Tesis - Universidad de Colima

Universidad de Colima
Facultad de Medicina
Centro Universitario de Investigaciones Biomédicas
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL MÚSCULO
ESQUELÉTICO: PROPIEDADES MECÁNICAS PASIVAS Y
CONTRACTILIDAD
Tesis
Que para obtener el grado de
Maestro en Ciencias Fisiológicas
con especialidad en Fisiología
Presenta
MVZ: Adrián Larios Escalante
Asesor
Dr. J. Jesús Muñiz Murguía
Colima, Col.,
Julio de 1998
CONTENIDO
Capitulo
Página
INTRODUCCION
I.- EL SISTEMA MUSCULAR ESQUELETICO.................................................
- Los músculos, al igual que los movimientos, son
marcadamente diversos.
1
II.-ESTRUCTURA DEL MUSCULO ESQUELETICO........................................
NIVELES DE ORGANIZACIÓN
- Composición química del músculo.
- Aporte sanguíneo.
- Capilarización del músculo.
4
III- ULTRAESTRUCTURA DEL MUSCULO ESQUELETICO ................................
- La fibra muscular.
- Plasmalema.
- Diferentes tipos de proteínas están incrustadas en el plasmalema.
7
IV.-ORGANIZACION INTRACELULAR ..............................................................
- Miofibrillas.
- El Sarcómero.
- Los filamentos de actina y miosina corresponden a las bandas
claras y oscuras.
- Sistemas tubulares.
- El retículo sarcoplásmico (RS) circunda las miofibrillas.
- El sistema de túbulos transversos conecta la superficie de la fibra
con el interior celular.
- Núcleo y mitocondrias.
- Las mitocondrias proporcionan el ATP a la fibra muscular.
12
V.- PROTEINAS ESTRUCTURALES DEL MÚSCULO .........................................
18
PROTEINAS DEL SARCOMERO.
PROTEINAS DEL FILAMENTO GRUESO ........................................................
- Los filamentos de miosina
- Cadenas pesadas de la miosina.
- Los puentes cruzados son las cabezas globulares de las
moléculas de miosina.
- Las cadenas ligeras de miosina regulan las cabezas de miosina.
- Otras proteínas del filamento grueso.
- Los filamentos de miosina se mantienen juntos en la región M.
- La titina también ayuda a estabilizar los filamentos de miosina.
18
PROTEINAS DEL FILAMENTO DELGADO .........................................................
- Los filamentos de actina.
- Los filamentos de activa tienen polaridad.
- Los filamentos de actina están asociados con dos proteínas
accesorias reguladoras, la tropomiosina y la troponina.
24
VI.- EL CITOESQUELETO y LA MATRIZ EXTRASARCOMERICA
- Estudios bioquímicos sobre las proteínas del citoesqueleto.
- Filamentos intermedios.
- Estructura de los filamentos intermedios.
- Los microtúbulos.
- Los microtúbulos son responsables del citoesqueleto.
- El citoesqueleto fortalece el sarcolema y mantiene las
estructuras intracelulares en su lugar.
- El citoesqueleto y otras proteínas miofibrilares.
- Los filamentos de actina están atados a los discos Z.
27
VII: LA MATRIZ EXTRACELULAR EN LAS FIBRAS
MUSCULARES ESQUELETICAS .............................................................
34
- Composición y diversidad estructural.
- Las proteínas fibrosas.
- La sustancia basal y los complejos de proteoglicano.
- Diversidad de la matriz extracelular.
- Adhesiones focales: asociaciones especializadas del
citoesqueleto y la matriz extracelular.
- Glicoproteínas estructurales
- Receptores de membrana para macromoléculas de la
matriz extracelular.
VIII.- MEMBRANA BASAL ...............................................................................
- La membrana basal tiene varias capas.
- La membrana basal contiene varios tipos de proteínas y carbohidratos.
- La membrana basal tiene funciones importantes.
40
IX.- EL TEJIDO CONECTIVO DEL MUSCULO ESQUELETICO ......................
- El tejido conectivo muscular está organizado en tres niveles.
- El tejido conectivo muscular tiene múltiples funciones.
43
X.- LA COLAGENA EN LA FUNCION MUSCULAR .....................................
- Propiedades estructurales de la colágena.
- La familia de proteínas y genes de colágena.
- Tipos de colágena.
45
BIOSÍNTESIS ........................................................................................................
- Rasgos generales.
- Procesamiento intracelular.
- Eventos extracelulares.
- Funciones de la colágena en el músculo esquelético.
52
XL- INTERACCION MUSCULO-TENDON .....................................................
- Estructura del músculo esquelético completo.
- Los extremos de las fibras musculares están especializados
para transmitir la fuerza al tendón.
- Propiedades mecánicas del tendón.
- Significado fisiológico de la flexibilidad del tendón.
57
XII.- ARQUITECTURA MUSCULAR ................................................................
- Determinación experimental de la arquitectura del
músculo esquelético.
- Área fisiológica de corte transversal.
- Los músculos delgados largos están divididos en
compartimientos.
- Alineación de los sarcómeros en una fibra muscular.
- La plumación produce más fuerza.
- Longitud de la fibras en proporción a la longitud del músculo.
61
XIII.- DESARROLLO DEL MÚSCULO Y FIBRAS MUSCULARES ...............
68
- Proyección axónica -el nervio se reúne con el músculo -.
- Miogénesis -nacimiento de la fibra muscular -.
- Sinaptogénesis -el nacimiento de la unión neuromuscular -.
- Eliminación sináptica - el toque final -.
- Desarrollo de tipos de fibras musculares específicas.
- Células satélite: reservas para la reparación en la
lesión de las fibras musculares.
XIV.- TIPOS DE FIBRAS MUSCULARES.............................................................
- Estructura y propiedades de los tipos de fibras musculares.
- Fibras de sacudida rápida (Tipo II).
- Fibras de sacudida lenta (Tipo I).
PROPIEDADES FISIOLOGICAS DE LOS TIPOS DE FIBRAS
MUSCULARES ......................................................................................................
- Velocidad máxima de contracción de diferentes tipos
de fibras musculares.
- Tensión máxima generada por diferentes tipos de
fibras musculares.
- Tolerancia de diferentes tipos de fibras musculares
al ejercicio prolongado.
PROPIEDADES MORFOLOGICAS DE DIFERENTES TIPOS DE FIBRAS
MUSCULARES .......................................................................................................
- Diferencias en las proteínas contráctiles entre los tipos de fibras.
- Diferencias metabólicas entre tipos de fibras.
- Diferencias membranales entre tipos de fibras.
- Otras diferencias estructurales entre tipos de fibras.
TRANSFORMACION DE LAS FIBRAS MUSCULARES
EXPERIMENTALMENTE E INDUCIDA POR ENTRENAMIENTO .....................
- Diferencias entre grupos de atletas.
- Puede cambiar el tipo de fibra muscular en el humano?
- Las adaptaciones metabólicas son reales y significativas.
XV.- EVENTOS QUIMICOS Y MECANICOS DURANTE LA
CONTRACCION Y RELAJACION MUSCULAR ........................................
PROPIEDADES CONTRACTILES ACTIVAS
- Estudios microscópicos indican un mecanismo de
filamentos deslizantes.
- Mecanismo de los filamentos deslizantes.
- El mecanismo deslizante se produce por puentes cruzados.
- Los puentes cruzados aislados se pueden hacer trabajar in vitro.
- Acción mecánica de los puentes cruzados.
- La fuerza contráctil depende del número de interacciones
de los puentes cruzados.
- Curva tensión isométrica-longitud sarcomérica de fibras aisladas.
- Las cabezas de miosina hidrolizan el ATP y se doblan para
producir el impulso motor.
- Los filamentos de actina contienen dos proteínas reguladoras,
la tropomiosina y troponina.
- Unión entre actina, miosina y ATP.
74
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XVI.- ACOPLE EXCITACION-CONTRACCION .....................................................
- El mecanismo de acople excitación-contracción
ocurre en dos pasos.
- Los túbulos T conducen la señal eléctrica hacia el interior de la fibra.
- Los túbulos T conducen los impulsos al interior de la fibra.
- Los iones de Ca++ son necesarios para que ocurra la contracción.
- El Ca++ es liberado hacia el citosol desde el retículo sarcoplásmico.
- En el mecanismo de la liberación de Ca++ intervienen dos tipos
de canales de Ca++.
- Los canales DHP y rianodina pueden estar conectados
mecánicamente.
- Las señales químicas entre los canales DHP y rianodina
no deben ser excluidas.
- Los iones de Ca++ son bombeados desde el citosol hacia el RS.
- Relajación.
- Secuencia de eventos en la contracción muscular.
95
XVII.- ESTADO ACTIVO..........................................................................................
- La duración del estado activo es más corta que la de la sacudida.
- El estado activo puede ser prolongado por estimulación repetitiva.
- Efectos de la longitud muscular y carga.
- La velocidad y el grado de acortamiento muscular
dependen de la carga.
- La fuerza muscular está determinada por la velocidad
de acortamiento y la carga.
103
XVIII.- PROPIEDADES MECANICAS PASIVAS....................................................
- La molécula de Titina (Conectina)
- Un papel fisiológico para la titina en el músculo esquelético.
- La titina tiene dos funciones dentro del músculo.
- Titinas: proteínas gigantes encargadas de la elasticidad y de
la ultraestructura del músculo.
- Generación de fuerza pasiva e isoformas de la tinina en músculo
esquelético de mamífero.
- Composición proteica miofibrilar de fibras desnudas aisladas.
- Bases moleculares de las diferencias específicas de isoforma
en la elasticidad de la titina.
- La titina como resorte molecular.
- Implicaciones fisiológicas de la molécula de titina.
- Estiramiento de moléculas de titina.
107
XIX.- EQUIVALENTE MECANICO DEL MUSCULO .........................................
125
- Propiedades mecánicas y contráctiles del músculo entero.
-
Longitud del sarcómero y propiedades contráctiles.
Periodo de latencia
Componentes elásticos del músculo esquelético
Tensiones en contracción y tétanos
INTRODUCCION
El cuerpo humano tiene tres tipos funcionalmente
diferentes de músculo: músculo esquelético,
músculo cardiaco y músculo liso. Los músculos
esquelético y cardiaco son estriados, y tienen
mecanismos contráctiles semejantes. Todas las
funciones físicas del cuerpo entrañan actividad
muscular, llevadas a cabo por esos tres tipos
musculares, todos con algunas características en
común. Por ejemplo, el proceso de contracción
prácticamente es el mismo en todos ellos, pero
por otra parte, la potencia de la contracción, la
Duración de la misma y otras características
difieren en gran medida y se encuentran adaptadas
especialmente en cada tipo de músculo para la
tarea que debe efectuar.
El esqueleto es una armazón de huesos
que puede acomodarse en muchas formas distintas
y los ligamentos limitan de manera específica el
ángulo al que puede llegar cada articulación; en
general, por lo menos se dispone de dos músculos
oponentes entre sí para cada uno de los
movimientos que permiten los ligamentos en una
articulación. El tamaño y el aspecto de los
músculos no son exactamente iguales entre uno y
otro, pero todos están compuestos por fibras
musculares. En cada extremo del músculo se
fusionan las fibras del mismo con fibras tendinosas
resistentes que forman el tendón muscular. Los
tendones musculares, a su vez, penetran en los
huesos y se fusionan con ellos en los lados de las
articulaciones respectivas, de modo que cualquier
tracción
ejercida
producirá
el
movimiento
adecuado.
En
los
mamíferos,
los
músculos
comprenden conjuntos de células altamente
especializadas que transforman la energía
química en mecánica como respuesta como
respuesta a acontecimientos excitadores que
ocurren en la membrana celular. Esta característica
básica determina que los músculos se contraigan
generando tensión y produciendo movimiento. El
músculo
esquelético
está
inervado
por
motoneuronas que establecen conexiones con él a
través de uniones neuromusculares, lo que permite
su control por el sistema nervioso central. La
contracción del músculo esquelético es un proceso
complejo que se inicia con la producción de un
potencial de acción en la motoneurona, que
determina la liberación de un neurotransmisor,
acetilcolina, en la unión neuromuscular. La
acetilcolina, a su vez, provoca un potencial de
acción en la fibra muscular que es, en último
termino, el determinante de la contracción.
El tejido conectivo de un músculo es casi
tan importante como las fibras musculares, sin él
no se podría organizar la estructura del los
músculos y no habría manera de transmitir al
tendón la fuerza producida ni sería posible el
movimiento. Se ha visto que el tejido conectivo en
anatómicas, asociadas con el diferente tamaño y
orientación de las fibras de colágena. Por otra
parte, una forma simple de fuerza muscular es la
tensión "pasiva" que se desarrolla cuando los
músculos son estirados. La suma de las tensiones
pasiva y activa es la fuerza total desarrollada por
un músculo.
I.- EL SISTEMA MUSCULAR ESQUELETICO
Los músculos, al igual que los movimientos,
son marcadamente diversos.
I.EL
SISTEMA
ESQUELETICO.
MUSCULAR
Tanto para el hombre como para otros
animales, el movimiento se requiere para
sobrevivir. Cada actividad humana requiere
de la contracción muscular, para caminar,
correr, aventar, ver, escuchar y aún para
mantener la postura. Esta enorme diversidad
de la función muscular se refleja en los
tamaños y formas de los músculos. El
movimiento humano depende de la conversión
de la energía química del adenosín trifosfato
(ATP) en energía mecánica para la acción del
músculo esquelético. Las fuerzas de los
músculos actúan sobre sistemas de palanca
óseos y ocasionan que uno o más huesos se
muevan sobre el eje de unión; esto hace
posible que una persona mueva un objeto, su
propio
cuerpo
a
ambas
cosas
simultáneamente.
Cada músculo esquelético del cuerpo
humano ( 660 músculos aproximadamente)
contiene varias cubiertas fibrosas de tejido
conectivo (Fig. 1). En un corte transversal de
un músculo esquelético (Fig. 2B) se observan
miles de células musculares denominadas
fibras. Esas largas y delgadas fibras
multinucleadas
(cuyo
número
es
probablemente determinado en el segundo
trimestre del desarrollo fetal) se acomodan
paralelamente. La fuerza de la contracción es
dirigida a lo largo del eje longitudinal de la
fibra. La longitud individual de las fibras varía
desde unos pocos milímetros en los músculos
extraoculares a más de 100 mm en los
músculos largos de la pierna (MeArdle, et al.
1996).
Los
músculos,
al
igual
que
los
movimientos, son marcadamente diversos.
El tamaño de los músculos. El tensor
del tímpano, un pequeño músculo responsable
Figura 1.- Miles de miofibrillas se encuentran dentro de la fibra muscular, las cuales están cubiertas
y separadas de las fibras adyacentes por una fina capa de tejido conectivo llamada endomisio. Otra capa
de tejido conectivo, el perimisio, circunda un paquete de fibras constituyendo un fascículo. El epimisio es
una fascia de tejido conectivo que rodea al músculo completo. El epimisio se mezcla y une internamente con las
otras cubiertas del tejido muscular, en los extremos del músculo forman el tejido fuerte y denso de los tendones.
Los tendones conectan ambos extremos del músculo al periostio. Tomado de: Gartner & Hiatt.: Color Atlas of
Histology. Williams & Wilkins; 1994. p. 103.
de ajustar la tensión sobre el tímpano,
contiene sólo unos pocos cientos de fibras
musculares, mientras que el grastrocnemio
medial, uno de los principales músculos de la
pantorrilla empleado para caminar y correr,
tiene aproximadamente un millón de fibras. El
número aproximado de fibras de diferentes
músculos se presenta en la tabla 1.
Los largos tendones de los flexores de los
dedos, corren por debajo de bandas fibrosas
(retinácula), similares a poleas insertadas en
las bases de las falanges. Este arreglo
restringe el movimiento de los tendones,
traduciéndose en una efectiva flexión de los
dedos que sirve para asir (McComas, 1996).
Las formas de los músculos. Algunos
Músculos son relativamente gruesos -por
ejemplo, los
músculos vastos
de
los
cuadríceps, o los músculos glúteos, que
Extienden la cadera. Otros músculos, sin
embargo, forman tiras largas y delgadas
tales como el gracilis y el sartorio. Otros
músculos, como los flexores y extensores de
los dedos, se caracterizan por sus tendones
demasiado largos. Esta variación corresponde
con la realización de diferentes tareas.
Mientras más largo sea un músculo, más Valores promedios. El valor del sartorius tomado de
puede acortarse, y más elevada su velocidad de MacCallum (1898); todos los demás tomados de
acortamiento; en contraste, mientras más et al. (1955). Citado por McComas (1996).
grueso es un músculo, más fuerza (tensión)
puede desarrollar.
Figura 2A.- Músculo esquelético (800x). Se presenta una micrografía que muestra varias de las características
del músculo esquelético en una sección longitudinal. Se observa que las fibras musculares son largas y tienen un
diámetro uniforme, sus numerosos núcleos (N) están localizados en la periferia. El espacio entre las fibras
musculares está ocupado por el endomisio, con ocasionales células de tejido conectivo (CT). Son evidentes dos tipos de
estriaciones, longitudinales y transversas. Las estriaciones longitudinales corresponden a las miofibrillas (M)
acomodadas casi en registro, unas con otras. Este arreglo ordenado es el responsable de las bandas claras y oscuras que
dan a este tipo de músculo su nombre. Las bandas claras (I) están divididas por una estrecha línea oscura, las
líneas Z (Z). Las bandas oscuras (A), también están divididas por la clara zona H (H). El centro de la zona H
está ocupada por la región M. La unidad contráctil básica del músculo esquelético es el sarcómero (S) que se
extiende entre dos líneas Z contiguas. Las bandas claras y obscuras transversales de las miofibrillas vecinas
están alineadas. La alineación de las bandas se conserva entre las fibras musculares adyacentes, dando el
aspecto estriado característico del músculo esquelético.
Figura 2B.- Músculo esquelético (132x). Se presentan porciones de unos pocos fascículos en sección
transversal. Cada fascículo (F) está rodeado por el tejido conectivo del perimisio, que aloja los vasos sanguíneos y nervios
que abastecen a los fascículos. Los núcleos (N) de las fibras musculares aparecen en la periferia como puntos
negros; sin embargo todos están localizados dentro de las fibras musculares. El área señalada en el cuadro se presenta a
mayor ampliación en la figura 2C.
Figura 2C.- Músculo esquelético (540x). El corte transversal de varias fibras musculares demuestra su forma
poliédrica, tienen núcleos (N) periféricos, el endomisio aloja numerosos capilares (C). El sarcoplasma aparece pálido y
regularmente aparece granular, debido a las miofibrillas (M) cortadas transversalmente. Ocasionalmente pueden
observarse los núcleos que pertenecen a las células satélite (SC), su identificación definitiva sólo se logra con el
microscopio electrónico. El marcado límite entre cada fibra muscular se debe a la presencia de la lámina basal y al
endomisio. Tomado de: Gartner & Hiatt.: Color Atlas of Histology. Williams & Wilkins; 1994. p. 105.
II.-ESTRUCT URA DEL MUSCULO E SQUELE TICO
NIVELES DE ORGANIZACION
Composición química del músculo.
Aporte sanguíneo.
Capilarización del músculo.
II.- ESTRUCTURA DEL MUSCULO
ESQUELETICO
NIVELES DE ORGANIZACIÓN
Como se observa en la figura 1, cada fibra
muscular está cubierta y separada de las fibras
adyacentes por una fina capa de tejido
conectivo llamada endomisio. Otra capa de
tejido conectivo, el perimisio, circunda un
paquete de 20 a 150 fibras constituyendo un
fascículo. Rodeando al músculo completo se
encuentra una fascia de tejido conectivo
conocida
como
epimisio.
Esta
vaina
protectora se mezcla y une internamente con
las cubiertas del tejido muscular, en sus
extremos para formar el tejido conectivo
fuerte y denso de los tendones. Los tendones
conectan ambos extremos del músculo a la
cubierta más externa del hueso (el periostio).
Los
tejidos
del
tendón
están
entremezclados con las fibras de colágena del
hueso. Esto forma una unión difícil de separar
excepto durante el estiramiento severo. Cerca
del 70% de la masa seca del tendón está
formada por colágena (McArdle, et al. 1996).
Cuando el tendón está unido en el extremo de
un hueso largo, el hueso se desarrolla
adaptándose en ese extremo para producir
una unión más estable. Dependiendo del
tamaño del hueso, a este ensanchamiento se le
denomina como tubérculo, tuberosidad o
trocánter.
La fuerza de la acción muscular es
transmitida directamente desde el tejido
conectivo interno del músculo al tendón,
entonces este jala a los huesos en sus puntos
de unión. La fuerza ejercida en la unión
tendinosa bajo varias condiciones de esfuerzo
muscular varía entre 20 a 50 newtons por cm2
de área de corte transversal (MeArdle, et al.
1996). El origen del músculo es la región en
donde el tendón se une a una parte
relativamente
estable
del
esqueleto,
generalmente es el extremo proximal del
hueso, el extremo fijo del sistema de palancas
o lo más cerca de la línea media corporal; el
punto de unión distal al hueso que se mueve
es
la
inserción.
Debajo del endomisio y rodeando a
cada fibra muscular está el sarcolema, que
está compuesta de una membrana plasmática
(plasmalema) y de la membrana basal. La
membrana basal contiene proteínas y fibras
colágena que le permiten a la fibra muscular
fusionarse con las fibras de colágena
contenidas en el tendón. Entre la membrana
basal y la membrana plasmática se encuentran
las células satélite (Fig. 2C), las cuales
cumplen una importante función en la
regeneración celular y en su recuperación
después del daño. El protoplasma de la fibra o
sarcoplasma, contiene enzimas, lípidos y
partículas de glucógeno, aloja a los núcleos
(aproximadamente 250 por mm de longitud
de la fibra), las mitocondrias, y otros
organelos especializados. Inmersa en el
sarcoplasma está una red extensa de túbulos
interconectado y vesículas conocida como
retículo sarcoplásmico (Fig. 3) que
proporciona a la célula integridad funcional.
El sarcolema se introduce mediante túbulos
transversales (túbulos T) al eje longitudinal
de la fibra, formando otra red interconectada
de túbulos relacionada funcionalmente con el
retículo sarcoplásmico. A través de esta red
de túbulos T la onda depolarizante (potencial
de acción) se propaga rápidamente desde la
superficie externa de la fibra hacia las partes
más internas para iniciar la contracción
muscular
(McArdle,
et
al.
1996).
Independientemente de su forma y
tamaño, todos los músculos están hechos
fibras individuales de aproximadamente 50
µm de diámetro. En la infancia, las fibras son
más pequeñas. El entrenamiento intenso o las
labores físicas en el adulto pueden causar que
el diámetro se duplique. Cuando se observan
longitudinalmente bajo el microscopio (Fig.
2A), cada fibra presenta una serie de
estriaciones alternantes claras y obscuras. Las
tiras claras son las bandas I (isotrópicas), y las
tiras oscuras, con su elevado índice de
valores para algunos de los otros músculos
refracción, son las bandas A (Anisotrópicas).
(soleo, gastrocnemio medial, tibial posterior).
