenida de otros experimentos. Para cada parámetro, los valores se expresan relativamente al valor máximo. Se puede observar que mientras la fuerza asciende y se mantiene constante a nivel máximo por un tiempo muy largo, la velocidad de acortamiento y el grado de fosforilación alcanzan un punto máximo después de casi 30 s para después declinar hasta valores muy bajos en un tiempo relativamente corto. Este comportamiento se explica porque la concentración de Ca2+ muestra una evolución transitoria y alcanza el punto máximo antes que la fosforilación y el desarrollo de fuerza para luego decrecer hasta un plano estable muy bajo.