Una línea densa corre por toda la mitad de las
bandas I; esta es la línea Z o Discos Z. La
parte central de la banda A, la zona H, está
Composición
química
del
músculo.
dividida por una estructura oscura, la región
M. La porción de una fibra comprendida entre
Aproximadamente el 75% del músculo
dos líneas Z sucesivas es denominada
es agua, y el 20% son proteínas. El restante
sarcómero y en una fibra relajada tienen una
5% está constituido de sales inorgánicas y
longitud de aproximadamente 2.2 µm. En la
algunas otras sustancias, incluyendo al fosfato
figura 3 se muestran esquemáticamente las
de alta energía; urea; ácido láctico; los
estriaciones, en la tabla 2 aparece el número
minerales calcio, magnesio, y fósforo; varias
de sarcómeros, alineados extremo con
enzimas; iones de sodio, potasio, y cloruro;
extremo, en fibras aisladas de varios músculos
aminoácidos; lípidos; y carbohidratos. Las
de humano; se notan los elevados valores en
más abundante de las proteínas musculares
los músculos delgados del muslo (sartorio,
son la miosina (aproximadamente el 60% de
gracilis, semitendinoso) y los muy bajos
la proteína muscular), la actina, y la
tropomiosina. También, cerca de 700 mg de
mioglobina (proteína conjugada) están
incorporados dentro de cada 100 g de
tejido muscular (McArdle, et al. 1996).
Aporte sanguíneo.
En actividades rítmicas tales como
correr, nadar, o el ciclismo, el flujo sanguíneo
fluctúa; disminuyendo durante la fase de
contracción muscular y aumentando durante
la fase de relajación. Esto proporciona una
acción de bombeo que facilita el flujo
sanguíneo hacia los músculos y ayuda a la
vez, a impulsar la sangre de regreso al
corazón.
Este
flujo
pulsátil
es
complementado por la rápida dilatación de los
capilares que habían permanecido inactivos.
Entre 200 y 500 capilares pueden estar
aportando sangre para cada mm' de sección
transversal del músculo activo, con
aproximadamente cuatro capilares en
contacto directo con cada fibra (McArdle,
et al. 1996).
Las
actividades
con
esfuerzo
muscular presentan un aspecto diferente en
cuanto al flujo sanguíneo muscular. Cuando
un músculo genera aproximadamente el 60%
de su capacidad de fuerza, el flujo sanguíneo
local se ocluye debido a la elevada presión
intramuscular. Cuando esto ocurre, la
energía para continuar el esfuerzo hasta la
producción de fuerza cercana al máximo es
generada por el fosfato de alta energía
contenido dentro del músculo generadas a
través de las reacciones anaeróbicas de la
glucólisis.
Capilarización del músculo.
Un factor que con frecuencia es
propuesto para mejorar la capacidad de ejercicio
en el entrenamiento de resistencia, es el
incremento en la densidad capilar de los
músculos entrenados. Aparte de su papel en la
capacidad de liberar oxígeno, nutrientes, y
hormonas, la microcirculación capilar también
proporciona el medio para retirar desde los
tejidos activos, el calor y los subproductos
metabólicos. Esas funciones se optimizan con
una mayor densidad capilar (McArdle, et al.
1996).
"a"
Se refiere a los miembros individuales analizados. Para los
valores de los tres músculos del muslo en la parte baja de la
tabla no se tomaron en cuenta las bandas fibrosas transversales
del vientre muscular (porción carnosa más prominente del
músculo), y los tres valores podrían ser más bajos que los
establecidos. Nota. Datos obtenidos de "Muscle Architecture of
de Human Lower Limb" por T.L. Wickiewicz, R.R. Roy, P.L.
Powell y V.R. Edgerton, 1983, Clinical Orthopaedics and
Related Research, 179, p.277. Citado por McComas, 1996.
III.- ULTRAESTRUCTURA DEL MUSCULO ESQUELETICO.
La fibra muscular:
Plasmalema.
Diferentes tipos de proteínas están incrustadas en el plasmalema.
1111.ULTRAESTRUCTURA
MUSCULO ESQUELETICO.
DEL
La anatomía microscópica o ultraestructura del
músculo esquelético ha sido revelada con la
ayuda del microscopio electrónico, la
cristalografía de rayos X, la tinción
histoquímica y por técnicas de difracción con
láser de helio-neón. Cada fibra está compuesta
de pequeñas unidades funcionales que se
encuentran paralelas al eje longitudinal de la
fibra, estas son las fibrillas o miofibrillas, que
tienen aproximadamente 1 µm de diámetro y
están compuestas de unidades aún más
pequeñas ( los filamentos p miofilamentos)
que se encuentran paralelos al eje de la
miofibrilla. Los miofilamentos están formados
por varias proteínas; la actina y la miosina
constituyen cerca del 85% del complejo
miofibrilar. Se han identificado otras proteínas
que tienen una función estructural o que
pueden afectar la interacción de los
filamentos de proteína durante la acción del
músculo (fig. 4). Los porcentajes reportados
por diferentes autores difieren para cada
proteína dependiendo de la técnica utilizada
para su aislamiento. Ellas son
(a)
tropomiosina, localizada a lo largo de los
filamentos de actina (5%); (b) troponina,
localizada en los filamentos de actina (3%); (c)
a-actinina, distribuida en la región de la banda
Z (7%); (d) -actinina, encontrada en los
filamentos de actina (1%); (e) proteína M,
identificada en la región de las líneas M dentro
del sarcómero (menos del 1%); (f)
proteína C (menos del 1%), la cual se cree
que contribuye a la integridad estructural del
sarcómero (McArdle, et al. 1996); (g)
nebulina, localizada en los filamentos de
actina, regula el tamaño del filamento
delgado (5%); (h) titina, regula el tamaño del
filamento grueso y se extiende desde la línea M
a los discos Z (10%) (Robson, 1983). En la
tabla 3 aparecen las principales proteínas
miofibrilares y la función que desempeñan en el
sarcómero.
La fibra muscular.
Todas las partes de la fibra muscular
están relacionadas de algún modo con la
producción de movimiento o fuerza, pero es
la miofibrilla quien finalmente produce esos
efectos, y en conjunto son las miofibrillas las
que constituyen la mayoría de la fibra.
La operación de las miofibrillas
depende de las propiedades químicas y
eléctricas de los sistemas tubulares que las
circundan y de la disponibilidad del compuesto
liberador de energía, el ATP. Las
mitocondrias del interior de la fibra son la
principal fuente de ATP. El núcleo de las
fibras musculares, proporciona las instrucciones
para sintetizar las diferentes proteínas de la
fibra contenidas en las miofibrillas, sistema
tubular y organelos.
Plasmalema.
El contenido de todas las células vivas
esta rodeado por una membrana plasmática, el
plasmalema, con un grosor de algunos 7.5
nm; el contenido por sí mismo comprende una
solución acuosa de iones inorgánicos, azúcares,
aminoácidos, péptidos y proteínas todo lo cual
es denominado el citosol. El citosol, los
filamentos y organelos dentro de él constituyen
el citoplasma; en el caso de las fibras
musculares esqueléticas, al citoplasma se le
refiere como sarcoplasma.
La principal función del plasmalema es
permitir al citosol tener una composición
química marcadamente diferente a la de los
fluidos que rodean a la célula. El plasmalema
ejecuta esta última función a través de
poblaciones de canales proteicos y bombas,
los cuales están incrustadas en las dos capas
lipídicas de la membrana (Fig. 5). En los
nervios y fibras musculares, tan diferentes de la
mayoría de las otras células, el plasmalema
tiene la propiedad adicional de la excitabilidad,
permitiendo que los impulsos
eléctricos sean transmitidos a todo lo largo de
la célula.
El sarcolema no es una estructura lisa
en toda la longitud de la fibra muscular. Más
bien, en la región de la zona de inervación
(placa motora terminal) presenta plegamientos.
En otras partes a lo largo de la superficie de
la fibra, la membrana presenta muchos
pliegues poco profundos cuando la fibra
está en los estados de reposo o de
contracción, y desaparecen si la fibra es
pasivamente
estirada.
Existen
también
numerosas pequeñas invaginaciones de
membrana, las caveolae, los cuales están
conectados con la superficie de la membrana
por cuellos estrechos; su función es incierta,
aunque pueden actuar como fuentes de
reserva de membrana durante el estiramiento
de la fibra. Investigaciones bioquímicas y
ultraestructurales indican que el plasmalema
está en su mayoría compuesto de moléculas de
lípidos en arreglo perpendicular a la
superficie de la fibra y formando dos capas.
Las cabezas hidrofílicas de las moléculas
lipídicas forman las superficies interna y
externa de la membrana, mientras que las
colas hidrofóbicas constituyen el interior de
la membrana. Las cabezas están compuestas de
colina, fosfato y glicerol; las colas consisten de
cadenas de ácidos grasos, y están dos de
éstos asociados con cada cabeza. El
plasmalema también contiene relativamente
grandes cantidades de colesterol, tales
moléculas están interpuestas entre los
fosfolípidos y sirven para endurecer la
membrana. Puesto que gran parte de la
membrana lipídica tiene un punto de fusión
por debajo de la temperatura corporal, se
podría esperar que el plasmalema tuviera
propiedades de fluido. Marcando un punto de
Tabla 3.- Principales proteínas miofibrilares y su localización en el sarcómero, peso molecular, porcentaje y la función que
desempeñan. Estas proteínas tienen una función estructural o afectan la interacción de los filamentos de proteína durante la acción
muscular. Los porcentajes reportados por diferentes autores difieren para cada proteína dependiendo de la técnica utilizada para su
aislamiento.
PROTEINAS MIOFIBRILARES
ESTRUCTURA
Filamento Delgado
PROTEINA
PM (KDa)
CONTENIDO
FUNCION
Actina
Tropomiosina
42
70
20
5
Interacciona con la miosina durante la contracción
activa.
Traduce los cambios conformacionales del complejo
Complejo de
Troponina
69
3
troponina a la actina.
Une Ca 2+ y es el interruptor que transforma las
Nebulina
500
5
señales de Ca 2+ a señales moleculares que provocan y
gradúan la contracción muscular.
Regula el tamaño del filamento delgado y controla la
Miosina
520
45
unión de un número definido de monómeros de actina
en cada filamento.
Junto con la actina, realiza la traducción
quimiomecánica, hidrolizando el ATP para efectuar el
Proteína C
150
<1
proceso mecánico.
Une tanto a la miosina como a la proteína H del
Miomesina
(Proteína M)
165
<1
filamento grueso adyacente.
Ayuda a mantener el arreglo de los filamentos gruesos.
a - actinina
Desmina
180
55
Filamento Grueso
Disco Z
Filamento Conector
Titina
3
000
7
<1
10
Proporciona el punto de anclaje para la titina en la zona
H.
Mantiene la distancia interdigitando los filamentos
gruesos, delgados y conectores.
Conecta los discos Z adyacentes de diferentes
miofibrillas y ayuda a mantener los espacios
intersacoméricos.
Regula el tamaño del filamento grueso, mantiene
centrado al filamento grueso tanto en el reposo como
membrana con un colorante fluorescente y
observando su expansión bajo el microscopio,
Fambrough, Hartzell, Rash y Ritchie (1974)
fueron capaces de mostrar que esta situación
es verdadera. La fluidez es debido a que las
moléculas de lípidos son capaces de
intercambiar lugares una con otra dentro de
las capas de la membrana.
Diferentes tipos de proteínas
incrustadas en el plasmalema.
están
La membrana también contiene
proteínas, las cuales están reconocidas
generalmente dentro de dos tipos; intrínsecas
y extrínsecas. Las proteínas extrínsecas
(periféricas) están solamente unidas en la
superficie interna o externa de la membrana
y pueden fácilmente desprenderse por
medios químicos.
En contraste, las proteínas intrínsecas
(transmembranales) penetran totalmente el
grosor de la membrana y son difíciles de
remover. Muchas de las proteínas están
glucosiladas, esto es, tienen residuos de azúcar
que se pueden extender hasta la lámina lucida
de la membrana basal. Los residuos terminales
libres de azúcar pueden atrapar moléculas del
líquido extracelular y directamente por las
proteínas de la membrana. Entre las proteínas
especiales conocidas que se localizan en el
plasmalema están las siguientes:
a) Sistemas de transporte para iones,
azúcares, lípidos y aminoácidos. Las proteínas
de transporte caen dentro de varias clases.
Uniportadoras, que acarrean solamente un
soluto a través de la membrana. Simportadoras
funcionan moviendo dos solutos en la misma
dirección, por ejemplo
moléculas de azúcar y H + . Antiportadoras
que actúan transfiriendo dos solutos en
direcciones opuestas; el mejor ejemplo
conocido es la bomba Na + -K, la cual extrae
Na+ desde la célula en intercambio por K+.
Otras proteínas de transporte son las que
forman los canales fónicos, los cuales permiten
a un ion específico atravesar la membrana
siguiendo su gradiente electroquímico, una vez
que ese canal ha sido abierto por un cambio de
voltaje a través de la membrana. El receptor
de acetilcolina es un tipo diferente de canal
iónico (activado por ligando), en el cual su
apertura es llevada a cabo por la combinación
con la acetilcolina.
b) Adenilato ciclasa, es la responsable
de la síntesis de un segundo mensajero, el
AMP cíclico. Una proteína (proteína G)
ligante de GTP sobre la superficie citoplásmica
del plasmalema esta relacionada en la
activación de la adenilatociclasa.
c) Cinasas para la fosforilación de
varias proteínas de la membrana.
d) Receptores de hormonas. La
habilidad de las fibras musculares para
responder a una variedad de hormonas tales
como la insulina, epinefrina y hormonas
esteroides, depende de la presencia en el
plasmalema de receptores específicos para
cada hormona.
e) Integrinas. Esas proteínas unen al
endomisio y membrana basal con el plasmalema
y estructuras del citoesqueleto. Dos de las
integrinas son el receptor de la fibronectina
y las glucoproteínas asociadas con distrofina.
En comparación con las moléculas de
lípidos, la habilidad de las proteínas para
moverse dentro de la membrana está
restringida, porque están ancladas en los
filamentos intracelulares o extracelulares por
medio de proteínas fijadoras tales como la
ankirina y la desmina (McComas, 1996).
IV.-ORGANIZACION INTRACELULAR.
Miofibrillas.
El Sarcómero.
Los filamentos de actina y miosina corresponden a
las bandas claras y oscuras.
Sistemas tubulares.
El retículo sarcoplásmico (RS) circunda las
miofibrillas.
El sistema de túbulos transversos conecta la
superficie de la fibra con el interior celular.
Núcleo y mitocondrias.
Las mitocondrias proporcionan el ATP a la fibra
muscular.
IV.-ORGANIZACION INTRACELULAR.
Miofibrillas.
El Sarcómero.
En la figura 6 se resumen todos los
elementos que forman una fibra muscular. Se
puede apreciar que las estructuras más obvias
dentro de la fibra muscular son las
miofibrillas, que son las unidades responsables
de la contracción y relajación de las fibras.
Cada miofibrilla tiene de 1 a 2 µm de diámetro
y está separada de sus vecinas por las
mitocondrias y por los sistemas tubulares
(sarcoplásmico y de túbulos transversos); en
una fibra de 50 µm de diámetro existen arriba
de 8 000 miofibrillas. Las miofibrillas
contienen dos tipos de filamentos proteicos,
los de actina y miosina, y que es la disposición
regular de esos filamentos a lo largo de la
miofibrilla lo que le da su apariencia en
bandas bajo el microscopio. Los dos tipos de
filamentos se soportan uno al otro por medio
de los puentes cruzados y están a la vez
soportados
por
otras
estructuras
especializadas. Finalmente los filamentos, a
través de estructuras de soporte, están
conectados con el tejido conectivo del
endomisio y de allí al tendón del músculo
(McComas, 1996).
A menor amplificación, las bandas
alternantes claras y obscuras a lo largo del su
longitud le dan una apariencia estriada
característica a la fibra muscular. El área
clara se denomina como banda I, y la zona
oscura se le da el nombre de banda A. La
línea Z divide la banda I y se adhiere al
sarcolema para dar estabilidad a toda la
estructura. La unidad que se repite entre dos
líneas Z es llamada sarcómero (Recuadro).
Esta entidad estructural es la unidad funcional
de la fibra muscular. Los filamentos de actina y
miosina dentro del sarcómero son los primeros
implicados en el proceso mecánico de la
contracción muscular. Los sarcómeros,
adyacentes uno de otro están alineados en
serie; los miofilamentos están alineados en
una configuración en paralelo dentro de una
fibra dada. En el estado de reposo, la
longitud de cada sarcómero es de
aproximadamente 2.5 µm. Así, para una
miofibrilla con una longitud de 15 mm,
pueden existir cerca de 6000 sarcómeros
unidos extremo con extremo (McArdle, et al.
1996).
Figura 6.- Las estriaciones del músculo esquelético se deben a las bandas A y a las bandas I. Las bandas I están divididas en dos
mitades iguales por la línea Z, y cada banda A tiene una zona clara, la zona H. El centro de cada zona H es la oscura región M. Las
miofibrillas adyacentes se mantienen una junto a la otra por los filamentos intermedios de desmina y vimentina. La unidad contráctil
básica de la fibra muscular esquelética es el sarcómero, que contiene un conjunto altamente ordenado de miofilamentos (gruesos y
delgados). Las invaginaciones tubulares, (túbulos T) de la membrana de la fibra muscular penetran profundamente dentro del
sarcoplasma y rodean a las miofibrillas a nivel de la unión de la banda A con la banda I, esos túbulos se asocian con las cisternas terminales
dilatadas del retículo sarcoplásmico, formando triadas.
En el recuadro aparece un sarcómero que muestra el arreglo de los miofilamentos gruesos y delgados. En la parte inferior
(izquierda) se observa el detalle de la composición de los filamentos, a la derecha se presenta en un corte transversal la
distribución de los miofilamentos en diferentes niveles sarcoméricos. Tomado de: Gartner & Hiatt.: Color Atlas of Histology.
Williams & Wilkins; 1994. p. 102.
Los filamentos de actina y miosina corresponden a las
bandas claras y oscuras.
En los sarcómeros de una fibra muscular en
reposo, los filamentos delgados de actina y los gruesos
de miosina presentan un traslape interdigitado. Miles de
filamentos de miosina se encuentran junto con los
filamentos de actina en una fibra muscular. Un filamento
grueso de miosina (150 Å de diámetro y 1.5 µm de
largo) está rodeado por seis filamentos delgados, cada
uno de 50 Å de diámetro y 1 µm de longitud (Fig.
7). Esta subestructura del músculo es impresionante.
Por ejemplo, una miofibrilla de 1 µm de diámetro
contiene aproximadamente 450 filamentos gruesos en el
centro del sarcómero y 900 filamentos delgados en los
extremos del mismo. Una sola fibra muscular de 100 µm
de diámetro y 1 cm de longitud contiene
aproximadamente 8 000 miofibrillas; cada miofibrilla
consiste de 4500 sarcómeros. Esto da un resultado total
de 16 billones de filamentos gruesos y 64 billones de
filamentos delgados en una sola fibra (McArdle, et
al. 1996).
En la parte central de la banda A se localiza la
banda H, una región de baja densidad óptica causada por
la ausencia de filamentos de actina en esta área. En la
mitad de la zona H, existe una región oscura, la
"línea M", la cual marca el centro del sarcómero
(Recuadro de la Fig. 6). La región M está formada por
estructuras proteicas filamentosas que conectan de forma
cruzada a los filamentos de miosina, manteniendo su
arreglo y dando un espaciamiento regular entre ellos.
Las bandas son nombradas por sus propiedades ópticas.
Cuando la luz polarizada pasa a través de las bandas
I, su velocidad es la misma en todas las direcciones
(isotrópica). Cuando la luz pasa a través de las bandas A
no se dispersa uniformemente (anisotrópica). La letra Z
proviene del vocablo Alemán "zwischenscheibe",
que significa "en medio
de"; la letra M ("mittelscheibe") significa mitad; y la
letra H ("hellerscheibe") significa zona clara
(McArdle, et al. 1996).
Existe otro arreglo de filamentos finos
compuestos de titina, que estabilizan a los filamentos de
miosina en el eje longitudinal. Durante la contracción,
los filamentos de miosina contactan con los filamentos de
actina por puentes cruzados moleculares e intentan deslizar
los filamentos opuestos de actina uno hacia otro,
disminuyendo el ancho de la zona H y de las bandas I.
Los filamentos de actina contienen además de la actina,
dos proteínas reguladoras, la troponina y la tropomiosina,
y también una proteína de soporte, la nebulina
(McComas, 1996).
Sistemas tubulares.
A principios del presente siglo, Veratti (1902)
fue capaz de teñir una red fina entretejida dentro de la fibra
muscular. Fue sólo algunos años después, con la ayuda del
microscopio electrónico, que los detalles de esta
estructura pudo determinarse como un sistema tubular
comprendiendo dos partes, el retículo sarcoplásmico y el
sistema tubular transverso (túbulos T).
El retículo
miofibrillas.
sarcoplásmico
(RS)
circunda
las
Un elaborado y extenso sistema de canales
tubulares interconectantes, el retículo sarcoplásmico (RS),
se localiza paralelamente a las miofibrillas y corre a lo
largo de las fibras musculares y circunda ampliamente
a las miofibrillas individuales. Por medio de brazos
laterales, los canales longitudinales envuelven a una
miofibrilla y la conectan una con otra, luego, rodean otras
miofibrillas. El extremo lateral de cada túbulo termina en
una vesícula en forma de saco que almacena Ca++. Cuando la
fibra muscular se
contrae, los canales longitudinales se acortan y
se hacen más anchos. La función del retículo
sarcoplásmico es liberar Ca++ dentro del
citosol alrededor de las miofibrillas, donde se
combina con la troponina C y permite que
ocurra la contracción. Cuando el Ca++ es
bombeado de regreso al interior de RS, la
contracción termina. Para mantener su papel en
la "activación" de la fibra, la membrana del
RS contiene canales liberadores de calcio
(receptores de rianodina) y bombas ATPasa
para calcio que recapturan el Ca++ liberado
(McComas, 1996).
El sistema de túbulos transversos conecta
la superficie de la fibra con el interior
celular.
Otra red de túbulos, conocida como
sistema de túbulos transversos o sistema de
túbulos T, se localiza perpendicularmente al
eje longitudinal de la fibra muscular en forma
de canales estrechos que rodean a las
miofibrillas a intervalos regulares. En las fibras
musculares de mamífero, incluyendo las de
humano, por cada sarcómero existen dos
zonas de túbulos transversos; que se localizan
en las uniones de las bandas A con las bandas
I. En fibras de músculo cardiaco y en las
fibras de rana, existe sólo un sistema de
túbulos T por cada sarcómero, situándose en
la línea Z. Los túbulos T rodean las
miofibrillas, por lo tanto, interrumpen los
canales
longitudinales
del
retículo
sarcoplásmico. En esos puntos de contacto, el
RS se dilata para formar las cisternas
terminales (o sacos laterales); los sacos
vecinos están conectados entre sí. Cada uno
de los estrechos túbulos T está limitado por
ambos lados por una cisterna; a estos tres
elementos que rodean la miofibrilla, en un
patrón repetido de dos vesículas y túbulos T
se les conoce como triada. Existen dos
triadas en cada sarcómero, y el patrón se
repite regularmente a todo lo largo de la
miofibrilla. La microscopía electrónica reveló
que las membranas de los túbulos T y del
retículo sarcoplásmico de la triada permanecen
integras, aún cuando se localizan muy cercanas
unas de otras. De acuerdo con Peachey
(1965), aproximadamente el 80% del sistema
de túbulos transversos en una fibra muscular
de rana está rodeado por el retículo
sarcoplásmico.
En la superficie de la fibra muscular, los
túbulos T forman pequeñas aberturas.
Examinando fibras musculares bañadas en
soluciones que contiene material electrodenso o
colorantes fluorescentes, se ha observado
que los túbulos T contienen fluido extracelular.
La triada y el sistema de túbulos T funcionan
como una red de microtransportación para
propagar el potencial de acción desde la
membrana externa de la fibra hacia las regiones
internas más profundas de la célula. Durante
este proceso los iones Ca ++ son liberados
desde el retículo sarcoplásmico y difunden
una corta distancia, para "activar" los
filamentos de actina. La contracción
muscular se inicia cuando los puentes
cruzados de los filamentos de miosina son
atraídos a los sitios activos de los filamentos de
actina. Cuando la excitación eléctrica cesa, los
iones de Ca++ son recapturados por el retículo
sarcoplásmico; lo cual está asociado con la
relajación del músculo (MeArdle, et al. 1996;
McComas,
1996).
Núcleo y mitocondrias.
La fibra muscular contiene numeroso
núcleos (mionúcleos) los cuales están dispersos
a lo largo de la superficie interna del sarcolema,
particularmente en la región de la placa motora;
cada núcleo esta limitado por dos membranas.
La función del núcleo es preparar y mandar
las instrucciones para la síntesis de proteínas
en el citoplasma. Las instrucciones están
dadas por los genes contenidos en los
cromosomas. En el humano
existen 23 pares de cromosomas, y se piensa
que en conjunto pueden contener 100 000 o
más genes. Cuando el DNA de un gen se
expresa, el mensaje se transcribe primero en el
RNA. Dentro de una parte especial del núcleo
denominado nucleólo, el RNA mensajero es
empacado con proteínas para formar
ribosomas; estos se hacen más pequeños y se
exportan por medio de poros localizados en la
membrana nuclear hacia el citosol de la fibra
muscular. Los ribosomas, ayudados por el
RNA de transferencia, inician el ensamble de la
secuencia de aminoácidos característica de una
proteína particular; para cada uno de los
aminoácidos hay un código genético en la
forma de un triplete de nucleótidos o codón.
En el citoplasma, particularmente durante el
desarrollo o regeneración de las fibras
musculares, los ribosomas están unidos al
retículo endoplásmico, constituido por vainas
de membrana que encierran amplias cavidades.
Con el microscopio de luz, los
mionúcleos no se distinguen de los núcleos de
las células satélite. Los últimas, probablemente
constituyen menos del 1% de los núcleos de
las fibras musculares en el adulto. Los
núcleos de estas células sólo pueden ser
diferenciados de los mionúcleos por el
microscopio electrónico, el cual revela la
presencia de dobles membranas que separan el
citoplasma de las células satélite del
citoplasma de las fibras musculares. Las
células satélite son de particular importancia
para la regeneración del músculo seguida de
enfermedad o lesión (McComas, 1996).
Las mitocondrias proporcionan el ATP a la
fibra muscular.
Las mitocondrias (sarcosomas) son
estructuras ovoides que miden desde 1 a 2 µm
en sus diámetros más grandes. Cada
mitocondria tiene una doble membrana, de las
cuales las más interna está repetidamente
plegada formando crestas; esos pliegues
abultan dentro del compartimiento central de la
mitocondria. La matriz entre las crestas
contiene los sistemas enzimáticos necesarios
para el ciclo de ácidos tricarboxílicos de
Krebs, el cual desdobla el piruvato hasta
bióxido de carbono y agua. Una gran cantidad
de la energía liberada por la reacciones
sucesivas es capturada por una cadena de
citocromos, los cuales permiten que se forme
el ATP. Existe ahora evidencia de que la
cadena de citocromos está localizada sobre la
membrana interna de las crestas, junto con la
enzima formadora de ATP (ATPsintetasa). La
matriz también contiene varias copias del
propio DNA mitocondrial. La membrana
externa de las crestas contiene las enzimas
necesarias para la síntesis de lípidos. Las
mitocondrias se localizan entre las miofibrillas,
especialmente en la región de la línea Z y
también están en relación con el núcleo y
la
placa
neuromotriz.
Aunque
las
mitocondrias aparecen ovales en las secciones
longitudinales de fibras musculares, algunas
no son ovoides sino mucho más complejas,
formas
extremadamente
raras
pueden
presentarse en estados de enfermedad
(McComas, 1996).
Aunque la mayoría de las enzimas
celulares relacionadas con la síntesis de ATP
están contenidas en las mitocondrias, otras
permanecen libres en el citosol. Además, el
citoplasma contiene dos de los combustibles
químicos que la mitocondria puede degradar
para producir ATP; ellos son los gránulos de
glucógeno y las gotitas de lípidos.
Antes de terminar la descripción de los
componentes citoplásmicos, se debe hacer
mención de los gránulos de glucógeno. Los
gránulos, de alguno 25 a 40 nm de diámetro,
están distribuidos por todo el citosol y
constituyen la principal fuente de energía de la
fibra muscular. Las gotitas de lípidos se
encuentran a menudo cerca de las
mitocondrias y contienen ácidos grasos y
triglicéridos, forman una importante fuente
complementaria de energía.
V.- PROTEINAS ESTRUCTURALES DEL MUSCULO.
PROTEINAS DEL SARCOMERO.
PROTEINAS DEL FILAMENTO GRUESO.
Los filamentos de miosina Cadenas pesadas de la miosina.
Los puentes cruzados son las cabezas globulares de
las moléculas de miosina.
Las cadenas ligeras de miosina regulan las cabezas
de miosina.
Otras proteínas del filamento grueso.
Los filamentos de miosina se mantienen juntos en la
región M.
La titina también ayuda a estabilizar los filamentos
de miosina.
PROTEINAS DEL FILAMENTO DELGADO.
Los filamentos de actina.
Los filamentos de actina tienen polaridad.
Los filamentos de actina están asociados con dos
proteínas accesorias reguladoras, la
tropomiosina y la troponina.
V.- PROTEINAS ESTRUCTURALES DEL
MUSCULO.
Las proteínas de la fibra del músculo estriado
pueden subdividirse en las que se asocian con
la miofibrillas, que comprenden alrededor del
60% del total, las de los organelos como las
mitocondrias y el RS, y las enzimas y proteínas
solubles del citosol asociadas con la actividad
metabólica general (Smith y Wood, 1997).
Las proteínas miofibrilares son
principalmente las que constituyen los
filamentos gruesos y delgados, y participan
directamente en la actividad contráctil.
Recientemente se han descubierto varias
proteínas accesorias y citoesqueléticas, y la
identificación de su localización y función
precisa es una emocionante área de la
investigación sobre el músculo.
PROTEINAS
PROTEINAS
GRUESO.
DEL
DEL
SARCOMERO.
FILAMENTO
Los filamentos de Miosina.
Los filamentos gruesos contienen
principalmente miosina. Las miosinas del
músculo estriado y cardiaco se disuelven
fácilmente a una fuerza iónica de
-3
aproximadamente
0.5
mol
dm
,
especialmente en la presencia de ATP. Esto
permite su fácil extracción de los tejidos. Si se
disminuye la fuerza fónica a 0.1 mol dm 3 se
consigue la reasociación de la proteína para
formar agregados que se asemejan a los
filamentos nativos. Los ciclos repetidos de
solubilización y precipitación producen
preparaciones bastante puras de miosina
(Bagshaw, 1982).
Las moléculas de miosina completas,
aparecen como estructuras de algunos 150 nm
de largo, cada una consiste de dos cabezas
globulares y una sola cola (Fig. 8). Las
cabezas pueden separarse de la cola por la
enzima proteolítica papaína (Fig. 9A). La cola
relativamente larga está formada por dos
hélices a que se enrollan una alrededor de la
otra, así que varios cientos de moléculas
pueden formar un sólo filamento de miosina,
como se ve en la figura 9B. Esta agregación
ocurre espontáneamente y puede ser
demostrada a partir de soluciones de miosina
precipitadas (McComas, 1996).
La unión de las hélices a gemelas de la
varilla de miosina están estabilizadas por
interacciones hidrofóbicas y zonas cargadas
en la superficie de la varilla (Squire, 1981;
Pollack, 1990).
En el músculo estriado, cada
filamento grueso está formado por unos 300
monómeros de miosina, resultando una
estructura de 15 nm de diámetro y 1 500 nm
de longitud. Como cada monómero de miosina
tiene 150 nm de largo y 2 nm de grueso, el
empaquetamiento de 300 monómeros es muy
denso. Actualmente se ha propuesto que tres
subfilamentos de miosina se enredan uno
alrededor del otro de manera que las cabezas
apuntan hacia el exterior del filamento,
formando un patrón regular repetido, como se
observa en la figura 9C (Squire, 1981;
Pollack, 1990).
El filamento consta de dos mitades,
con las moléculas de miosina dispuestas en
direcciones o polaridades opuestas en cada
mitad. Esto crea una zona central que no tiene
puentes cruzados. Las moléculas de miosina se
asocian en forma antiparalela (cola con cola)
en la zona central, pero en un sentido
paralelo (cabeza con cola) en el resto del
filamento (Fig. 9B). La evidencia de los
estudios de difracción de rayos X ha
establecido que las miosinas individuales se
unen escalonadamente, cada 14.3 nm
(alrededor del 10% de su longitud) a las
moléculas adyacentes, y esto produce el
ordenamiento helicoidal de los puentes
cruzados alrededor de la superficie del
filamento. A lo largo de un "borde" del
filamento, los puentes cruzados se repiten
cada 43 nm (Fig. 9C). Las cabezas de la
miosina que forman los puentes cruzados
tienen 20 nm de largo, longitud suficiente para
cubrir la distancia hasta el filamento delgado. El
ensamblaje de los filamentos depende del pH y
la fuerza iónica. Las fuerzas que
intervienen en la unión de los monómeros de
miosina gradualmente se debilitan hacia el
final del proceso de ensamblaje, lo cual lleva a
la formación de los extremos afilados. El
número de miosinas en un filamento es
notablemente constante (Squire, 1981).
La organización de varios tipos de
monómeros de miosina para formar filamentos
es un interesante problema estructural. Además
de sus papeles estructural y contráctil, la
miosina es también una enzima que cataliza
la hidrólisis del ATP, aunque con una eficiencia
bastante baja in vitro. Estos dos aspectos de la
molécula de miosina, su capacidad para
autoasociarse y su actividad enzimática,
reflejan la presencia de dos distintos dominios
en las proteínas. La autoasociación implica
interacciones entre las largas colas helicoidales
(o varillas), mientras que la actividad ATPasa
reside en las cabezas globulares (Smith y
Wood, 1997).
Todos los tipos de miosina que se han
estudiado tienen una masa molecular relativa
(M,) de alrededor de 520 000 y están
compuestos por seis subunidades. Hay dos
cadenas pesadas (cada una con una Mr de 220
000) y cuatro cadenas ligeras, con Mr que van
de 17 000 a 25 000, dependiendo del tipo de
miosina. Dos cadenas ligeras diferentes se
encuentran asociadas con la región aminoterminal de cada cadena pesada, para formar
una cabeza de la molécula bicéfala de
miosina (Bagshaw, 1982).
Cadenas pesadas de la miosina.
Moviéndose hacia "arriba" de la cadena
pesada, y alejándose del extremo carboxilo, las
estrictas reglas de periodicidad comienzan a
relajarse aproximadamente a una tercera parte
de la distancia, de modo que hay un punto
débil en el superenrollamiento, formándose
una región de bisagra que permite que se
doble la rígida estructura semejante a una
varilla. Moviéndose aún más adelante,
desaparecen primero el superhelicoide y luego
las hélices a, ya que las cadenas pesadas se
asocian estrechamente con las cadenas ligeras
de la región de la cabeza (Fig. 10).
Los datos relativamente nuevos sobre
la estructura primaria de la cadena pesada
explican a los estudios anteriores, que
utilizaban enzimas proteolíticas para "disecar"
la molécula de miosina. El corte de ambas
cadenas en la región más débil y relativamente
más abierta de la bisagra, mediante el uso de
tripsina o quimotripsina, genera meromiosina
ligera (LMM), que es insoluble a baja fuerza
fónica, y meromiosina pesada (HMM)
bicéfala que mantiene la actividad ATPasa. Otra
posibilidad es que la papaína corte en la región
del cuello para formar una varilla de miosina
y el subfragmento-1 (S-1), con una sola
cabeza. Estos procedimientos han demostrado
que las regiones superhelicoidales confieren
insolubilidad a la molécula de miosina, y
por tanto, participan en la autoasociación. La
disección proteolítica todavía es valiosa para
investigar la molécula de miosina. Cerca del
extremo carboxilo de la cadena pesada, por
ejemplo, el corte de un segmento peptídico
(Mr 5 000) destruye la naturaleza
autoasociativa de la LMM. Es interesante
especular que esta "cola", posiblemente la
última parte de la cadena pesada que se fabrica
durante la traducción, regula la formación del
filamento de la miosina in vivo (Smith y Wood,
1997).
El polipéptido de la cadena pesada que
une a la LMM y a las cabezas de la miosina se
denomina subfragmento-2 (S-2). Así, la
varilla de miosina contiene tanto los dominios
de LMM como de S-2. El dominio S-2 es
menos rígido que la LMM, y algunos estudios
han sugerido que sufre una transición hélicesuperhélice como parte del proceso de
contracción (Smith y Wood, 1997).
Los puentes cruzados son las cabezas
globulares de las moléculas de miosina.
A las dos cabezas globulares de cada
molécula de miosina se les conoce
comúnmente como los fragmentos SI. Cada
cabeza consiste de un cadena pesada de cerca
de 2 000 aminoácidos y tiene dos cadenas
ligeras unidas a ella. Las cabezas globulares, y
los cuellos a los cuales están unidos, forman
los puentes cruzados. Estudios bioquímicos
han identificado tres dominios de las cabezas
globulares con pesos moleculares de 50 kD,
25 kD y 20 kD respectivamente (Fig. 10). Las
dos cadenas ligeras están unidas a la porción de
20 kD, mientras que el segmento 50 kD
contiene un bolsillo para unir e hidrolizar el
ATP, así como los sitios para unirse a la
actina (Vibert y Cohen, 1988). Un avance
reciente, por Rayment el al. (1993), ha sido el uso
del análisis computarizado de imágenes para
estudiar los resultados de la cristalografia de
rayos X y la microscopía electrónica de la
miosina. El principal descubrimiento fue una
hendidura en el segmento 50 kD, dividiendo esta
última región en los dominios superior e inferior.
El ancho de la hendidura es controlado por las
interacciones del ATP con el bolsillo; la
apertura de la hendidura debilita la unión del
segmento 50 kD con la actina, mientras el cierre
de la hendidura hace más fuerte la unión. El
bolsillo para el ATP también puede abrirse,
inclinando las cabezas de miosina y por lo tanto
alterando el ángulo del puente cruzado. (Se
discutirá posteriormente).
Las cadenas ligeras de miosina regulan las
cabezas de miosina.
Como se señaló anteriormente, cada
cabeza de miosina contiene dos cadenas
ligeras y cada una tiene un peso molecular de
aproximadamente 20 kD. Las dos cadenas
ligeras parecen estar unidas a la región del
cuello de la cabeza de miosina y son
denominadas reguladora y esencial. Se piensa
que en algún modo las cadenas ligeras afectan
las acciones de las cabezas de miosina,
posiblemente modificando la velocidad del
movimiento en cada impulso motor (Lowey,
Waller y Trybus, 1993). La fosforilación de las
cadenas ligeras ha sido propuesta como el
mecanismo responsable para la potenciación
isométrica de la tensión de sacudida (Moore y
Stull, 1984).
Otras proteínas del filamento grueso.
En cada medio filamento se localizan
siete bandas de proteína C, que tiene una Mr
150 000, las cuales pueden visualizarse
mediante técnicas inmunoquímicas. La
proteína C tiene forma de V, y se estima que
hay tres moléculas por cada complejo. Se ha
propuesto que las tres V forman un anillo,
rodeando al filamento grueso y actúan como
una pinza molecular. Otra posibilidad es que,
como los brazos de la V son de igual longitud
(20 nm), podrían proyectarse desde el
filamento grueso hacia el delgado, en forma
similar a la de los puentes cruzados. Pueden
detectarse otras proteínas como estrías
definidas después del marcaje inmunológico de
la banda A. Estas incluyen a las proteínas H y
X, con funciones desconocidas (Fig. 4). Es
posible que actúen como reguladores de la
longitud de los filamentos (Smith y Wood,
1997).
Los filamentos de miosina se mantienen
juntos en la región M.
Las zonas centrales de los filamentos
gruesos están estrechamente alineadas en la
miofibrilla para formar la línea M. Aquí, los tres
subfilamentos de miosina cambian de una
unión cabeza con cola a un empaquetamiento
antiparalelo cola con cola. Tres filamentos de
proteína M (M r 165 000) se unen a las
cadenas
de
miosina
mediante
entrecruzamientos proteicos, incluyendo a la
enzima creatina cinasa. Esta enzima
reabastece las reservas de ATP utilizadas por
la actividad contráctil utilizando creatina
fosfato como su sustrato (Smith y Wood,
1997).
La línea M consiste de proteínas
orientadas longitudinal y transversalmente que
contribuyen para mantener la orientación
adecuada de los filamentos de miosina dentro
del sarcómero (McArdle, et al. 1996). Aún en
los primeros estudios con el microscopio de
luz, se podía distinguir una línea oscura en el
centro de la banda A. Con el microscopio
electrónico, sin embargo, se hizo aparente que
existen varias líneas M, y por lo tanto es más
apropiado referirnos a la región M que a la
línea M. Una complicación más de la región M,
fue el hallazgo de filamentos delgados
(filamentos M), de aproximadamente 5 nm de
diámetro, que corren paralelos a los filamentos
de miosina y parecen estar conectados con
estos últimos; así como también entre ellos.
Son estas uniones cruzadas entre los dos tipos
de filamentos las responsables de la
apariencia de múltiples líneas M en cada
banda A (McComas, 1996). Los puentes M
orientados perpendicularmente se conectan
con seis filamentos gruesos de miosina en
un patrón hexagonal (McArdle, et al. 1996).
Estudios con anticuerpos marcados y de
extracción han identificado dos de las
proteínas en la región M, además de la
miosina. Una de esas proteínas es la proteína
M, o miomesina; de peso molecular de 165
kD y se piensa que es la que corresponde a
los filamentos M. La otra proteína es la
creatina cinasa, y es probable que esas
moléculas formen los soportes que sostienen
los filamentos de miosina en una armazón
ordenada correspondiendo unos con otros.
Otras proteínas, aun por identificarse,
evidentemente refuerzan los filamentos y
producen líneas M adicionales (McComas,
1996).
La titina también ayuda a estabilizar los
filamentos de miosina.
Ha generado mucho interés el
descubrimiento de dos enormes proteínas, la
titina (a veces llamada conectina) y la
nebulina (con Mr de 3 000 000 y 500 000,
respectivamente). La titina es una de las
proteínas más grandes que se conocen, y es
una molécula elástica, semejante a un resorte
(Fig. 11). Las micrografías electrónicas de la
proteína purificada sugieren una estructura de
dominios globulares repetidos, lo que le da
una apariencia de collar de perlas. La
molécula de titina tiene un diámetro de 4 nm y
unen los extremos de los filamentos gruesos
de miosina a las líneas Z. Esta red evitaría la
sobreextensión del sarcómero y mantendría a
los filamentos gruesos en la posición
adecuada. Se cree que la titina está ausente en
las células de músculo liso y de las no
musculares (Fulton e Isaacs, 1991).
Si un solvente tal como la gelsolina se
usa para disolver los filamentos de actina en
una fibra muscular, se puede ver que los
filamentos de miosina están conectados a los
discos Z por finos hilos. Esos hilos, los cuales
son de aproximadamente 5 nm de diámetro y 1
m de largo, consisten de una proteína
extremadamente grande, la titina; y es
probable que 6, o posiblemente 12 moléculas
de titina formen cada uno de los hilos (Trinick,
1991). Parte de este hilo de titina traslapa con
los filamentos de miosina y está firmemente
unido a él, mientras que el resto se extiende
por toda la banda I y tiene propiedades
elásticas. Por su estructura y posición, se
piensa que cada par de hilos de
titina funciona como un
estabilizador
longitudinal para los filamentos de miosina,
manteniéndolos en el centro del sarcómero
durante la contracción y la relajación. Es
posible que los hilos de titina, contribuyan en
gran parte a la elasticidad de las fibras
musculares cuando éstas son estiradas, ya sea
pasivamente por fuerzas aplicadas en los
extremos del músculo, o activamente por el
desigual acortamiento del sarcómero en el eje a
lo largo de la fibra (McComas, 1996).
PROTEINAS
DELGADO.
DEL
FILAMENTO
Los filamentos de actina.
La actina forma filamentos del
citoesqueleto de los músculos y de las
motoneuronas. Los filamentos delgados también
están formados por actina. Ahora aprenderemos
un poco más acerca de su estructura y acerca
de unas proteínas especiales, la troponina y
tropomiosina, las cuales están asociadas con ella
en los
filamentos delgados de la fibra muscular
(McComas, 1996).
Con el microscopio electrónico, un
filamento de actina se ve como un hilo de
cerca de 1 m de largo y 8 nm de ancho.
El filamento contiene entre 300 y 400
moléculas de actina, y cada una de éstas, a
sus vez, está hecha de 375 aminoácidos
(McComas, 1996). La principal proteína del
filamento delgado es la actina (M r 42 000). La
secuencia primaria de la proteína se ha
conservado notablemente a través de la
evolución. Esto sugiere que incluso
variaciones leves interferirían con una o más
de las funciones de esta proteína versátil.
Esta unión de las moléculas de actina G
monomérica se logra por polimerización, un
proceso que requiere la presencia de un
nucleótido (ya sea ADP o ATP)
hidrolizable por monómero (Smith y Wood,
1997; McComas, 1996). La transformación
reversible de actina G a actina F
(polimerizada) es regulada por una lista
siempre creciente de proteínas de unión,
agrupamiento,
entrecruzamiento
y
encasquetamiento de la actina. Los filamentos
de actina formados de modo transitorio
probablemente intervienen en las corrientes
citoplásmicas (Smith y Wood, 1997).
Los filamentos de actina tienen polaridad.
La actina de los sarcómeros forma
filamentos delgados permanentes de 8 nm de
ancho, anclados en la línea Z. El filamento
delgado consta de dos cadenas de monómeros
de actina unidos extremo con extremo,
enrollados uno alrededor del otro para formar
una doble hélice dando la apariencia de un
collar de cuentas torcido sobre su propio eje
(Fig. 12). Los monómeros no son esféricos,
como normalmente se representan, sino que
tienen forma de campana, de modo que los
polímeros lineales tienen una direccionalidad, o
polaridad, lo cual crea extremos
puntiagudos y punzantes. Esto puede
demostrarse decorando los filamentos de
actina F con cabezas S-1 de miosina, los
cuales aparecen entonces como estructuras
parecidas a puntas de flecha a lo largo del
filamento (Smith y Wood, 1997). Puesto que
las moléculas de actina en cada filamento
muestran la misma dirección, las cabezas de
flecha se comportan similarmente, apuntando
hacia el mismo extremo (McComas, 1996).
La polaridad de los filamentos de actina se
invierte en cada una de las bandas I del
sarcómero, característica esencial para el
mecanismo del filamento deslizante. Una vuelta
completa de doble hélice de actina corresponde
a unos 76 nm, el doble del espacio entre los
puentes cruzados de la miosina, de 43 nm
(Smith y Wood, 1997).
Los filamentos de actina están asociados
con dos proteínas accesorias reguladoras,
la tropomiosina y la troponina.
En el surco entre las dos cadenas de la
hélice de la actina F se encuentra una larga
proteína en forma de varilla, la tropomiosina, un
dímero (el monómero tiene una Mr de 3 5
000) que interactúa con siete monómeros de
actina. La tropomiosina tiene una estructura
de hélices enrolladas semejante a la porción en
varilla de la cadena pesada de miosina. En el
extremo de la molécula de tropomiosina hay
una molécula de varias subunidades, la
troponina (Fig. 12). Los tres componentes de
este complejo tienen la capacidad de responder
a fluctuaciones en la concentración de Ca++
con un ligero reposicionamiento de la
tropomiosina, lo cual permite que los
monómeros de la actina F interactúen con los
puentes cruzados de la miosina e inicien el
proceso contráctil (Smith y Wood, 1997).
La tropomiosina y la troponina son
otros dos componentes importantes de la
estructura de los filamentos delgados. Esas
proteínas regulan que se formen o se rompan
los contactos entre los miofilamentos durante
la contracción. La tropomiosina es más bien
similar a la cola de la molécula de miosina.
Consiste de una doble hélice que se
distribuye a lo largo del filamento de
actina en una hendidura formada por la
doble hélice de actina F y la hace rígida;
cada molécula de tropomiosina se extiende a
lo largo de siete moléculas de actina. Se cree
que la tropomiosina inhibe la interacción de la
actina con la miosina. La troponina está
alojada a intervalos regulares a lo largo de los
filamentos de actina, tiene una alta afinidad por
los iones Ca++. La troponina es un complejo
de tres polipéptidos, uno de los cuales (la
troponina T) permite su unión a la
tropomiosina. La troponina I, en contraste, se
une a la actina e indirectamente evita a ésta
interactuar con la cabeza de miosina. Durante
una contracción muscular, este efecto
inhibitorio de la troponina I es vencido por la
unión del Ca++ a la troponina C; este mineral
juega un papel crucial en la contracción y en la
fatiga muscular. Por ejemplo, es la acción del
Ca++ y la troponina los que inician la
interacción de los filamentos para que se
deslicen uno sobre el otro. Cuando la fibra es
estimulada, se libera Ca++ del RS, cada
molécula de troponina C captura cuatro iones
de Ca++ y sufre un cambio conformacional que
en algún modo "remolca" a la tropomiosina y la
desplaza profundamente dentro de la
hendidura de los dos hilos de actina. Este
movimiento de la tropomiosina expone los
sitios activos en el filamento de actina en los
cuales pueden unirse las cabezas globulares de
miosina, permitiendo que ocurra la contracción
(McComas, 1996; McArdle, et al. 1996).
VI.- EL CITOESQUELETO y LA MATRIZ EXTRASARCOMERICA.
Estudios bioquímicos sobre las proteínas del
citoesqueleto.
Filamentos intermedios.
Estructura de los filamentos intermedios.
Los microtúbulos.
Los microtúbulos son responsables del citoesqueleto.
El citoesqueleto fortalece el sarcolema y mantiene las
estructuras intracelulares en su lugar.
El citoesqueleto y otras proteínas miofibrilares.
Los filamentos de actina están atados a los discos Z.
VI.- EL CITOESQUELETO y
MATRIZ EXTRASARCOMERICA.
LA
El citosol de las células eucariontes
está sostenido por un citoesqueleto formado
por tres redes muy organizadas de proteínas
filamentosas. Estas redes están compuestas de
microfilamentos, filamentos intermedios y
microtúbulos. Estos se distinguen por su
apariencia y dimensiones al ser examinados
con microscopio electrónico, y por sus
diferencias en su naturaleza química,
incluyendo sus reacciones frente a anticuerpos
específicos. Estas tres redes filamentosas
llevan a cabo funciones de un esqueleto para
la célula, que son permitir el movimiento y
proporcionar sostén (Fig. 13). El movimiento
celular incluye cambios en las posiciones de
los orgánulos dentro del citosol, cambios en la
forma de las células como un todo, y la
migración de la célula. Los elementos
filamentosos del citoesqueleto son largos, y
muchas veces se extienden a todo lo largo de
la célula, de modo que pueden distribuir las
fuerzas de tensión a través del citoplasma
(Smith y Wood, 1997).
Estudios bioquímicos sobre las proteínas
del citoesqueleto.
Aunque
es
relativamente
fácil
identificar enzimas y otras proteínas con
actividad biológica, es difícil identificar
proteínas estructurales si no tienen una
actividad biológica medible. Las proteínas del
citoesqueleto se han extraído de las células
utilizando detergentes de varios tipos, algunas
veces seguidos de otros procedimientos como
la solubilización con cloruro de guanidinio 6
mol dm-3. Una vez solubilizadas, se suelen
identificar mediante su Mr aparente o sus
puntos
isoeléctricos,
medidos
por
electroforesis en gel y pueden investigarse más
profundamente utilizando anticuerpos. Los
anticuerpos pueden utilizarse para identificar y
luego localizar los antígenos
proteicos contra los que fueron obtenidos. No
obstante, algunas moléculas que no son
anticuerpos (por ejemplo la citocalasina B, la
faloidina, la colchicina y el taxol) se unen
específicamente a las proteínas del citoesqueleto.
Estas moléculas pueden utilizarse para estudiar
el movimiento in vivo mediante el seguimiento
de cambios en sus distribuciones intracelulares
(Taylor y Wang, 1980).
Filamentos intermedios.
Previamente ya se han descrito las
estructuras de los microfilamentos de actina y
miosina que integran, respectivamente, los
filamentos delgados y gruesos del sarcómero.
Ahora nos enfocaremos a describir la estructura
de los filamentos intermedios y su relación con
la estructura de las fibras musculares.
Los filamentos intermedios se llaman así
debido a que son más delgados que los
microtúbulos, pero más gruesos que los
miofilamentos. Normalmente tienen de 10 a
11 nm de diámetro, pero pueden variar desde 7
a 15 nm. Son los elementos menos solubles del
citoesqueleto de la célula. Un detergente no
fónico solubiliza y elimina la mayoría de las
proteínas celulares, dejando actina, miosina y
filamentos intermedios. La actina y la miosina
pueden extraerse después utilizando un
amortiguador con alta concentración de sales,
dejando sólo filamentos intermedios que pueden
solubilizarse con dodecilsulfato de sodio (SDS)
o pH 2.6. Los filamentos intermedios
parecen ser los elementos más estables del
citoesqueleto, ya que a un pH y fuerza iónica
fisiológicos, siempre parecen existir en la
forma de polímeros insolubles (filamentos).
En cambio, los microfilamentos y los
microtúbulos existen como polímeros
insolubles (filamentos) y monómeros solubles
(moléculas globulares separadas) y sufren
ciclos de degradación de polímero a
monómero y de estructuración de monómeros
a polímeros (Smith y Wood, 1997).
Estructura de los filamentos intermedios.
Las proteínas que constituyen los
microfilamentos y los microtúbulos son las
moléculas de actina y tubulina muy bien
conservadas en la evolución.
En contraste, parece haber familias de
cadenas polipeptídicas de los filamentos
intermedios que tienen tamaños variables.
Las pruebas más recientes indican que
los filamentos intermedios están compuestos por
dos dobles hélices a polipeptídicas
trenzadas una alrededor de la otra, para
formar un cable con giro hacia la izquierda. Hay
tres regiones en donde las cadenas
polipeptídicas están enrolladas al azar.
Estas regiones pueden permitir la
proyección de brazos laterales desde los
filamentos intermedios para interactuar con
otros elementos del citoesqueleto o con
organelos celulares. Como no hay un
requerimiento estricto para el enrollamiento de
estas regiones, pueden también ser sitios de
variación en la secuencia de aminoácidos de
los filamentos intermedios. Las regiones
carboxilo y amino-terminales de cada
polipéptido también están enrolladas al azar y
tienen secuencias variables de aminoácidos;
probablemente son los responsables de la
agregación de las moléculas extremo con
extremo (cabeza o cola) o lado con lado
para formar filamentos (Osborn, 1982;
Steinert, 1985).
Los filamentos intermedios están
ampliamente distribuidos en las células
eucariontes y se encuentran tanto en
invertebrados como en vertebrados.
polimerizan cabeza-cola, lo que imparte una
polaridad al microtúbulo (Gull, 1990).
Los microtúbulos
citoesqueleto.
son
responsables
del
Los microtúbulos se unen a los
microfilamentos de actina y a los filamentos
intermedios y pueden controlar la distribución
de estos últimos. Participan junto con los
filamentos de actina en la invaginación de
vesículas revestidas y vesículas sinápticas del
plasmalema hacia el interior de la célula. Los
microtúbulos también se unen a organelos
celulares, y probablemente actúan como guías y
como translocadores para los organelos en
movimiento dentro de la célula. Se ha
sugerido que los microtúbulos controlan al
citoesqueleto (Smith y Wood, 1997).
El citoesqueleto de la mayoría de las
células es complicado y las interacciones entre
todos sus constituyentes aún no se entienden
bien.
Los microtúbulos.
Los microtúbulos, utilizando la
microscopía electrónica, se identificaron
inicialmente como tubos huecos de 25 nm
de diámetro,. En la década de los
sesenta, se observó que en las células de
meristemo de enebro aparecían secciones
transversales de microtúbulo aparentemente
compuestas por subunidades circulares. La
técnica de rotación de fotografías una en
relación con la otra demostraron una
periodicidad de 13 subunidades en una vuelta
completa. Los fragmentos aislados de
microtúbulos, teñidos negativamente y
examinados de lado, tienen subunidades
acomodadas
en
hileras
llamadas
protofilamentos. Los estudios bioquímicos
han demostrado que los microtúbulos se
forman mediante la polimerización de dímeros
de tubulina. Cada dímero consiste en un
polipéptido de tubulina a con una Mr de 50
000 y un polipéptido de tubulina ß, con una Mr
también de 50 000. Los dímeros se
El citoesqueleto fortalece el sarcolema y
mantiene las estructuras intracelulares en
su lugar.
Al igual que otras células del cuerpo, la
fibra muscular tiene un citoesqueleto que
mantiene las diferentes estructuras intracelulares
en su lugar. En la periferia de la fibra el
citoesqueleto
refuerza
el
plasmalema,
impidiendo su ruptura durante la contracción y
la relajación. La actina y la espectrina son
especialmente importantes en este papel, como
también la proteína distrofina (Fig. 14). Otros
filamentos
intermedios,
compuestos
de
desmina, sinemina y vimentina, están
alrededor, envolviendo a las miofibrillas a nivel
de los discos Z y mantienen las miofibrillas juntas
(Fig. 15). Los mismos tipos de filamentos sirven
para posicionar algunos de los organelos
intracelulares, tales como los núcleos y las
mitocondrias (McComas, 1996).
El citoesqueleto
miofibrilares.
y
otras
proteínas
Filamentos Intermedios:
La vimentina se expresa en los tejidos
mesenquimatosos, y es típica de las células
primitivas. La desmina es una proteína que se
expresa en las fibras musculares esqueléticas,
aumentando en las últimas etapas de la
diferenciación, conforme decrece la expresión
inicial de la vimentina. La desmina y la
vimentina parecen ayudar a los microfilamentos
a alinearse en el sentido de las fibras del
músculo esquelético, y ambas permanecen
como componentes menores del músculo
esquelético maduro. La desmina se presenta
en el músculo liso y también en células no
musculares como las células endoteliales que
recubren los vasos sanguíneos. Así, no es
totalmente específica del músculo (Smith y
Wood, 1997). La desmina (Mr de 55 000)
forma filamentos de
10 nm de diámetro, es decir, de tamaño
intermedio entre los filamentos gruesos de
miosina y los delgados. La proteína tiene una
porción de varilla central esencialmente en
forma de hélice a, con regiones de cabeza
y cola. La formación de los filamentos
intermedios parece incluir la asociación de
varillas de
desmina en forma de
superhelicoide. No obstante, la conformación
de la desmina en la línea Z puede no ser
filamentosa, y la proteína parece encargarse
de mantener ordenados a los sarcómeros,
por medio del alineamiento de las líneas Z.
Más recientemente se ha propuesto que las
cadenas longitudinales de desmina fibrosa
unen líneas Z en la misma miofibrilla; estas
cadenas probablemente se hallan por debajo
de las membranas del RS que envuelven a
cada miofibrilla. Si esto es cierto, estos
filamentos deben ser elásticos para permitir la
extensión del sarcómero, y no deben penetrar
en las zonas de filamentos gruesos y delgados,
donde podrían interferir con el mecanismo del
filamento deslizante (Maruyama, 1985).
Como
muchas
proteínas
del
citoesqueleto, la desmina puede ser fosforilada.
También es sustrato para la proteólisis limitada
por la proteinasa neutra dependiente de Ca++,
que tiene la notable propiedad de eliminar
selectivamente las líneas Z de las preparaciones
de miofibrillas. Cualquiera que sea su papel, la
desmina del músculo esquelético puede
considerarse un componente miofibrilar poco
abundante. En cambio, en las células de
músculo liso la desmina es extremadamente
abundante, y los filamentos de 10 nm son muy
notorios. Los filamentos de desmina y actina
probablemente conectan a los cuerpos densos
de la célula de músculo liso, los cuales se cree
son análogos a las líneas Z miofibrilares y son
igualmente ricos en actinina a. Ciertos
filamentos se unen a la membrana plasmática
mediante placas de anclaje (Fig. 16B), que
contienen proteínas tales como la vinculina
(M, 117 000). En las fibras de músculo estriado
también se
encuentra la vinculina a nivel de la línea Z,
probablemente actuando como un puente
entre la línea Z y el sarcolema (Smith y Wood,
1997).
Los filamentos de actina están atados a los
discos Z.
Proteínas De La Línea Z:
La principal proteína de la línea Z es la
actinina a, un dímero semejante a una varilla
de 4 nm de grosor y 40 nm de longitud. En
esta proteína la región varilla está formada
por un plegamiento del polipéptido en hélice a
sobre sí mismo, para producir tres dominios
en triple hélice. La actinina a es una proteína
de unión a la actina que establece enlaces
cruzados con los filamentos delgados de los
sarcómeros
adyacentes
formando
una
distribución regular, que da origen a la
característica línea Z en el centro de la banda I
(Smith y Wood, 1997).
Recientemente ha sido posible preparar
in vitro láminas de línea Z, en forma de
agregados lado con lado de discos Z de
miofibrillas adyacentes, libres de proteínas
contráctiles. Al teñir con anticuerpos
marcados estas estructuras que son análogas a
las secciones transversales de la fibra al nivel de
la línea Z, se ve que la porción central del
disco es actinina a, rodeada por un collar de la
proteína citoesquelética desmina (Smith y
Wood, 1997).
Los filamentos de actina, al igual que
los de miosina, requieren soporte posicional;
ellos logran esto parcialmente con los puentes
cruzados y en parte por sus inserciones en los
discos Z en el centro de cada Banda I. Los
discos Z están compuestos principalmente de
las proteínas a actinina, desmina, vimentina y
sinemina. La a actinina, una proteína dímero
de 180 kD, se piensa que une los extremos de
los filamentos de actina de un lado de los
discos Z con los filamentos de actina del otro
lado. Los filamentos de actina, los cuales no se
extienden a través de los discos Z, son
convertidos desde un arreglo hexagonal
alrededor de los filamentos de miosina a un
arreglo rectangular en sus inserciones en los
discos Z. Otro rasgo de los discos Z es que el
punto en el cual un filamento de actina se une
sobre un lado, es la parte media entre
dos puntos de unión de filamentos de actina
sobre el lado opuesto del disco. La desmina,
vimentina y la sinemina, las otras proteínas
principales que componen los discos Z,
forman filamentos intermedios que están
alrededor del disco y también unen los discos
adyacentes manteniéndolos juntos en los ejes
longitudinal y transverso. Son estos filamentos
intermedios los cuales, por medio de sus
conexiones transversas desde un disco Z a
otro, mantienen ordenadamente a todas las
miofibrillas dentro de cada fibra muscular. Los
discos Z, también están unidos por medio de
los filamentos intermedios al citoesqueleto por
debajo del plasmalema y en el plasmalema en
sí. Por medio de proteínas de unión del
plasmalema, los discos Z están finalmente
conectados a la membrana basal y al endomisio
formando una vaina en la fibra muscular. Como
se observa en la figura 15, cada arreglo
transverso
de
filamentos
intermedios
constituye un costámero (McComas, 1996).
LA MATRIZ EXTRACELULAR EN LAS FIBRAS MUSCULARES
ESQUELETICAS.
Composición y diversidad estructural.
Las proteínas fibrosas.
La sustancia basal y los complejos de proteoglicano.
Diversidad de la matriz extracelular.
Adhesiones focales: asociaciones especializada
del citoesqueleto y la matriz extracelular. Glicoproteínas estructurales
Receptores de membrana para macromoléculas de la
matriz extracelular.
VII.- LA MATRIZ EXTRACELULAR EN
LAS
FIBRAS
MUSCULARES
ESQUELETICAS.
En algún periodo de su existencia, todas las
células de los animales entran en contacto con
una intrincada red de proteínas fibrosas,
proteoglicanos y glicoproteínas estructurales
que interactúan entre sí y constituyen la matriz
extracelular de la mayoría de los tejidos (ver
Fig. 14). Esta matriz no sólo sirve para
mantener la estructura de los tejidos, sino
que también influye en la diferenciación,
migración, proliferación y forma de la célula
con la que está en contacto. Las propiedades
estructurales o mecánicas de los componentes
de la matriz extracelular son esenciales para el
funcionamiento normal de los tejidos
conectivos, como el cartílago, los tendones,
el hueso, los discos intervertebrales, los
dientes y las láminas basales. Muchos de los
componentes de la matriz extracelular, si no es
que todos, parecen ser capaces de interactuar
con las células, ya sea indirectamente, a través
de proteínas como la fibronectina (Fig. 16),
o por medio de receptores de superficie (Hay,
1991).
Composición y diversidad estructural.
Las macromoléculas que constituyen la
matriz extracelular son secretadas localmente
por todas las células, con excepción de las
células sanguíneas maduras. La composición
exacta de la matriz secretada depende del
tipo de célula, su estado de diferenciación y
su estado metabólico. Los componentes
básicos de todas las matrices son: las
proteínas fibrosas, colágenas y elastina; los
glicosaminoglicanos y proteoglicanos, y las
proteínas estructurales o de adhesión, como
la fibronectina y la laminina. Los
glicosaminoglicanos, proteoglicanos y proteínas
estructurales
atrapan moléculas de agua para formar una
"sustancia basal", altamente hidratada y
semejante a un gel. En ella se encuentran las
proteínas fibrosas, que son insolubles y
proporcionan a la matriz sus propiedades
mecánicas características (Hay, 1991).
Las proteínas fibrosas.
Los tejidos conectivos de los
mamíferos
contienen
dos
proteínas
esencialmente hidrofóbicas que se agregan
para formar un andamiaje fibroso para el
tejido, estas son la colágena y la elastina.
Las colágenas (ver Fig. 21) son una familia
heterogénea de proteínas que se hallan en
todos los animales y forman el principal
componente de la matriz extracelular (Smith y
Wood, 1997). La superfamilia de la colágena
incluye al menos 19 proteínas definidas como
colágenas y diez proteínas adicionales que
tienen dominios parecidos a la colágena
(Prockop y Kivirikko, 1995).
Todas las moléculas de colágena están
compuestas por tres cadenas polipeptídicas,
cada una de las cuales contiene tramos
considerables de la secuencia tripeptídica GlyX-Y, que permite la formación de triples
hélices. Las colágenas tipo I, II, III, V y XI
contienen una larga región ininterrumpida de
triple hélice, y se ensamblan para formar
polímeros ordenados llamados fibrillas (de 10
a 300 nm de diámetro) o fibras de varios µm
de diámetro. Cuando se observan mediante
microscopía electrónica, las fibrillas de
colágena muestran un característico patrón en
bandas, debido a la distribución escalonada de
las moléculas de tropocolágena. Las fibrillas
son reforzadas y estabilizadas mediante enlaces
cruzados,
tanto
intramolecular
como
intermoleculares entre residuos de lisina (Smith
y Wood, 1997).
C
La elastina y las fibras elásticas cubren en el
cuerpo de los vertebrados el requerimiento de
tejidos que pueden doblarse, torcerse y
estirarse
reversiblemente
durante
el
movimiento normal. La elastina es una proteína
que se encuentra en la mayoría de los tejidos
conectivos junto con la colágena. La elastina se
encuentra presente en altos niveles en los
ligamentos y en cantidades menores en la piel,
los tendones y otros tejidos conjuntivos. La
composición aminoacídica de la elastina se
asemeja a la de la colágena. La elastina se
sintetiza como un monómero con Mr de 72
000, llamado tropoelastina. La formación de
fibras tiene lugar cerca de la superficie celular,
lo que puede permitir que la célula controle la
orientación de las fibras. La apariencia amorfa
de la elastina en los tejidos y la estructura
enrollada al azar de la tropoelastina sugieren
una
estructura
entrecruzada enrollada al azar para las fibras,
que permite que la red se estire y se contraiga,
como una liga (Fig. 17). La atracción
hidrofóbica entre moléculas de elastina
parece tener una función en el proceso de
recuperación de la forma. Las fibrillas de
colágena asociadas pueden también servir
para limitar el estiramiento (Smith y Wood,
1997).
La sustancia basal y los complejos de
proteoglicano.
Los glicosaminoglicanos son un
importante componente de la matriz
extracelular. La intensa carga negativa de estos
polisacáridos debida a la presencia de grupos
sulfato y carboxilo asegura que puedan atraer
grandes cantidades de agua y
de cationes. Con la excepción del hialuronano,
(ácido hialurónico) los glicosaminoglicanos no
se encuentran como cadenas de polisacáridos
libres, y son sintetizados directamente sobre
una base proteica. La alta densidad de carga
negativa de las cadenas agregadas de
glicosaminoglicano ocasiona que éstas se
repelan mutuamente, dando lugar a una
estructura muy expandida en disolución, que
ocupa un volumen mucho mayor que el que
debería esperarse de sus pesos moleculares, es
decir, 30 a 50 veces su peso seco. Esta
capacidad para unirse y controlar grandes
cantidades de agua es esencial para el
funcionamiento normal de tejidos tales como el
tendón, que deben actuar como colchones
para cargas de compresión repetitivas y
variables. Las moléculas son compresibles
reversiblemente. Cuando se someten a una
tensión de compresión, el agua es desplazada
de las moléculas, disminuyendo el dominio
ocupado por el agregado de proteoglicano,
pero aumentando la densidad de carga y por
tanto la repulsión entre las cadenas de
glicosaminoglicano. Cuando se retira la tensión,
las moléculas de proteoglicano se expanden,
embebiéndose de moléculas de agua. Son
análogas
a
resortes
parcialmente
comprimidos, que pueden resistir la carga con
menos deformación que un resorte sin
comprimir (Gallager, 1986; Poole, 1986).
Se han propuesto varias funciones para
estos proteoglicanos de la superficie celular.
Se sabe que pueden unirse a las colágenas
de los tipos I, III, IV y V, pero no al tipo II.
Se ha descrito cierta especificidad celular hacia
colágenas individuales. Además, se piensa que
su capacidad para unirse a la fibronectina y
a las moléculas de adhesión célula-célula, y
para autoasociarse, ayuda a regular la
comunicación célula-matriz extracelular y
célula-célula.
Diversidad de la matriz extracelular.
El término matriz extracelular abarca la
capa pericelular microscópicamente amorfa
cercana a la superficie de la mayoría de las
células; la matriz intersticial, más fibrosa, de la
mayor parte de los tejidos, la matriz
calcificada del hueso y los dientes, y las
membranas basales. Las funciones mecánicas
de la matriz extracelular, son bien conocidas
gracias al estudio de los tejidos conectivos
"clásicos" como el cartílago maduro, el
tendón, el hueso y los discos intervertebrales.
Estos tejidos comparativamente acelulares
tienen una matriz extracelular con una
estructura y una composición molecular
adaptadas para llevar a cabo un papel
eminentemente mecánico. La matriz del tendón
está compuesta por haces de colágena
orientados longitudinalmente, que son
resistentes y relativamente inelásticos. Otra
forma especializada de la matriz extracelular es
la membrana basal. Microscópicamente,
éstas pueden verse como estructuras delgadas
y amorfas en la superficie basal o abluminal de
las células epiteliales y endoteliales, tales
membranas indudablemente proporcionan
resistencia mecánica a la capa de células a las
que están unidas.
Los primeros estudios resaltaban las
funciones y propiedades mecánicas de la
matriz extracelular, y ocasionaron que esta se
considerase como una materia de soporte
inerte sintetizado por las células como un
simple
andamiaje.
Dos
importantes
observaciones contradicen este enfoque:
1.- La pérdida de las funciones diferenciales
normales, que tienen lugar cuando las células
se colocan en cultivo, puede ser revertida si se
cultivan en la matriz natural o en componentes
aislados de la matriz.
2.- La eliminación de ciertos componentes de
la matriz tienen profundos efectos en el
desarrollo de los órganos (Smith y Wood,
1997).
Las
interacciones
célula-matriz
extracelular, como se ha descubierto son
importantes
en
procesos
como
la
embriogénesis,
la
diferenciación,
el
crecimiento, la migración celular y la
reparación de tejidos. Hoy está claro que la
mayoría de las células poseen receptores de
superficie celular específicos para muchos
componentes de la matriz extracelular, pero la
manera en que estos controlan las respuestas
celulares no se ha comprendido bien.
Adhesiones
focales:
asociaciones
especializadas del citoesqueleto y la matriz
extracelular.
Muchos componentes de la matriz
extracelular promueven la adhesión, la
agregación y la extensión de las células en
cultivos de tejidos. En el microscopio
electrónico, los puntos de interacción célulamatriz aparecen como áreas discretas de
superficie celular engrosada, adyacentes a la
matriz extracelular. El examen ultraestructural
muestra que en estos centros de unión con
mucha
frecuencia
están
presentes
microfilamentos y filamentos intermedios. Los
microfilamentos a menudo están presentes
como haces, conocidos como fibras de
tensión, que se extienden desde la adhesión
focal hasta el núcleo. Los estudios con
técnicas especializadas de microscopía
electrónica han revelado una estrecha
asociación entre los haces de actina (fibras de
tensión) y los puntos de contacto. Esta
asociación estrecha entre el citoesqueleto y la
matriz extracelular bien puede mediar el
control metabólico ejercido sobre la célula por
su matriz extracelular. Una proteína, la talina,
parece estar asociada únicamente con las
adhesiones focales y no está presente en las
uniones adherentes célula-célula.
Glicoproteínas estructurales.
En la adhesión célula-matriz intervienen
dos diferentes clases de moléculas: los
receptores membranales y las glucoproteínas de
la superficie celular o de la matriz extracelular.
Estas ultimas también se llaman glucoproteínas
adhesivas o estructurales.
Las glucoproteínas estructurales son
moléculas
multifuncionales.
Normalmente
interactúan con varios componentes de la
matriz extracelular y con las superficies
celulares, a través de dominios de unión
específicos y parecen tener un papel importante
en las interacciones célula-matriz como
proteínas de anclaje celular. Su capacidad para
autoasociarse y unirse a otros componentes de la
matriz sugiere que también podrían mediar la
organización celular de la matriz circundante.
Como se puede observar en la figura 14 y 16,
la fibronectina y la laminina son los ejemplos
mejor caracterizados de este grupo de proteínas.
Las fibronectinas son glucoproteínas grandes
(Mr 450 000 ) presentes en la mayor parte de
los fluidos corporales y tejidos conectivos, y
son sintetizadas por la mayoría de los tipos de
células animales en cultivo. La fibronectina se
descubrió a principios de los años 70 como una
proteína de la superficie celular, y se ha
descubierto que promueve la unión celular. A las
fibronectinas se les han atribuido diversas
actividades biológicas, la mayoría de las
cuales incluyen funciones adhesivas o de
unión
a
ligantes.
Estas
moléculas
multifuncionales consisten en varios dominios
discretos, cada uno de los cuales lleva a cabo
una función especifica. La fibronectina puede
interactuar con la superficie celular mediante su
dominio de unión a células y también
uniéndose a los proteoglicanos de la
superficie celular. La capacidad de la
fibronectina para unirse a proteoglicanos y a
células sugiere que puede
tener un papel importante en el ordenamiento
del deposito de la matriz, una opinión que
es apoyada por su formación de fibrillas
multiméricas que se extienden desde la
superficie celular hacia la matriz extracelular.
Se cree que otra glucoproteína extracelular, la
laminina, tiene un papel similar (Smith y
Wood, 1997)
La laminina es una glucoproteína de Mr de
900 000. En los tejidos es la principal
glucoproteína no colagenosa de las
membranas basales, y se localiza en la región
de la lamina rara (ver Fig. 19).
Los estudios inmunohistológicos
indican que la laminina es un componente
principal de las membranas basales en los
tejidos y órganos adultos, como el riñón,
los vasos sanguíneos, la piel, el músculo,
los dientes y otros. Originalmente se creyó
que la lámina fomentaba específicamente la
adhesión de células epiteliales, y la
fibronectina
la
de
las
células
mesenquimatosas, pero no es así. Los
hepatocitos, los fibroblastos, los mioblastos y
varios tipos de células tumorales se adhieren
a ambas. Sin embargo, la laminina sí parece
ser más activa para promover el crecimiento
de neuritas y la formación de miotubos que
la fibronectina. El receptor de la superficie
celular no es el mismo que para la fibronectina
(Smith y Wood, 1997)
Receptores
de
membrana
para
macromoléculas de la matriz extracelular.
Las
glicoproteínas
estructurales
extracelulares
descritas
interactúan
directamente con receptores en la superficie
celular, y a través de estos receptores, con
el citoesqueleto.
Uno de los primeros grupos de
receptores para moléculas de la matriz
extracelular en ser identificados fue un
complejo llamado integrina (Fig. 16B) de
aves, antígeno de unión célula-sustrato (CSAT)
o complejo 140 000. Este complejo se aisló
utilizando dos anticuerpos monoclonales que
bloqueaban la adhesión, los cuales permitieron
localizar el complejo en los centros de adhesión
de miocitos, fibroblastos, neurona y muchos
otros tipos de células.
Se ha demostrado que el complejo de
la integrina puede unirse a la fibronectina y a la
laminina. También se ha demostrado que la
integrina interactúa con la talina, pero no con
los componentes de vinculina o de actinina a
de los filamentos intermedios (Smith y Wood,
1997).
Parece que no todas las interacciones
célula-matriz están mediadas por la familia de
receptores de las integrinas. Se han aislado y
caracterizado parcialmente proteínas de
membrana de unión a colágena. La ancorina
es una proteína con Mr de 31 000 hallada en la
superficie de los condrocitos cultivados.
Puede unirse a la colágena tipo II (y en menor
medida a los tipos I y V) nativo, pero no al
desnaturalizado (Smith y Wood, 1997).
Parece que la mayoría de las células
tienen receptores membranales capaces de
unirse a todos los principales componentes de
la matriz extracelular. Se ha demostrado que la
mayor parte de estos receptores se unen a
componentes del citoesqueleto. Así, estos
receptores probablemente intervienen en la
regulación matriz extracelular-célula y en el
ordenamiento de la matriz misma.
En resumen: todas las matrices
extracelulares están compuestas por los
mismos tres grupos de moléculas: (1) las
proteínas fibrosas elastina y colágena; (2) los
glicosaminoglicanos
y
proteoglicanos,
predominantemente
formados
por
carbohidrato, y (3) las glucoproteínas de
adhesión/estructurales. Hasta hace poco se
creía que la matriz extracelular era un
andamiaje inerte, compuesto por proteínas
fibrosas embebidas en una "sustancia basal"
amorfa muy hidratada. Esté punto de vista se
basaba en la estructura de los tejidos
conectivos "clásicos de carga, como el
cartílago, los cuales contienen colágenas
fibrosas y grandes proteoglicanos que se
agregan entre sí. Un análisis más profundo de
esos tejidos y de otras matrices extracelulares,
como las membranas basales, han sacado a la
luz las colágenas no fibrosas, los
proteoglicanos de superficie celular y los que
no se agregan, y un número cada vez mayor
de proteínas estructurales. La función de las
colágenas no fibrosas parece ser menos
mecánica y más relacionada con estructurar y
guiar la formación de la matriz, y se cree que
las formas más recientemente descubiertas de
proteoglicanos regulan procesos metabólicos
en la superficie celular y controlan el depósito
de colágena de la matriz. Además, los
proteoglicanos de heparano sulfato son
esenciales para las propiedades filtrantes de las
membranas basales.
Las proteínas estructurales, gracias a
su capacidad de unirse tanto a células como a
componentes de la matriz extracelular y de
formar agregados fibrilares, parecen ser un
componente esencial de la maquinaria de la
célula para interactuar con la matriz extracelular
y controlarla. Las proteínas se unen a la célula
por medio de una familia de receptores de
superficie (las integrinas), que también
interactúan con el citoesqueleto, y a través de
ellos, posiblemente con los núcleos. De este
modo, parece existir una conexión directa
entre el núcleo celular y la matriz
extracelular, lo que permite a la célula
organizar la matriz y a la matriz regular el
metabolismo celular.
VIII.- MEMBRANA BASAL.
La membrana basal tiene varias capas.
La membrana basal contiene varios tipos de proteínas y
carbohidratos.
La membrana basal tiene funciones importantes.
VIII.- MEMBRANA BASAL.
La membrana basal es una cubierta flexible
delgada (40-120 nm de grosor) de matriz
extracelular especializada, que incluye un
complejo de glucoproteínas que rodean la
fibra muscular, localizándose entre el
endomisio y el plasmalema. Aunque delgada, la
membrana basal consiste de diferentes
capas, cada una con distinta estructura.
Además, existe un número de proteínas
especializadas asociadas con la membrana
basal. Así, además de proporcionar, junto con
el endomisio, un soporte para las fibra
muscular, la membrana basal tiene acciones
enzimáticas y funciones tróficas durante el
desarrollo y en la inervación. Es capaz de
determinar la polaridad de la célula, influye en
su metabolismo, organiza las proteínas de las
membranas plasmáticas adyacentes e induce la
diferenciación celular (Alberts, et al. 1994).
La membrana basal tiene varias capas.
Con el microscopio electrónico, se
puede apreciar que la membrana basal consiste
de dos partes, una lamina basal y una lámina
reticular (Fig. 18). La lamina reticular está
compuesta de colágena y otras fibras dentro
de una sustancia de soporte amorfa; los
extremos de los músculos, están conectados
por medio de las fibras de colágena al tendón
del músculo. Como se puede observar en la
figura 18, la lámina basal . propiamente esta
hecha de dos capas, la más delgada que mide
2.5 nm de grueso, y a causa de su translucidez
electrónica, es denominada lámina lúcida; la
otra lámina, la lámina densa, es de 10 a 15 nm
de gruesa y es más fácilmente visible con el
microscopio
electrónico.
Aunque
su
composición precisa varia de tejido a tejido
y aún de región a región en la misma lámina,
la lámina madura contiene Colágena tipo IV
(Fig. 19), el proteoglicano heparano sulfato
perlecan, y las
glicoproteínas laminina y entactina. El
plasmalema y las varias capas de la membrana
basal son colectivamente llamadas sarcolema.
Algunos autores sin embargo, prefieren usar el
término sarcolema para describir el plasmalema
solo (Alberts, et al. 1994, McComas 1996).
La membrana basal contiene varios tipos
de proteínas y carbohidratos.
La composición de la membrana basal
se
ha
investigado
con
técnicas
inmunohistoquímicas. Entre las proteínas
identificadas están las siguientes:
- Acetilcolinesterasa (AChE). Esta es la única
enzima encontrada en la membrana basal,
divide la acetilcolina liberada desde las
terminales de las motoneuronas.
- Colágena. Varios tipos de colágena están
presentes, incluyendo las fibras de colágena
tipo I relativamente gruesas. Las fibras de
colágena y las fibras más delgadas dan
resistencia a la membrana basal y también
ayudan a conectar la fibra muscular con el
endomisio.
- fibronectina y laminina. Ambas proteínas unen
las moléculas de integrinas del plasmalema con
las fibras de colágeno de la membrana basa¡.
- Agrina. Esta proteína está relacionada con
formación de la unión neuromuscular.
Algunos de los carbohidratos en la
lámina lúcida consisten de residuos de azúcar
de varias glucoproteínas incrustadas en el
plasmalema. Sin embargo, la mayoría de los
carbohidratos están en la forma de
glucosaminoglicanos. Estas moléculas son
largos polímeros de disacáridos no ramificados
e incluyen al ácido hialurónico, sulfato de
condroitina y sulfato de heparina.
Esos compuestos cubren las proteínas de
membrana basal y también forman la sustancia
amorfa.
La membrana basal tiene funciones
importantes.
Lejos de ser una cubierta inerte para la
fibra muscular, como alguna vez se pensó, la
membrana basal tiene un número importante y
variado de funciones.
1.- Terminación de la transmisión sinóptica,
por medio de la hidrólisis del transmisor
acetilcolina, por la enzima acetilcolinesterasa.
2.- Fijación de la fibra muscular al endomisio,
al nervio motor terminal, y , en los extremos
de la fibra, a los tendones musculares.
3.- Soporte para la regeneración de la fibra
muscular, asegurando que las células satélite se
multipliquen dentro de los confines de la fibra
dañada.
4.- Regulación de la unión neuromuscular.
No sólo la membrana basal guía al axón que se
regenera hacia el sitio de la formación de la
unión neuromuscular, sino también proporciona
una señal para el cono de crecimiento y
desarrollar las estructuras especializadas
características de una terminal nerviosa motora.
Similarmente, la membrana basal, aún en
ausencia de la terminal nerviosa motora, es
capaz de estimular la fibra muscular para
desarrollar pliegues sinápticos e incorporar
receptores de acetilcolina en el plasmalema.
IX.- EL TEJIDO CONECTIVO DEL MUSCULO ESQUELETICO.
El tejido conectivo muscular está organizado en tres niveles.
El tejido conectivo muscular tiene múltiples funciones.
IX.- EL TEJIDO CONECTIVO DEL
MUSCULO ESQUELETICO.
El tejido conectivo intramuscular, al igual que
los otros tejidos conectivos indefinidos, se
construyen a partir de los fibroblastos y sus
productos de secreción, proteínas fibrosas y de
adhesión,
proteoglucanos
y
otras
glicoproteínas (Kovanen, 1989).
El tejido conectivo de un músculo es
casi tan importante como las fibras
musculares, sin él no se podría organizar la
estructura del los músculos y no habría
manera de transmitir al tendón la fuerza
producida ni sería posible el movimiento. Se ha
visto que el tejido conectivo en los
músculos voluminosos tiene varias partes
anatómicas, asociadas con el diferente tamaño
y orientación de las fibras de colágena.
El tejido conectivo muscular
organizado en tres niveles.
está
El epimisio (Fig. 1) es una cubierta
particularmente
fuerte
que
cubre
completamente la superficie de los vientres
(porción carnosa más prominente) de los
músculos y los separa de los otros músculos.
Contiene apretados paquetes entretejidos de
fibras de colágena, que miden de 600 a 1 800
nm de diámetro, los cuales tienen apariencia
ondulada y están conectados con el perimisio.
El perimisio es también fuerte y
relativamente grueso; divide las fibras
musculares en paquetes, o fascículos, y también
proporciona la ruta para que corran los
principales vasos sanguíneos y nervios a través
del músculo. Algunos de los paquetes grandes
de colágena se localizan en los fascículos,
a todo lo largo de la fibras musculares más
exteriores; otros corren alrededor de los
fascículos
para
formar
un
patrón
entrecruzado. Por debajo de las gruesas hojas
de tejido conectivo perimisiales está una red
más laxa y más delicada en la
cual las fibras de colágena corren en todas las
direcciones, algunas están conectadas en el
endomisio. En estas regiones se encuentran las
arteriolas y vénulas, a menudo con las
ramas nerviosas intramusculares. Un corte
transversal a través de un fascículo muestra
que las fibras musculares son poligonales más
que circulares; la configuración poligonal
posibilita el acomodo de un mayor número de
fibras dentro de un fascículo. Los espacios
intersticiales que separan las fibras,
normalmente, no son más anchos de 1 µ m.
El endomisio cubre cada fibra
muscular y está compuesto de una red densa
de fibras de colágena, de 60 a 120 nm de
diámetro, algunas de las cuales se continúan
con la fina malla fibrilar del perimisio. Como se
mencionó anteriormente, es probable que el
endomisio también haga conexiones con la
membrana basal, una capa de glucoproteínas
que yace sobre el exterior de la membrana de
la fibra muscular.
El tejido conectivo muscular tiene múltiples
funciones.
1.- Durante el desarrollo, el tejido
conectivo sirve como un soporte sobre el cual
se forman las fibras musculares. Cuando se
completa el desarrollo muscular, el tejido
conectivo continúa manteniendo juntas la
fibras musculares y en gran medida determina
la estructura de los músculos.
2.- El tejido conectivo laxo del
perimisio proporciona un conducto para los
vasos sanguíneos y nervios que abastecen las
fibras musculares.
3.- El tejido conectivo tiende a resistir
el estiramiento pasivo de los músculos y
asegura que las fuerzas sean distribuidas de tal
forma que disminuye el daño de las fibras
musculares. Además, la elasticidad asociada
con las fibras de elastina y los paquetes de
colágena entretejidas contribuyen a que los
músculos recuperen su forma cuando las
fuerzas pasivas son retiradas.
4.- El endomisio, por medio de
conexiones laterales de la fibra muscular,
,transmite parte de la fuerza contráctil al
tendón. Por ejemplo, Street y Ramsey (1965)
aplastaron fibras musculares aisladas, causando
la retracción de la miofibrillas; cuando la
porción intacta de la fibra fue estimulada, la
fuerza completa se transmitió
aún a través de este "tubo" vacío hacia el
extremo de la fibra. Aunque algo de la fuerza
podría haber sido transferida a través de los
elementos del citoesqueleto (espectrina,
distrofina, etc.) por debajo del plasmalema
(Fig. 14); el endomisio y la membrana basal
podían estar involucrados también a través de
estructuras (costámeros) localizadas a nivel de
los discos Z (fig. 15). Los costámeros
conectan las miofibrillas con el plasmalema y
membrana basal y probablemente también al
endomisio (McComas, 1996).
X.- LA COLAGENA EN LA FUNCION MUSCULAR.
Propiedades estructurales de la colágena.
La familia de proteínas y genes de colágena.
Tipos de colágena.
BIOSÍNTESIS
Rasgos generales.
Procesamiento intracelular.
Eventos extracelulares.
Funciones de la colágena en el músculo esquelético.
X.- LA COLAGENA EN LA FUNCION
MUSCULAR.
Los tejidos conectivos del músculo tiene
efectos sobre el funcionamiento del músculo
esquelético
en
diferentes
formas.
Clásicamente, se ha visto que la colágena
tiene un papel estructural y transmisor de
fuerza. Se han sugerido roles en la disipación
y almacenamiento de energía de la colágena en
las membranas basales (Tidball y Daniel,
1986).
El papel esencial de la colágena en los
varios tipos de locomoción y en los músculos
con diferentes demandas funcionales sugieren
variabilidad en las características del tejido
conectivo muscular. Sin embargo, pocos
estudios se han enfocado sobre las colágenas
en los músculos con diferentes propiedades
contráctiles. Un estudio realizado por Fernand
en 1949 sugiere que los músculos con altas
cantidades de tejido conectivo son capaces de
realizar movimientos finamente regulados y se
ha mostrado que los músculos lentos
contienen más colágenas que los músculos
rápidos (Garcia-Bunuel y Garcia-Bunuel,
1967; Laurent, el al. 1978; Kovanen, el al.
1980, 1984b). Esto también se mantiene en el
nivel de fibras musculares individuales rápidas y
lentas (Kovanen, el al. 1984b).
Las colágenas son las proteínas
fibrosas extracelulares más abundantes y
forman del 1 al 9% de la masa seca libre
de grasa del músculo esquelético (Lawrie,
1979). Comúnmente existen al menos treinta
tipos de colágena genéticamente diferentes
(Vuorio, 1986; Pihlajaniemi y Tamminen,
1988), entre los cuales los tipos I, III, IV
y V se han detectado en el tejido
conectivo muscular (Duance, et al. 1977;
Light y Champion, 1984). La elastina es una
proteína fibrosa secundaria del tejido
conectivo muscular. Se ha visto que es un
compuesto del endomisio que cubre las fibras
musculares individuales, y puede contribuir al
funcionamiento del músculo esquelético como
una unidad
contráctil. El ácido hialurónico y el sulfato de
condroitina son los glucosaminoglicanos del
músculo (Gilbreath, el al. 1971). La
fibronectina y la laminina, dos glucoproteínas
de adhesión, están localizadas en el sarcolema
(Stenman y Vaheri, 1978). La laminina, es el
más abundante componente no colagenoso de
las membranas basales (ver fig. 19), tiene la
forma de un entrecruzamiento asimétrico
(Rohde, el al. 1979, Timpl, el al. 1979). Es un
componente estructural y biológicamente
activo (Martin y Timpl, 1987) que se ha
propuesto que esté involucrado en el desarrollo
y regeneración del músculo esquelético.
Sobre bases anatómicas e histológicas
el tejido conectivo del músculo esquelético está
dividido en epimisio, perimisio y endomisio.
Cada músculo intacto esta envuelto por una
gruesa capa de tejido conectivo epimisial.
Estudios inmunohistoquímicos (Foidart, el al.
1981) y bioquímicos (Light y Champion, 1984)
han mostrado que la colágena tipo I es el
principal componente y la colágena tipo III
un componente menor del epimisio.
Un fascículo de varias fibras
musculares está rodeado por una capa densa
de tejido conectivo perimisial a través del cual
pasan los vasos sanguíneos grandes, los
pequeños linfáticos y nervios. El perimisio
contiene ambos tipos de colágena (tipo I y III)
el tipo III forma cerca del 30% del contenido
total de colágena (Light y Champion, 1984).
El endomisio es la delgada capa de
matriz extracelular que rodea cada fibra
muscular individual y contiene los capilares y
los fibroblastos. El endomisio forma el
ambiente íntimo de las fibras musculares
individuales permitiendo el intercambio de
metabolitos entre las células y los capilares.
Ultraestructuralmente, el endomisio incluye al
sarcolema y a las fibras de colágena de varias
formas y tamaños alrededor de las fibras
musculares individuales. Como se describió
anteriormente, el sarcolema comprende a la
membrana plasmática, lámina basal y lámina
reticular. La lámina basal y la lámina reticular
juntas forman la membrana basal.
Se ha demostrado por métodos
químicos (Light y Champion, 1984) e
inmunohistoquímicos (Foidart, et al. 1981)
que las colágenas tipo I, III, IV y V existen en
el endomisio. Las colágenas tipo I y III
pueden existir como copolímeros (Keene, et
al. 1987), y la mayoría probablemente forman
las fibras principales conocidas como fibras
reticulares del endomisio. La microscopía
electrónica de barrido revela que esas fibras de
colágena forman conexiones miocitomiocito y miocito-capilar. Además, una onda
densa interconectante de fibras de colágena
yacen sobre la superficie de, y en ciertos
puntos aparecen incrustadas dentro de la
membrana basal (Borg y Caulfield, 1980).
La colágena tipo IV y la laminina han
sido
localizadas
por
microscopía
inmunoelectrónica en las membranas basales
del sarcolema. Son por lo tanto componentes
de la lámina basal y están distribuidas por toda
la lámina densa y lámina rara (Kovanen,
1989).
Estudios posteriores por García
Bunuel & Garcia Bunuel (1967) y Laurent et
al. (1978) mostraron en experimentos
utilizando ratas y aves de corral que algunos
músculos lentos contenían más colágena que
algunos músculos rápidos. Estudios realizados
por Kovanen et al. (1980, 1984b) apoyan este
hallazgo en ratas. Además, la concentración de
colágena endomisial es superior alrededor de
las fibras musculares lentas que alrededor de
las fibras rápidas en los músculos de rata.
(Kovanen, et al. 1984a).
Estudios con microscopio electrónico
de barrido (Borg y Caulfield, 1980, Borg, et
al. 1982) han demostrado diferencias obvias
entre músculos rápidos y lentos en el arreglo
del tejido conectivo intramuscular. El músculo
lento soleo tiene un perimisio mejor
desarrollado que el músculo rápido extensor
digital largo o plantaris. La colágena aparece
como paquetes gruesos ondulados en el
perimisio del músculo lento. Paquetes de
menor diámetro que indican una red más
flexible puede ser observada en los músculos
rápidos. Así, además de las características
moleculares únicas de la colágena, el arreglo de
las estructuras supramoleculares también
contribuyen al funcionamiento del tejido
conectivo en el músculo esquelético.
Propiedades estructurales de la colágena.
Las colágenas forman una familia
compleja de proteínas que representan la
expresión de una mezcla de genes
relativamente
grande
(Vuorio,
1986;
Pihlajaniemi y Tamminen, 1988). Sobre las
bases de su apariencia morfológica fenotípica
en los tejidos, las colágenas pueden ser
divididas en colágenas fibrilares y no fibrilares.
Todas las colágenas comparten ciertas
características, pero difieren principalmente en
su tamaño molecular, las interrupciones del
dominio de triple hélice y en la formación de
estructuras supramoleculares (Martin, et al.
1985). También el grado de modificaciones coy post-translacionales varían entre los tipos de
colágenas. La diversidad y características de la
familia de las proteínas de colágena han
sido revisadas en detalle por varios autores
incluidos Bornstein y Sage (1980), Miller y
Gay (1982, 1987) y Prockop y Kivirikko
(1995).
Algunas
de
las
propiedades
estructurales características de las colágenas,
relevantes para evaluar la significancia de la
colágena en el funcionamiento del músculo
son descritas brevemente a continuación.
La unidad básica estructural de las
colágenas fibrilares es una molécula similar a
una varilla de cerca de 300 nm de largo que
consiste de tres cadenas polipeptídicas largas
de cerca de 1 000 residuos de aminoácidos
cada una, conocidas como cadenas a. Cada
una de las tres cadenas a están enrolladas
en torcidas una alrededor de la otra para
formar una triple hélice que gira hacia la
derecha (Piez, 1984). Por fuera de la porción
principal helicoidal, todas las moléculas de
colágena contienen cortos telopéptidos no
helicoidales. Las moléculas de colágena son
agregadas dentro de las microfibrillas que
consisten de cinco hileras de moléculas,
cada molécula traslapando a las moléculas
vecinas por cerca de un cuarto de su
longitud. Un número mayor de microfibrillas
son empacadas juntas para formar las fibras de
colágena (Fig. 20). En el microscopio
electrónico las fibrillas de colágena y las
fibras aparecen en bandas longitudinales
características debido al traslape.
El requisito previo para la formación
de la triple hélice homo- o heterotrimérica es
la secuencia repetida de aminoácidos (-Gli-XY-)n en cada cadena a. La glicina en cada
tercera posición hace posible que las tres
cadenas a se enrollen firmemente una
alrededor de la otra. La presencia de prolina y
4-hidroxiprolina en las posiciones X- y Y-,
respectivamente, promueve la estabilidad de la
triple hélice por puentes de hidrógeno o por
puentes hidrógeno-agua entre las cadenas.
Las estructuras intra e intermoleculares son
estabilizadas además, por la formación de
uniones covalentes reducidas derivadas de
lisina. Esas características únicas de la
molécula de colágena la hacen firme y la
proveen de una elevada resistencia mecánica
(Kovanen, 1989; Prockop y Kivirikko, 1995).
La superfamilia de proteínas de
colágena ahora contiene al menos 19 proteínas
formalmente definidas como colágenas y unas
diez proteínas que tienen dominios similares a
la colágena. Las colágenas más abundantes
forman fibrillas extracelulares o estructuras
similares a redes, pero las otras cumplen
una variedad de funciones biológicas.
Algunas de las 8 enzimas post-translacionales
altamente específicas relacionadas en la
biosíntesis de la
una hélice que gira hacia la izquierda y están
colágena han sido donadas recientemente
(Prockop y Kivirikko, 1995).
La familia de proteínas y genes de
colágena.
El examen de las secuencias del cDNA
y DNA genómico con pruebas para colágenas
revelaron un gran número de proteínas
relacionadas con secuencias repetidas de -GliX-Y- de varias longitudes. Porque fueron
descubiertas en estudios para colágenas, las
proteínas codificadas fueron definidas como
colágenas, aún cuando en algunos casos los
dominios triples helicoidales fueron pequeños
y la mayoría de la estructura de las proteínas
fue globular. También, unas pocas proteínas
estudiadas en otros contextos se encontraron
conteniendo dominios triples helicoidales pero
no fueron definidas como colágenas. La
variedad en la estructura de las diferentes
colágenas y proteínas relacionadas implica
que tienen varias funciones biológicas
diferentes.
Tipos de colágena.
Recientemente Prockop y Kivirikko
(1995) han realizado, con detalle, una
revisión sobre los tipos de colágena que se
describe a continuación. Por simplicidad, la
superfamilia de las colágenas sobre la base de
su estructura polimérica que forman o por
sus rasgos estructurales relacionados puede
ser dividida en varias clases: (a) colágenas
que forman fibrillas (tipos I, II, III, V y XI),
(b) colágenas que forman estructuras
parecidas a redes (la familia del tipo IV y
los tipos VIII y X), (c) colágenas que se
localizan sobre la superficie de las fibrillas de
colágena y son conocidas como colágenas
asociadas a fibrillas con triples hélices
interrumpidas (FACITs que incluyen los
tipos IX, XII, XIV, XVI y XIX),
(d) la colágena que forman filamentos de
cuentas (tipo VI), (e) la colágena que forma
fibrillas de anclaje para las membranas basales
tipo VII), (f) colágenas con dominios
transmembranales (tipos XIII y XVII, y (g)
las recién descubiertas colágenas tipos XV y
XVII
que
sólo
están
parcialmente
caracterizadas. Un grupo adicional (h) que
consiste de proteínas que contienen dominios
triple helicoidales que no han sido definidas
como colágenas.
Colágenas que forman fibrillas: Todas esas
colágenas (tipos I-III, V y XI) son similares
en tamaño y en que contienen dominios
grandes de triple hélice con cerca de 1 000
aminoácidos o 330 repeticiones -GIi-X-Y- por
cadena. Además, también son sintetizadas
primero como precursores de gran tamaño, y
los precursores necesitan ser procesados para
formar colágenas por ruptura de los Npropéptidos y C-propéptidos por proteinasas
específicas. Finalmente, son similares en que
todas se juntan como fibrillas de estrias
cruzadas, en donde cada molécula está
desplazada cerca de un cuarto de su longitud
relativa con respecto de la molécula vecina
más cercana, a lo largo del eje de la fibrilla
(Fig. 2 l). El tipo I es la colágena más
abundante y se encuentra en una variedad de
tejidos. Muchas de las otras colágenas que
forman fibrillas tienen una distribución más
selectiva en los tejidos.
La colágena de tipo I preferentemente
forma largas fibras paralelas, el ancho de las
mismas varia y usualmente es mayor de 40
nm. La disposición de las fibras depende de su
localización y de las demandas funcionales
hechas sobre ellas con el resultado de que un
alineamiento paralelo es encontrado en
tendones, mientras que en la piel y en las
cápsulas de órganos las fibras se cruzan unas
con otras. Las fibras de colágena tipo I juegan
un papel clave como estructuras de soporte
con elevada resistencia a la deformación y
muy limitada elasticidad, estando así
especialmente colocadas para transmitir
fuerza. Las fibras formadas por la colágena
tipo III normalmente no exceden de un
diámetro de 40 nm (Fleischmajer, et al. 1980).
Esas fibras prevalecen en tejidos conectivos
como los de piel, donde forman estructuras de
malla flexibles.
Otro nuevo hallazgo con respecto a las
colágenas formadoras de fibrillas es que
muchas fibrillas in vivo están compuestas de
dos o más tipos de colágena. Las estructuras
de los genes de las colágenas que forman
fibrillas muestran gran similitud.
Colágenas que forman redes: incluyen la
familia de las colágenas tipo IV encontradas
en las membranas basales y las colágenas tipos
VIII y X. El dominio colagenoso de la
molécula de colágena tipo IV es mayor
comparada con la de las colágenas que
forman fibrillas y está formado de
aproximadamente 1 400 residuos aminoácido
en las repeticiones -GIi-X-Y- que están
frecuentemente interrumpidas por cortas
secuencias no colagenosas. Las secuencias no
helicoidales parecen ser un rasgo estructural
importante de la triple hélice, necesaria para la
regulación no sólo de la flexibilidad de las
moléculas sino también de las propiedades
elásticas de la red macromolecular de la
colágena de tipo IV (Kovanen, 1989). El Nterminal de la molécula contiene un corto
dominio no colagenoso y el C-terminal un
dominio no colagenoso principal de cerca de
230 aminoácidos. Las moléculas se ensamblan
para formar estructuras semejantes a redes en
las cuales los monómeros se asocian al Cterminal para formar dímeros y en el Nterminal para formar tetrámeros. Además de
esas interacciones extremo-extremo, los
dominios triple helicoidales se entrelazan para
formar estructuras superenrolladas.
La secuencia de las repeticiones del
triplete Gli-X-Y- de la colágena tipo IV es
frecuentemente interrumpida por dominios que
no son triple hélice (Kovanen, 1989). Las
otras dos colágenas formadoras de redes
similares entre, sí, los tipos VIII y X, difieren en
estructura con respecto al tipo IV.
Colágenas FACIT (Colágenas asociadas a
fibrillas con triples hélices interrumpidas):
Estas colágenas (tipos IX, XII, XIV, XVI y
XIX) no forman fibrillas por sí mismas pero se
encuentran adheridas a las superficies de
fibrillas preexistentes de las colágenas que sí
las forman. Todas esas colágenas están
caracterizadas por dominios cortos de triple
hélice interrumpidos por secuencias cortas no
colagenosas.
La molécula de la colágena tipo IX
consiste de tres dominios triple hélice y cuatro
dominios no colagenosos. La proteína se
encuentra comúnmente sobre la superficie de
fibrillas de
colágena tipo II unida
covalentemente a moléculas de colágena tipo II
en orientación antiparalela.
Las colágenas de los tipos XII y XIV
presentan varias similitudes estructurales con la
colágena del tipo IX, particularmente en el
dominio colagenoso C-terminal. La colágena
tipo XVI y la recién descubierta colágena tipo
XIX también muestran similitudes en
estructura a las colágenas FACIT y están por
lo tanto clasificadas dentro de este subgrupo.
Colágena que forma filamentos con cuentas:
la única colágena conocida que forma
filamentos con cuentas es el tipo VI. Cada
una de las tres diferentes cadenas de la
proteína contienen un dominio triple hélice
muy corto, y el resto consiste de dominios
largos globulares N-terminal y C-terminal.
Los dominios globulares N-terminal y Cterminal de las tres cadenas contienen
repeticiones de 200 residuos.
Colágena de fibrillas de anclaje: La colágena
tipo VII forma fibrillas de anclaje
que unen las membranas basales a placas de
anclaje de colágena tipo IV y laminina en la
matriz extracelular fundamental. El dominio
triple hélice de la colágena tipo VII, el cual es
mucho más largo que la triple hélice de
cualquier otra colágena, contiene 1 530
aminoácidos en las repeticiones -GIi-X-Y- que
son interrumpidas en 19 sitios.
Colágenas ____con ____ un ____ dominio
transmembranal:
dos
colágenas
recientemente descubiertas contienen un
dominio transmembranal y por lo tanto,
probablemente no son secretadas dentro de la
matriz extracelular. La colágena tipo XIII se
encuentra en muchos tejidos. En contraste, la
colágena
tipo
XVII
se
encuentra
principalmente en los hemidesmosomas de la
piel. Esas dos colágenas no son homólogas en
estructura, pero ambas contienen un solo
dominio N-terminal transmembranal que es
aparentemente citoplásmico. El resto de la
molécula es extracelular.
Familia de los tipos xv v xviii: Las colágenas
tipo XV y XVIII recientemente descubiertas
tienen un dominio globular N-terminal largo,
una triple hélice grandemente interrumpida, y
un dominio globular C-terminal grande. Ambas
colágenas también contienen varios sitios de
unión potencial para glucosaminoglicanos
unidos a serina y oligosacáridos unidos a
asparagina, observaciones que sugieren que
esas colágenas pueden estar extensamente
glucosiladas. Las colágenas tipo XV y XVIII,
se encuentran en muchos tejidos, pero el tipo
XVIII está expresado en muy alto nivel en el
hígado.
Colágenas "no colagenosas": El grupo de
proteínas
que
contienen
secuencias
colagenosas pero que no son definidas como
colágenas incluyen el subcomponente C1q del
complemento, la estructura de la cola de la
acetilcolinesterasa, las proteínas SP-A y SP-D
del surfactante pulmonar, conglutinina,
colectina-43, las enzima bacteriana pulanasa, y
los receptores de los macrófagos barredores
tipo I y II. Los receptores de los macrófagos
barredores tipo I y II se asemejan a las
colágenas tipo XIII y XVII en que contienen
un solo dominio transmembranal precedido
por un corto dominio N-terminal citoplásmico.
El resto de la molécula es
extracelular.
BIOSÍNTESIS
Rasgos generales.
En su revisión, Prockop y Kivirikko
(1995) mencionan que las colágenas que
forman
fibrillas
son
primeramente
sintetizadas
como
grandes
moléculas
precursoras conocidas como procolágenas. Los
pasos intracelulares para el ensamble de una
procolágena (Fig. 22) son, separación de los
péptidos de señal, la hidroxilación de los
residuos de prolina y lisina en la posición Y en 4hidroxiprolina e hidroxilisina; hidroxilación de
unos pocos residuos de prolina en la
posición X en 3-hidroxiprolina, adición de
galactosa o galactosa y glucosa en algunos de
los residuos de hidroxilisina, adición de un
oligosacárido rico en manosa en uno o ambos
de los propéptidos, asociación del propéptido
C-terminal mediante un proceso dirigido por la
estructura de ese dominio, y formación tanto
de uniones disulfuro intracadenas o
intercadenas. Después de que los propéptidos
C se han asociado y cada cadena adquiere
cerca de 100 residuos de 4-hidroxiprolina, se
forma un núcleo de triple hélice en la región Cterminal, y la conformación triple helicoidal se
propaga entonces en el N-terminal de
manera semejante a un cierre. Después de la
secreción de la procolágena desde los
fibroblastos, los N-propéptidos son divididos
por una procolágena N-proteinasa y los Cpropéptidos por una procolágena C proteinasa
separada. La colágena entonces se ensambla
por sí misma en fibrillas. Finalmente, la
lisiloxidasa transforma algunos residuos de
lisina e hidroxilisina en derivados aldehídos
para formar series complejas de uniones
cruzadas.
El ensamble y el proceso en pasos de
muchas colágenas no fibrilares es el mismo,
pero existen notables excepciones. Muchas
colágenas contienen dominios no colagenosos
N- y/o C-terminales que no son removidos y
por lo tanto no son denominados propéptidos.
Varias colágenas sufren N-glucosilación.
Tres tipos de colágenas (IX, XII y XIV)
son modificadas por adición de cadenas
laterales de glucosaminoglicanos, y dos
colágenas adicionales (los tipos XV y
XVIII) tienen sitios de unión potencial para
tales cadenas. Las triple hélices de unas pocas
colágenas que pierden los dominios
globulares grandes C-terminales (por ejemplo
el tipo XII) pueden plegarse por medio de un
mecanismo que no incluye la formación de un
núcleo en el C-terminal.
Procesamiento intracelular.
La biosíntesis de las colágenas ocurre
al igual que otras proteínas secretadas, de la
transcripción genética por medio del
procesamiento de los pre-mRNAs en sus
respectivos mRNAs para la translación
ribosomal del mensaje para las respectivas
prepro cadenas a. La excepción es que las
cadenas polipeptídicas son modificadas co- y
post-translacionalmente en el proceso de
muchas reacciones catalizadas por enzimas
que pueden ser divididas en eventos
intracelulares y extracelulares. De acuerdo con
esto, la regulación de la biosíntesis de
colágena con respecto a la cantidad, tipo y
calidad de los productos finales requiere de
procesos de transcripción, translación así como
post-translacionales (Kovanen, 1989).
Los eventos intracelulares en la
biosíntesis
de
colágena
incluyen
la
hidroxilación de ciertos residuos de prolil y lisil
por tres enzimas diferentes, dando como
resultado la formación de 4-hidroxiprolina, 3hidroxiprolina e hidroxilisina. La hidroxilación
de prolina en la posición 4 influye de manera
crítica en la estabilidad de la estructura de
triple hélice de la colágena a temperaturas
fisiológicas (Berg y Prockop, 1973), mientras
que la función de la 3-hidroxiprolina no se
conoce. La hidroxilación de residuos de lisina
es necesaria para la glucosilación de la
colágena en la regional helicoidal y para la
formación de ciertos enlaces covalentes
intermoleculares.
Las
enzimas
prolil
4-hidroxilasa, prolil 3-hidroxilasa y lisil
hidroxilasa son específicas para el dominio
helicoidal de la molécula de colágena
(Kivirikko y Myllylä, 1982). La formación de
triple hélice de las pro-cadenas a previene
cualquier hidroxilación posterior.
La glucosilación de ciertos residuos de
hidroxilisina es catalizada por dos enzimas
específicas
simultáneamente
con
la
hidroxilación de los residuos de lisina. La
adición de galactosa a la hidroxilisina es
catalizada
por
la
hidroxilisil
galactosiltransferasa. Además, la actividad de
las enzimas glucosilantes termina cuando se
ha logrado la conformación de triple hélice
(Kovanen, 1989).
Con la excepción de la prolil 4hidroxilación, grandes variaciones ocurren en
el grado de las modificaciones prosttranslacionales en los diferentes tipos de
colágena, tanto dentro del mismo tipo en
diferentes tejidos y dentro del mismo tejido en
diferentes
condiciones
fisiológicas
y
patológicas. La actividad de la prolil 4hidroxilasa y la velocidad de biosíntesis de
colágena ha mostrado correlación en las
diferentes células y tejidos en un gran número
de situaciones fisiológicas y patológicas. De
acuerdo con lo anterior, las mediciones de la
actividad de la prolil 4-hidroxilasa se ha usado
para estimar la velocidad de biosíntesis de
colágena
en
diferentes
situaciones
experimentales y clínicas (Kovanen, 1989).
Eventos extracelulares.
Después de ser secretadas al espacio
extracelular como moléculas de procolágena,
los péptidos de los extremos amino y
carboxilo son cortados por procolágena
peptidasas (Fig. 22), con la consiguiente
formación de agregados extracelulares
insolubles y entrecruzados, que funcionan
principalmente como elementos de soporte
dentro del tejido (Smith y Wood, 1997).
En el espacio extracelular las
moléculas de colágena procesadas se agregan
lado a lado, extremo con extremo con un
modo de espaciamiento de cuartas partes para
formar las fibrillas bandeadas y fibras vistas al
microscopio electrónico. La resistencia a la
deformación (tensión pasiva) y la insolubilidad de
esas fibras se debe a los enlaces cruzados.
La reacción oxidativa de desaminación
catalizada por la lisil oxidasa inicia los enlaces
formando aldehídos reactivos a partir de
residuos lisil e hidroxilisil específicos en los
telopéptidos COOH- y NH2 terminal. La
reacción de los aldehídos con los grupos amino sobre residuos específicos de lisil e
hidroxilisil en la región helicoidal de la
molécula adyacente resulta en la formación de
enlaces intermoleculares. Tales bifuncionales
enlaces covalentes aparecen en tejidos como
bases de Schiff, que pueden ser aislados en su
forma
reducida
como
por
ejemplo
hidroxilisinonorleucina
y
dihidroxilisinonorleucina. El tipo de enlace es
dependiente del grado de hidroxilación del
residuo de lisina en la región telopeptídica.
Los enlaces reducidos son intermediarios que
parecen convertirse en compuestos estables
no reducidos durante la maduración del tejido
(Bailey, et al. 1974) uno de esos componentes
estables es el 3-hidroxipiridinium el cual es
considerado como un enlace estable y
trifuncional de la colágena madura (Robins,
1983).
Las fibrillas de colágena extracelular son
formadas por secreción de una procolágena
soluble que es entonces enzimáticamente
procesada en una colágena insoluble. Los
mecanismos por los cuales otras colágenas
son incorporadas dentro de una matriz
extracelular insoluble son más inciertos,
puesto que presumiblemente ellas deberían
ser solubles durante el ensamble intracelular.
Un posible mecanismo es que tales colágenas
son secretadas como proteínas solubles que une
otras macromoléculas después de ser
secretadas para formar heteromoléculas
insolubles (Prockop y Kivirikko, 1995).
Los N- y C-propéptidos de las
procolágenas, ambos, deberían ser fraccionados
por proteinasas específicas para que las
proteínas por ensamble propio formaran fibrillas
bajo condiciones fisiológicas. Los Npropéptidos de las
colágenas tipo I y II son divididos por la
misma procolágena N-proteinasa específica. El
N-propéptido de la procolágena tipo III es
probablemente dividida por una N-proteinasa
diferente. Si otras N-proteinasas específicas se
necesitan para dividir otras procolágenas tales
como los tipos V y XI no está claro (Prockop
y Kivirikko, 1995).
La significancia de los enlaces para la
estabilidad y para las propiedades físicas y
mecánicas de la colágena es obvia a partir de
los estudios de varias enfermedades
hereditarias del tejido conectivo y de
condiciones experimentales en donde se sabe
que el defecto afecta los enlaces de la
colágena (Eyre, et al. 1984).
Funciones de la colágena en el músculo
esquelético.
La colágena juega un papel vital en
todo el cuerpo. En el músculo esquelético
desempeña también una función estructural al
mantener las células unidas y asegurar una
adecuada alineación de las fibras musculares.
La matriz de colágena permite la penetración
de los nervios y los vasos sanguíneos a todas
las partes del músculo. La colágena da la
fuerza mecánica y coherencia al músculo y
forma parte de un sistema elástico tolerante al
esfuerzo que cumple los requisitos para
absorber impactos y esfuerzos (Rowe, 1981).
La
resistencia
a
la
tensión
proporcionada por la colágena es debida a la
estructura de sus moléculas, fibrillas y fibras.
En particular, los enlaces intermoleculares, la
orientación y densidad de las fibrillas, las
fuerzas de fricción entre las fibrillas y las fibras
y por las interacciones físicas y químicas de la
colágena con otros componentes estructurales
de la matriz extracelular, determinan la
resistencia a la tensión de los tejidos
conectivos (Kovanen, 1989).
La
elasticidad
muscular
es
parcialmente proporcionada por la colágena.
Para este propósito la organización de las
fibrillas y fibras es crítica, ya que las
moléculas individuales de colágena, de fibrillas
y de fibras por sí mismas son inextensibles. La
extensibilidad de la colágena resulta del
enderezamiento de las curveadas fibrillas y
fibras. Así, cualquier tejido puede ser extendido
sin ruptura hasta el punto donde todas las
fibras de colágena curveadas están
completamente extendidas en dirección de las
líneas de esfuerzo (Kovanen, 1989).
Debido a su inextensibilidad, las
fibras de colágena transmiten la fuerza
generada por la contracción muscular activa.
La transmisión de la fuerza es posible debido a
la continuidad que forman las fibrillas de
colágena y las fibras de la lámina basa]
muscular a través del endomisio y perimisio
hasta el tendón (McArdle, et al. 1996).
Está generalmente aceptado que el
tejido
conectivo
contribuye
al
funcionamiento muscular por medio de
componentes elásticos colocados en serie y
en paralelo (Huxley, 1974), los determinantes
clásicos de las propiedades mecánicas del
músculo. El arreglo anatómico de esos
elementos
no
se
ha
determinado
completamente. Sin embargo, se piensa que
los componentes elásticos en paralelo los
constituyen el epimisio, perimisio y
endomisio, mientras que los componentes
elásticos
en
serie
los
constituyen
primeramente los puentes cruzados entre la
actina y la miosina, pero también el tendón y
parte del endomisio (Huxley y Simmons,
1971; Huxley, 1974; Borg y Caulfield, 1980).
Durante la locomoción normal donde
el estiramiento precede al acortamiento, puede
ser almacenada energía elástica en el músculo
(Cavagna y Citterio, 1974). Esta energía
almacenada puede ser utilizada durante la
subsecuente contracción sumada a la
generación de fuerza del músculo (Tidball y
Daniel, 1986). Los puentes cruzados son
considerados
como
las
estructuras
responsables para el almacenamiento de la
elasticidad activa (Huxley y Simmons, 1971).
Sin embargo, estudios recientes sugieren que
las subunidades de la meromiosina pesada no
son los sitios primarios del almacén de energía
elástica, sino que pueden estar implicadas las
fibrillas de colágena sobre la superficie celular
o sobre la membrana basal (Tidball y Daniel,
1986).
Además de su participación en la
biomecánica del músculo estriado, la colágena
también ha mostrado tener un papel en el
proceso del desarrollo muscular (Bailey, el
al. 1979).
La regeneración del tejido muscular después de
la degeneración postraumática también
incluye a la colágena como un componente
necesario (Allbrook, 1973).
Hoy sabemos que otras estructuras
moleculares contribuyen importantemente en
las propiedades mecánicas del músculo
esquelético, como son la titina, la nebulina, las
proteínas de los discos Z y de la región M, de
los filamentos intermedios y del citoesqueleto
(ver capítulo V y VI).
XL- INTERACCION MUSCULO-TENDON.
Estructura del músculo esquelético completo.
Los extremos de las fibras musculares están
especializados para transmitir la fuerza al
tendón.
Propiedades mecánicas del tendón.
Significado fisiológico de la flexibilidad del tendón.
XI.INTERACCION
TENDON.
Estructura
completo.
del
músculo
MUSCULO-
esquelético
La inspección de los músculos
esqueléticos revela un conjunto de rasgos
comunes. Los músculos esqueléticos se unen a
los huesos por medio de estructuras de
tejido conectivo conocidas como tendones.
Los tendones conectan ambos extremos del
músculo a la cubierta más externa del hueso,
el periostio. Algunas veces la cantidad de
tendón es tan pequeña que las fibras
musculares parecen surgir del propio hueso.
Sin embargo, el análisis microscópico del
extremo de estas fibras musculares muestra
tejido conectivo similar al del tendón,
interpuesto entre las fibras y los huesos. Al
origen o la inserción tendinosa, que es muy
amplia y escasa se le denomina aponeurosis.
En el nivel anatómico burdo, cada músculo
tiene un origen (el extremo proximal del
músculo) y una inserción (el extremo distal
del músculo). Con frecuencia el origen del
músculo es más ancho que la inserción, en
esta última las fibras convergen en un tendón
(por ejemplo el músculo soleo). Sin embargo,
a pesar del conocimiento del origen y la
inserción de un músculo, no es posible
describir simplemente que un movimiento
resulta de la contracción muscular basándonos
sólo en esta información, porque los músculos
con frecuencia cruzan más de una articulación
y por lo tanto ejercen su influencia en lugares
variados.
Los tejidos del tendón están
entremezclados con las fibras de colágena en
el hueso. Lo que forma una unión poderosa
músculo-hueso que es difícil de separar
excepto durante el estiramiento severo,
pudiendo ser literalmente desprendido de este
último. Cerca del 70% de la masa seca del
tendón está formada por colágena. La fuerza
muscular es transmitida directamente desde el
tejido conectivo interno del músculo al
tendón, entonces este jala a. los huesos en sus
puntos de unión. La fuerza ejercida en la
unión tendinosa bajo varias condiciones de
esfuerzo
muscular
varía
desde
aproximadamente 20 a 50 Newtons por cm2
de área de corte transversal (McArdle, et al.
1996).
La mayoría de los textos de anatomía
enseñan que los tendones funcionan para
conectar los músculos esqueléticos a los
huesos. Sin embargo, los tendones no deberían
ser considerados como simples estructuras de
unión rígidas. Es bien conocido que los
tendones son tejidos relativamente flexibles
(elásticos) (Lieber, 1992).
Los extremos de las fibras musculares están
especializados para transmitir la fuerza al
tendón.
Conforme se acercan al tendón de
inserción, las fibras musculares se adelgazan
considerablemente disminuyendo su diámetro
cerca de un 90%; el adelgazamiento de la
fibras da al músculo voluminoso su forma
fusiforme típica. En los extremos finales de
cada fibra existe un plegamiento extensivo
del plasmalema. Los pliegues se interdigitan
con los procesos del tejido conectivo. Este
plegamiento asegura que la fuerza contráctil sea
distribuida sobre una amplia área, reduciendo el
stress sobre la superficie de la fibra. También, a
causa de que la fuerza es transmitida en ángulo,
ocasiona que el esfuerzo sea dividido y las
estructuras divididas, tales como las diferentes
capas en los extremos de las fibras, son más
resistentes para esfuerzos cortantes que
cuando se aplican fuerzas ortogonales. Con el
microscopio electrónico, se puede ver que las
miofibrillas no se extienden por todo el
plasmalema: en lugar de eso, los filamentos
delgados
(actina)
están
insertados
inmediatamente por debajo del plasmalema
dentro de una capa densa de material el cual
contiene las proteínas de unión vinculina,
talina, paxillina y tensina (Fig. 16). En el modelo
hipotético, se piensa que la talina está unida al
receptor de fibronectina; este receptor atraviesa
el plasmalema y , en el interior celular, se
conecta con paquetes de fribonectina. El
receptor de fibronectina pertenece a una clase
de proteínas, las integrinas, que se extienden en
la superficie de la membrana (McComas, 1996).
En la superficie externa de la membrana
se localiza una desarrollada membrana basal, la
cual consiste de varias capas. Tal como existen
proteínas de conexión sobre la cara interna del
plamalema, también existen en la cara
externa; entre las cuales se incluyen la
fibronectina y tenascina, que unen las moléculas
de intergrinas del plamalema con las fibras de
colágena tipo I del tendón (McComas, 1996).
Propiedades mecánicas del tendón.
Si un tendón se conecta físicamente a un
transductor de fuerza y es estirado bajo una
carga, es posible medir el alargamiento del
tendón. El cambio en la longitud del tendón
puede ser medida en unidades absolutas (por
ejemplo, mm) y puede ser expresada, con
respecto a la longitud inicial del tendón, como
deformación:
1 -1o
ε =-----------------1º
donde 1 es la longitud del tendón, lo es la
longitud inicial del tendón, y c es la
deformación. La deformación es, por lo tanto,
el cambio en la longitud del tendón con
relación a su longitud inicial y es un método
conveniente para expresar el estiramiento de
los materiales. (Cuando un tendón es tensado
y se mide la deformación, se obtiene una
curva como la que se muestra en la figura
23B. Si, en lugar de la tensión del tendón, se
normaliza la tensión con respecto al área de
corte transversal del tendón, se puede calcular
el esfuerzo del tendón como:
F
σ = -------------------A
donde F es la carga del tendón (en Newton
de carga o fuerza), A es el área de corte
transversal del tendón (en unidades de área
tales como m2), y a es el esfuerzo (en unidades
de Nlm2, las cuales se abrevian como Pascales
o Pa). Expresando la carga en términos de
esfuerzo y la deformación, es posible
comparar las propiedades de materiales de
diferente formas y tamaños. Un parámetro
interesante de comparar es la dureza
relativa (módulo de Young) de los
materiales, el cual es simplemente el cambio en
esfuerzo para un cambio dado de deformación.
En otras palabras, el módulo de Young (E)
puede ser calculado como:
σ
E = -------------ε
Puesto que la deformación no tiene unidades,
las unidades para el módulo son las mismas
que las de esfuerzo, es decir, Pascales. Los
valores típicos de los módulos del músculo,
tendón y hueso son 200 kPa, 1 GPa, y 20 GPa
respectivamente (Lieber, 1992),
Como se observa en la figura 23B, el
tendón es muy flexible en la región de baja
carga de la curva esfuerzo-deformación y se le
conoce como región "del dedo pulgar" (Butler,
et al. 1978). Mientras se han hecho numerosas
mediciones de las propiedades cargadeformación del tejido conectivo, se han
realizado muy pocas bajo condiciones
fisiológicas, es decir, bajo condiciones de
carga que podrían ser supuestas basadas sobre
la resistencia de los músculos unidos.
Estimaciones de la deformación del tendón
durante la contracción muscular se han
realizado por Zajac (1989) basadas sobre
valores de la literatura y recientemente se ha
medido directamente durante la contracción
muscular por Lieber et al. (1991 a y 1991 b).
Los dos estudios concuerdan que los tendones
se deforman aproximadamente 3% en
músculos con tensión tetánica máxima. Así,
podríamos considerar que los músculos están
conectados a los huesos por medio de
conectores que se deforman durante la
contracción muscular. De hecho, el nivel de
sofisticación va más allá en las mediciones
experimentales que han demostrado que
diferentes regiones del tendón (Fig. 24) tienen
diferentes propiedades- el tendón más próximo
al hueso es cerca de cinco veces más duro que
el tendón que está conectado a las fibras
musculares (Lieber, 1992).
Significado fisiológico de la flexibilidad del
tendón.
Cual es la significancia fisiológica de la
flexibilidad del tendón? Cuando un músculo
desarrolla fuerza, los tendones se deformarían,
permitiendo el acortamiento del músculo. Esta
es una razón de que la activación muscular
en un ángulo fijo de
unión nunca produciría una verdadera
contracción isométrica. Sin embargo, a causa
de la flexibilidad del tendón, una unidad
músculo-tendón tendría un elevado rango
operativo en relación al rango atribuido a las
fibras musculares solas. Esto es porque algo
del cambio de longitud que podría requerirse
que lo tomarán las fibras musculares, en
realidad es tomado por lo tendones. Así,
uniendo los músculos a los huesos por medio
de tendones flexibles, se aumenta el rango
operativo de la unidad músculo-tendón. Por
supuesto, el inconveniente de este arreglo es
que existiría algo de retardo desde el tiempo
cuando el músculo desarrolla tensión a
cuando el hueso comienza a moverse. Así
tenemos un trueque entre el aumento de
rango y el aumento de control. Recientemente,
el morfologista funcional británico Alexander R.
McNeil (1988) presentó varios ejemplos
biológicos de sistemas flexibles y su influencia
en la función normal. Aquí basta con decir que la
cantidad relativa de tendón comparada con la
de las fibras musculares determinará la
magnitud del incremento en el rango operativo
de la unidad músculo-tendón. De hecho, si se
aumenta la longitud del tendón, el rango
operativo y la longitud correspondiente al
pico de fuerza cambia aún más. De alguna
manera, entonces, la longitud del tendón es
un parámetro de diseño en gran parte del
mismo modo que lo es la arquitectura del
músculo (Lieber, 1992).
XII.- ARQUITECTURA MUSCULAR.
Determinación experimental de la arquitectura del
músculo esquelético.
Área fisiológica de corte transversal.
Los músculos delgados largos están divididos en
compartimientos.
Alineación de los sarcómeros en una fibra muscular.
La plumación produce más fuerza.
Longitud de la fibras en proporción a la longitud del
músculo.
XII.- ARQUITECTURA MUSCULAR.
El músculo esquelético no está altamente
organizado sólo a nivel microscópico; en el
arreglo de las fibras musculares en el nivel
macroscópico también se observa un elevado
nivel de organización. Haciendo comparaciones
entre varios músculos, se observa que la
distribución del tipo de fibras tiene
importancia, pero no hay duda de que un factor
también importante en la determinación de las
propiedades contráctiles del músculo es la
arquitectura muscular.
La arquitectura del músculo esquelético
se define como "el arreglo de las fibras
musculares con respecto al eje de la
generación de fuerza". Mientras que las fibras
musculares entre músculos de diferentes
tamaños tienen un diámetro relativamente
uniforme , el arreglo de esas fibras puede ser
diferente (Lieber, 1992).
Determinación
experimental
de
arquitectura del músculo esquelético.
la
El pionero de los estudios de la
arquitectura muscular fue el anatomista Carl
Gans (1982). Gans y sus colegas desarrollaron
métodos para la determinación de la
arquitectura del músculo basándose en la
microdisección de músculos completos. Los
músculos se fijaron químicamente para
mantener su integridad durante la disección.
Los músculos fueron fijados en su posición
unida al esqueleto para conservar su longitud
fisiológica. Después de la fijación, se
desprendieron los músculos del esqueleto, se
determinó la masa, y se midieron el ángulo de
plumación y la longitud de los músculos.
El ángulo de plumación se determina
a partir del ángulo de plumación promedio de
las fibras superficiales del músculo. En las
mediciones de la longitud muscular, es
importante notar que la longitud muscular se
define como la distancia que hay desde el
origen de las fibras más proximales hasta la
inserción de las fibras más dístales. Como se
mencionó previamente, la longitud de las
fibras musculares nunca es la misma que la del
músculo completo. La longitud de las fibras
musculares puede ser determinada en tejidos
fijados, sólo por la microdisección de las
fibras individuales. En general, al menos que los
investigadores sean explícitos, cuando se
refieren a la longitud de las fibras musculares,
se están refiriendo a la longitud del fascículo de
fibras musculares (Lieber, 1992). Es difícil
aislar fibras intactas, las cuales corren desde el
origen hasta la inserción, especialmente en los
tejidos de mamífero (Sacks y Roy, 1982).
El paso experimental final para realizar
el análisis estructural es determinar la longitud
sarcomérica dentro de un fascículo aislado.
Esto es necesario con el fin de compensar las
diferencias en las longitudes musculares que
ocurre durante la fijación. En otras palabras,
si nosotros concluimos que un músculo es
"largo" debemos estar seguro que es
verdaderamente "largo" y que no fue fijado en
una posición en la que los sarcómeros están
estirados. Por otro lado, en las mediciones de
los músculos que son "cortos" debemos estar
seguros que no fueron fijados en longitudes
sarcoméricas cortas. Para permitir tales
conclusiones las mediciones de la arquitectura
son siempre normalizadas o "ajustadas" a una
longitud sarcomérica constante.
Habiendo obtenido la masa muscular, la
longitud de las fibras, la longitud sarcomérica,
la longitud muscular y el ángulo de plumación,
pueden ser calculados un gran número de
parámetros que resumen la arquitectura
muscular. Esos parámetros tienen una
relación directa con las propiedades
contráctiles del músculo completo.
Áreapes yo comen fisiológica de corte
transversal.
Después de medir los parámetros
típicos de la arquitectura muscular, se puede
calcular el área fisiológica de corte transversal
(PCSA). Este valor casi nunca es el área de
corte transversal del músculo en cualquiera de
los planos anatómicos tradicionales, medida
con métodos convencionales. Teóricamente, la
PCSA representa la suma de las áreas de
corte transversal de todas las fibras
musculares contenidas en un músculo. Se
puede calcular usando la ecuación propuesta
por Gans y verificada experimentalmente por
Roland Roy y Reggie Edgerton (Lieber,
1992):
Masa Muscular (g) • cos θ
PCSA (cm )= ________________________
ρ (g/cm3) - long. de la fibra (cm)
2
En la ecuación, p representa la densidad
muscular (1.056 g/cm3 para los músculos de
mamífero) y 0 representa el ángulo de
plumación de la superficie.
Si separamos la ecuación en dos
componentes, la razón de ser de esta
expresión se vuelve clara. Primero, la masa
muscular dividida entre la densidad es igual
al volumen muscular:
Masa Muscular (g)
3
Volumen (cm ) _ ___________________
ρ (g/cm3)
Si el músculo fuera de forma cilíndrica;
dividiendo el volumen entre la longitud
(longitud de la fibra) se podría representar el
área de corte transversal de un cilindro:
Volumen (cm3)
CSA (cm2) = ____________________
long. de la fibra (cm)
Puesto que, en el ejemplo, la longitud de la
fibra no es igual a la longitud de un cilindro, el
área no es una área real; más bien, es una área
teórica que podría ser ocupada por un cilindro
con una longitud igual a la de las fibras.
Ahora, puesto que las fibras pueden estar
orientadas en algún ángulo con relación al eje
de la generación de fuerza, deberá ser incluido
el término del coseno:
PCSA (cm2) = CSA (cm2) - cos θ
A causa de que este concepto será útil en la
siguiente etapa, considere la situación mostrada
en la figura 25 (panel superior).
Supongamos que una fibra muscular
jala con F unidades de fuerza en un ángulo 0
relativo al eje de generación de la fuerza. Una
cierta cantidad de la fuerza de la fibra no sería
transmitida a lo largo del eje. Sólo un
componente de la fuerza de la fibra muscular
podría ser transmitida realmente a lo largo del
eje del músculo. En el triángulo de la figura 25
se puede ver que el componente de la
fuerza muscular transmitida sería F-cos ,
puesto que:
F´
cosθ = ________________
F
donde F es igual a la fuerza generada por la
fibra muscular y F sería igual a la fuerza
transmitida en el eje longitudinal del
músculo, y siempre sería menor que F puesto
que coso siempre es menor que 1. En otra
palabras, la plumación por sí misma resulta en
un pérdida de fuerza muscular en relación a un
músculo con la misma masa y longitud fibrilar
pero con cero ángulo de plumación. ¿Porqué el
sistema está diseñado de este modo, de tal
forma que se pierda la fuerza? Considere la
alternativa. Si el ángulo de plumación fuera
cero, el tamaño absoluto del músculo podría
impedir su colocación en muchas partes del
cuerpo debido al gran número de fibras que
podrían tener un PCSA igual a un CSA
anatómico. Así, parece que la plumación es
una estrategia de ahorro de espacio aún cuando
esto tiene un costo en la generación de fuerza.
El ángulo de plumación no parece tener una
influencia desventajosa sobre el PCSA a
pesar de este argumento. Esto es porque,
como ya se
conoce, el coseno de 0° es 1 y el coseno de
30° (que puede ser un gran ángulo de
plumación y se encuentra raramente) es 0.87 lo
que representa sólo una pérdida de fuerza
del 13%, pero un incremento en la habilidad de
empaquetar fibras. (Lieber, 1992).
Los músculos delgados largos
divididos en compartimientos.
están
Se ha establecido que las fibras en los
largos músculos delgados corren desde un
extremo del músculo hasta el otro, y
verdaderamente los números dados en la tabla
No. 1 están basados sobre esta premisa. Bajo
el microscopio, sin embargo, los músculos
voluminosos se observan divididos en
compartimientos por una o más bandas
fibrosas transversales,-, el sartorio tiene cuatro
de tales componentes, el semitendinoso tiene
tres, y el bíceps femoral y gracilis tienen dos
cada uno. A causa de esos compartimientos,
las fibras musculares más largas son de
aproximadamente 12 cm, lo cual corresponde
a 5.5x104 sarcómeros. Cada compartimiento
podría tener su propio aporte nervioso, y a
menudo fibras nerviosas individuales inervan a
las fibras musculares en compartimientos
adyacentes. Para asegurar que ocurra la
contracción sincronizada a lo largo del
músculo, la enervación compartimentalizada
hace posible que el músculo voluminoso se
acorte rápidamente. Podría ser también que
los compartimientos permitieran una mejor
distribución efectiva de factores neurotróficos
desde la motoneurona a las fibras musculares
(McComas, 1996).
Alineación de los sarcómeros en una fibra
muscular.
El acomodo de las fibras musculares
varia en relación al eje longitudinal del
músculo (este eje se determina trazando una
línea imaginaria a lo largo del origen e
inserción del músculo, o relacionando el
ángulo de la fibra con respecto al eje en el cual
se genera la fuerza). Esta diferencia en la
alineación de los sarcómeros juega un
importante papel en la capacidad total del
músculo para generar fuerza (McArdle, et al.
1996).
Los tipos de arreglos son tan
numerosos como los propios músculos, pero
por conveniencia podemos discutir tres tipos de
arquitectura. Los músculos con fibras que se
extienden paralelamente al eje longitudinal en el
cual se genera la fuerza del músculo (por
ejemplo el bíceps braquial) son denominados
músculos con arreglo paralelo ó longitudinal,
también son llamados músculos fusiformes o
en forma de huso, porque ellos se adelgazan
en la unión tendinosa (Fig. 25 abajo, izquierda).
Las fibras que se proyectan paralelamente al eje
nunca abarcan la longitud completa del
músculo. En contraste, en algunos de los
músculos más largos, las fibras están insertadas
oblicuamente en el tendón y, a causa de su
semejanza con una pluma, este arreglo es
denominado plumación. Un músculo puede
ser plumado o en forma de abanico porque
los fascículos (paquetes de fibras) se dirigen
en un ángulo de plumación, el ángulo entre la
fibra y el eje varía desde 0° a 30° (Lieber,
1992). En el músculo soleo, por ejemplo el
ángulo
de
plumación
es
de
aproximadamente 25°, mientras que en el
vasto medial, el ángulo de plumación es de 5°,
y no existe ángulo de plumación para el
músculo sartorio (McArdle, et al. 1996). A los
músculos con fibras que están orientadas en
un sólo ángulo con relación al eje de
generación de fuerza, se les denomina
músculos uniplumados (Fig. 25 abajo). Es
obvio que cuando se preparan disecciones
musculares la mayoría de los músculos cae
dentro de la categoría más general, los
músculos multiplumados -que son músculos
compuestos de fibras que están orientadas en
varios ángulos con respecto al eje de
generación de fuerza (Fig. 25 abajo, derecha).
La arquitectura muscular es crítica para el
entendimiento de las propiedades funcionales de
los músculos con diferente tamaño (Lieber, 1992).
Las fibras en un músculo fusiforme están
orientadas paralelamente al eje longitudinal del
músculo. Este arreglo facilita una velocidad rápida
de acortamiento muscular. Un arreglo de fibras
uniplumadas, en el cual las fibras musculares están
en ángulo oblicuo con respecto al tendón, generan
una área de corte transversal efectiva mayor
que la de los músculos fusiformes. También,
los músculos con mayor plumación, aunque
lentos en la velocidad contráctil, son capaces
de producir mayor fuerza en comparación de
los músculos fusiformes (otros piensan que es
igual) a causa del mayor número de sarcómeros
que contribuyen a la contracción muscular. Un
músculo biplumado tiene dos grupos de
fibras, que se localizan oblicuamente sobre
ambos lados de un tendón común (por
ejemplo, los músculos gastrocnemio y el recto
femoral), mientras que un músculo multiplumado
tiene más de dos grupos de fibras que
convergen en diferentes ángulos sobre un tendón
común (por ejemplo el deltoides). Las fibras de un
músculo plumado son generalmente más cortas
que la de los músculos fusiformes, pero poseen
un mayor número de fibras individuales. A causa
de sus cortas longitudes individuales, los
músculos plumados no son capaces de
producir un rango amplio de movimientos como
lo hacen los músculos fusiformes (McArdle, et al.
1996).
La plumación produce más fuerza.
Es notable cómo el grado de plumación
afecta directamente la cantidad de sarcómeros que
están presentes por área de corte transversal en
una fibra particular. En una fibra fusiforme (sin
plumación), el área de
corte transversal de la fibra representa la
sección transversal anatómica verdadera
(McArdle, et al. 1996), ya que en la mayoría de
los músculos del humano, las fibras en este
tipo de músculos se localizan en un eje
longitudinal. En un músculo plumado, por
otra parte, el área de corte transversal es
mayor porque incluye más sarcómeros dentro
de un volumen muscular dado. El término
área fisiológica de corte transversal (PCSA) se
refiere a la suma de las áreas de corte
transversal de todas las fibras dentro de un
músculo particular. En un ángulo inusual de
plumación tan grande como 30°, existiría
sólo una pérdida del 13% de la capacidad
de fuerza en una fibra individual, pero
aumentaría la habilidad de empaquetamiento
total de la fibra (Lieber, 1992). Así, la
plumación per se permite empacar un gran
número de fibras dentro de una pequeña área
de corte transversal.
Las fibras musculares en un músculo
plumado son obviamente más cortas que las de
los fusiformes voluminosos y, como ellos tiran
del tendón en ángulo, no toda su fuerza
alcanza el tendón; es el coseno del ángulo de
inserción dentro del tendón lo que determina
la fracción de la fuerza transmitida. La ventaja
de la plumación es que el área de sección
transversal efectiva del músculo se incrementa,
puesto que así existen muchas más fibras
musculares que en uno fusiforme del mismo
tamaño. La fuerza desarrollada por el
músculo, la cual depende del área de
sección transversal del conjunto de fibras, está
aumentada
proporcionalmente.
Una
consecuencia menos obvia de la plumación es
que la distancia movida por un tendón central
durante la contracción es realmente mayor
que la cantidad de acortamiento de las fibras
musculares. Este efecto puede ser también
una ventaja, con esto se permite a las fibras
musculares funcionar sobre la parte óptima de
sus curvas tensión-longitud (McComas 1996).
Longitud de la fibras en proporción a la
longitud del músculo.
La proporción de la longitud de
una fibra individual con respecto a la longitud
total del músculo generalmente varía entre 0.2
y 0.6. Esto indica que en los músculos más
largos (por ejemplo, los músculos de los
miembros superiores e inferiores), las fibras
individuales son aún más cortas que la
longitud total del músculo (Lieber, 1992).
Esto se ilustra en la figura 26 para cuatro
músculos del miembro inferior. Sobre
promedios, los músculos cuadriceps tienen
ángulos de plumación de 4.6°, PCSAs de
aproximadamente 21.7 cm2, y longitud de las
fibras de 68 mm. Esto contrasta con los
valores promedio del músculo bíceps
femoral, el cual tiene fibras relativamente
largas (111 mm) y PCSAs intermedios (1.7
cm 2). En términos de generación de fuerza,
los
músculos
cuadriceps
tienen
aproximadamente
50% más capacidad que el bíceps femoral, el
cual está diseñado para una rápida velocidad de
acortamiento. Esto sugiere que el bíceps
femoral puede ser susceptible de rasgarse si
existe un desbalance rápido entre la fuerza
ejercida por el cuadriceps y por el bíceps
femoral, como cuando se corre velozmente
hacia adelante (McArdle, et al. 1996).
La curva muscular fuerza-longitud para
un músculo fusiforme muestra que éste tiene
un mayor rango de trabajo y el más bajo
esfuerzo máximo debido a sus largas fibras
individuales y a sus pequeños PCSAs. Lo
opuesto ocurre para un músculo plumado, de
fibras más cortas y grandes PCSAs. En este
caso, la capacidad de fuerza ejercida es cerca
de dos veces mayor. Para la curva muscular
fuerza-velocidad, el músculo fusiforme con
fibras más largas puede tener una elevada
velocidad contráctil pero muy baja fuerza
máxima (McArdle, et al. 1996).
Figura 26.- Propiedades de la arquitectura muscular en el miembro inferior. En la parte superior de la figura se observa
diferentes grupos de músculos; los músculos con fibras cortas están diseñados para una elevada producción de fuerza debido a
su baja proporción de longitud de la fibra (FL)-longitud muscular (ML) y a su relativamente gran área de corte transversal. Los
músculos con fibras largas, por otro lado, están diseñados para una elevada fuerza contráctil a causa de proporción relativamente
elevada de longitud de la fibra-longitud muscular. En la parte inferior se muestran dos músculos hipotéticos, el plumado (de fibras
cortas) y el fusiforme (de fibras largas) de la misma longitud y misma cantidad de maquinaria contráctil. Las curvas musculares
fuerza-longitud (A) muestran que los músculos fusiformes tienen un rango de trabajo mayor y una menor generación de fuerza
máxima comparada con el grupo de músculos plumados. Esto es debido a lo siguiente: para un cambio dado en la longitud
muscular los sarcómeros individuales se alargan menos con un cambio de longitud muscular a ser distribuida sobre más
sarcómeros. La mayor generación de fuerza se debe a su mayor área fisiológica de corte transversal (PCSA) (se observa en el
inserto de la parte inferior, lado izquierdo). La curva muscular fuerza -velocidad (B) muestra que los músculos fusiformes con
fibras más largas (inserto de la parte inferior, derecha) tienen una alta velocidad contráctil pero una menor generación de fuerza
máxima. Tomado de: McArdle el al.: Exercise Physiology. 4th. ed.: Williams & Wilkins; 1996. p. 322.
XIII.- DESARROLLO DEL MUSCULO Y FIBRAS MUSCULARES.
Proyección axónica -el nervio se reúne con el
músculo -.
Miogénesis -nacimiento de la fibra muscular -.
Sinaptogénesis -el nacimiento de la unión
neuromuscular -.
Eliminación sinóptica - el toque final -.
Desarrollo de tipos de fibras musculares específicas.
Células satélite: reservas para la reparación en la
lesión de las fibras musculares.
XIII.- DESARROLLO DEL MUSCULO Y
FIBRAS MUSCULARES.
El desarrollo del músculo ha sido dividido en
cuatro fases, algunas de las cuales ocurren
simultáneamente. Los cuatro procesos son (a)
proyección axónica (el proceso por el cual los
axones se desplazan en la periferia hasta llegar a
los músculos), (b) miogénesis (formación de
células musculares), (c)
sinaptogénesis
(formación de uniones neuromusculares entre
el nervio motor y la fibra muscular), y (d)
eliminación sináptica (el proceso que elimina las
conexiones musculares "extra"). Los estudios
de cada paso en el proceso de desarrollo
han usado varios modelos experimentales.
Entre los que se incluyen preparaciones de
cultivo de células in vitro (para estudiar la
diferenciación de células musculares) y
denervación y reinervación de músculos
maduros (para estudiar las interacciones
nervio-músculo). Tomados juntos, esos
estudios proporcionan una base sobre la cual
se apoya el entendimiento del desarrollo
muscular (Lieber, 1992).
completamente de los nervios espinales
apropiados. Esta proyección neural ocurre
antes de que cualquier masa muscular
primitiva contenga fibras musculares. Así la
especificidad comienza desde que los nervios
crecen y se alejan del cuerno ventral de la
médula espinal. El nervio lleva a cabo esta
proyección virtualmente sin ningún error;
todos los nervios encuentran los músculos
correctos.
En un experimento realizado por
Landmesser y colaboradores enfatizaron la
interacción entre el músculo y el nervio
(Lance-Jones
y
Landmesser,
1978).
Quirúrgicamente cambiaron la localización
topográfica de dos masas musculares antes de
la proyección para ver si los axones podrían
simplemente inervar cualquiera de las masas, o,
si en lugar de eso, podría alcanzar la masa
muscular correcta. En efecto, los axones en
crecimiento se desviaron e inervaron los
músculos correctos. Algunas señales existen
entre los nervios y músculos, las ideas más
comunes sugieren que algo de la especificidad
resulta de la dirección de los axones en
respuesta
a
moléculas
extracelulares
específicas.
Proyección axónica -el nervio se reúne con
el músculo -.
Es importante establecer desde el
principio que las conexiones entre los
músculos y los nervios son bastante
específicas. Los nervios motores que salen de
la raíz ventral (anterior) de la médula espinal
son procesos largos que se extienden desde
los cuerpos celulares de las motoneurona
localizadas a lo largo de la columna motora
lateral del cuerno ventral.
La información más detallada con
respecto a la proyección axónica se ha
obtenido de los estudios realizados en el
miembro posterior de pollo. Landmesser et al.
(1980) demostraron que muy temprano en el
desarrollo, los nervios que se proyectan en las
masas musculares están compuestas casi
Miogénesis
muscular -.
-nacimiento
de
la
fibra
El músculo esquelético proviene de los
somitos del embrión (los somitos son las
masas de tejido muscular primordial que están
presentes a intervalos a lo largo de la longitud
del embrión). Conforme ocurre el desarrollo
dentro de los somitos, aparecen las células
mononucleadas individuales precursoras de las
fibras musculares (Fig. 27), los mioblastos.
Estos son un tipo celular primitivo, muy
semejante a los fibroblastos más genéricos.
Uno de los primeros pasos en la miogénesis es
la agregación de los mioblastos en grupos.
Grupos de mioblastos comienzan a fusionarse
para formar pequeñas
células multinucleadas conocidas como
miotubos, que miden cerca de 100 a 300 µm
de longitud. El incremento en longitud ocurre
por fusión de más mioblastos sobre los
extremos del miotubo. Los primeros miotubos
formados son conocidos como miotubos
primarios. Los miotubos primarios, junto con
algunas células asociadas menos diferenciadas,
se separan en grupos que están rodeados por
una cubierta conocida como membrana
basal o lámina basal. En este momento, más
mioblastos comienzan a agregarse por debajo
de la lámina basal de miotubos primarios,
utilizando a éstos como un andamio estructural.
Esos mioblastos subsecuentes también se
fusionan en miotubos, conocidos como
miotubos secundarios. Ahora los grupos de
células están compuestos en su mayoría de los
miotubos
primarios,
sus
miotubos
secundarios asociados y de mioblastos no
fusionados conocidos como células satélite.
Avanzando en el desarrollo, los miotubos
primarios comienzan a verse más parecidos a
una fibra muscular madura, el núcleo ha sido
desplazado desde el centro de la fibra a la
periferia, como consecuencia del "llenado"
progresivo de la fibra con las proteínas
contráctiles. Si una fibra muscular es teñida en
esta etapa con colorantes para la proteína
contráctil miosina (la proteína más abundante
del músculo), la fibra se asemeja en forma, a
una dona puesto que las proteínas cóntráctiles
primero llenan la periferia, dejando la zona
central desprovista de proteínas contráctiles.
Los miotubos secundarios también comienzan
a madurar como fibras en esta etapa, así que
las células satélite y los miotubos primarios y
secundarios están contenidos dentro de una
sola membrana basal. En esta etapa, el nervio
motor está listo para formar la unión
neuromuscular (Lieber, 1992).
Sinaptogénesis -el nacimiento de la unión
neuromuscular -.
La unión neuromuscular (o placa
motora terminal) es una sinápsis cuyo
neurotransmisor químico es la acetilcolina
(ACh) que se usa para llevar la información
desde el nervio hasta el músculo a través de la
hendidura sináptica. La unión neuromuscular
(UNM) es un ejemplo de una sinápsis
colinérgica. En las etapas tempranas del
desarrollo, los receptores de ACh se localizan
difusamente en toda la fibra muscular. Los
receptores son proteínas integrales específicas
de la membrana celular (sarcolema). Cuando el
nervio contacta con la fibra muscular, los
receptores de ACh comienzan a agruparse
alrededor del sitio del contacto nervioso y son
"entrampadas" por el nervio. El mecanismo
del proceso de entrampe no es conocido, pero
dos interesantes observaciones se han hecho
que podrían poner en claro tal mecanismo.
Primero, Poo Mu-Ming demostró que los
receptores de ACh migran en un modo
específico cuando se exponen a campos
eléctricos externos (Poo,
1982). El
investigador sugiere que por sí mismo el
proceso de excitación nervioso, el cual genera
pequeños campos eléctricos en la placa
terminal (el llamado potencial de placa
terminal), podría "atraer" y entrampar los
receptores de ACh en una manera de
retroalimentación positiva: conforme los
receptores de ACh son atrapados, son
generados potenciales de placa terminal más
grandes,
entrampando
más receptores,
originando potenciales de placa terminal más
grandes, etc. Otra interesante observación fue
que, en seguida del contacto nervio-músculo,
los núcleos por debajo del receptor de ACh
(se recuerda que las células musculares son
multinucleadas y, por lo tanto, tienen cientos de
núcleos a lo largo de su total longitud)
comienzan a dirigir la síntesis de RNAm del
receptor de ACh. El efecto completo del
contacto nervioso con la fibra, por lo tanto,
quizás por esos dos mecanismos es disminuir el
número de receptores que no están en la
UNM e incrementar el número de receptores
de ACh en la UNM.
En el sistema neuromuscular maduro, la
denervación da como resultado la inversión de
ese proceso -un incremento de receptores de
ACh lejos de la UNM-. Es interesante que el
aumento de los receptores en estas
condiciones experimentales, puede ser evitado
por la estimulación eléctrica directa de las
fibras musculares (Lieber, 1992).
Después de que se forma la UNM, la
fibra muscular pierde su receptividad para la
formación de UNM en otros sitios. Así,
siempre y cuando un músculo esté
normalmente inervado, éste ya no será
receptivo para que otros axones lo inerven.
La actividad de la fibra muscular por sí misma
parece ser un factor crucial en esta pérdida de
receptividad, porque si un músculo que está
inervado normalmente es paralizado por
medios químicos, una sinápsis ectópica
(sinápsis en lugares distintos al de la UNM) se
forma fácilmente (Bennett, 1983).
Después de la formación inicial de la
UNM, varias motoneuronas forman sinápsis en
ese punto. El número real de motoneuronas por
sinápsis varía desde dos a seis, dependiendo del
músculo, y comienza a decaer justo después
del nacimiento, de tal manera que en la
madurez todas las fibras de mamífero tienen
sólo una motoneurona por
fibra muscular. Esta disminución es muy
específica y se acompaña por el proceso de
eliminación sináptica (Jansen y Fladby, 1990).
Eliminación sinóptica - el toque final -.
La razón por la cual las fibras
musculares están hiperinervadas inicialmente no
está clara. Lo primero que se pensó fue que
la hiperinervación seguida de eliminación
sináptica funcionaba como un mecanismo para
corregir los errores que ocurrían durante la
proyección axónica. Sin embargo, ya vimos
que la proyección axónica es un proceso bien
definido en el cual se realizan pocas
equivocaciones. (Se conoce que la eliminación
sináptica ocurre en otras partes del SNC para
corregir "errores de cableado", y esta es una
hipótesis posible). Está claro, que existe la
competencia entre las neuronas hiperinervantes,
porque cuando quirúrgicamente se remueven
motoneuronas que compiten por un músculo
particular, las motoneuronas que permanecen
inervan un mayor número de fibras de las
usuales. Sin embargo, esas motoneuronas
sobrevivientes no inervan simplemente todas
las fibras disponibles. Existen algunos otros
factores (quizás la capacidad metabólica de la
célula) que limita la proporción de la
inervación final (número
de
fibras
musculares por axón) (Lieber, 1992).
Además de los cambios internos
programados que están fijados para ocurrir
durante el desarrollo, está claro que las
señales del medio ambiente también juegan un
papel. Una señal importante del medio ambiente
es la tensión experimentada por el músculo en
fusión y en desarrollo. Vandenburg (1982)
desarrolló
un
método
para
estirar
mecánicamente células musculares cultivadas in
vitro. Encontró que las células sometidas al
estiramiento aumentaron sus velocidades de
síntesis de proteínas, ocasionando un aumento
en el tamaño celular,
y cambiaron su orientación volviéndose
paralelas al eje de estiramiento. No está claro
cómo este evento mecánico fue traducido por
la célula, pero es un hecho que los eventos
mecánicos influyen fuertemente la maquinaria
celular y en su desarrollo (Lieber, 1992).
Desarrollo de tipos de fibras musculares
específicas.
Generalmente,
los
músculos
completos de los mamíferos contienen una
mezcla heterogénea de fibras de contracción
rápida y de contracción lenta. ¿En que
etapa se determina el tipo de fibra? Cual es la
influencia, si es que la hay, del nervio para
determinar el tipo de fibra? Buller et al.
(1960a, 196%) demostraron la influencia de
los nervios motores sobre los tipos de fibras
musculares maduras, volviendo a unir
quirúrgicamente un nervio motor de un
músculo de contracción rápida a un músculo de
contracción lenta y viceversa. Encontraron
que, en seguida de la reinervación cruzada, el
músculo de contracción rápida se volvió lento
y el músculo de contracción lenta se volvió
rápido. Este experimento formó las bases para
la idea de que los nervios influyen en el
destino de las fibras musculares. Sin
embargo, utilizando técnicas de biología
molecular (Miller y Stockdale, 1986, 1987) se
demostró que aún en la etapa de mioblasto,
éstos ya existen como tipos diferentes. En
músculos de ave, utilizando técnicas
histoquímicas e inmunohistoquímicas para
tipificar fibras, Stockdale demostró que aún
los miotubos primarios y secundarios
existen como tipos "rápidos" y "lentos". El
mostró que los mioblastos existen en tres
tipos clonales distintos. Aislando un sólo tipo
de mioblasto y permitiendo su proliferación
para que formara miotubos, confirmó que los
miotubos resultantes fueron todos de un solo
tipo. La inervación no fue necesaria en esta
preparación de ave para que surgieran las tres
poblaciones de mioblastos de origen
embrionario, proliferaran y formaran distintas
poblaciones de miotubos, aunque para la
diferenciación completa se requiere la
inervación. Esto sugiere que durante el
desarrollo, el nervio que llega encuentra ya una
población de fibras musculares heterogénea.
Puesto que conocemos que en
mamíferos maduros todas las fibras dentro de
una unidad motora son de un tipo particular,
los axones podrían hacer cualquiera de los
siguientes procesos, inicialmente inervar las
fibras correctas, inervar el tipo de fibra
muscular incorrecto y entonces cambiar el
tipo de fibra, o inervar al azar y entonces
utilizar la eliminación de sinápsis para corregir
las conexiones defectuosas. De nuevo, parece
que la inervación inicial es regularmente
específica (Lieber, 1992).
Thompson et al. (1984) probaron
experimentalmente esta cuestión. Se investigó
la composición de tipos de fibras de las
unidades motoras de soleo de ratas en
desarrollo en dos diferentes edades postnatales
8 y 16 días. A los 8 días después del
nacimiento, todas las fibras del soleo de rata
están inervadas por al menos dos
motoneuronas_ En los siguientes 8 días,
ocurrió la eliminación sinóptica dando por
resultado la inervación individual para cada
fibra. Si la inervación inicial de la fibra ha
ocurrido de manera azarosa, Thompson
esperaría
que
las
fibras
musculares
perteneciendo a una sola unidad motora de 8
días podrían ser 50% fibras rápidas y 50%
fibras lentas, puesto que un número igual de
fibras rápidas y lentas estuvieron presentes en
este momento. Entonces, seguiría la eliminación
sináptica, las unidades motoras podrían volverse
predominantemente rápidas o lentas cuando las
conexiones "incorrectas" fueron suprimidas.
Sin embargo, este no fue el caso. Thompson et
al. encontraron que la composición del tipo
de fibra de las unidades motoras en ambas
edades fue de un solo tipo. De hecho, aunque
la proporción de inervación bajó desde cerca de
250-100 durante el periodo de la eliminación
sináptica, la preponderancia de un tipo de fibra
particular en una unidad motora dada no
cambió. Esto implica inervación inicial selectiva
de las fibras musculares por axones específicos.
El mecanismo preciso para tal proceso no es
aún claro, y muchos detalles de la
especificidad neuromuscular esperan los
resultados de estudios futuros.
Células satélite: reservas para la reparación
en la lesión de las fibras musculares.
Un
componente
escaso
pero
relativamente importante observado en las células
musculares esqueléticas son las células satélites.
Esas pequeñas células (Fig. 28) están localizadas
por debajo de la lámina basa¡ de la fibra
muscular y tienen aproximadamente el mismo
tamaño del núcleo de una célula muscular.
Mientras que las células satélite no desempeñan
un rol conocido en la función celular normal,
sí tienen un papel central en la recuperación de
las fibras musculares dañadas. Las células satélite
tienen la habilidad para diferenciarse en
mioblastos
y
formar
nuevas
fibras
musculares, tal habilidad es importante en la
formación de nuevas fibras musculares una vez
que ocurre una lesión muscular (Lieber, 1992).
XIV.- TIPOS DE FIBRAS MUSCULARES.
Estructura y propiedades de los tipos de fibras
musculares.
Fibras de sacudida rápida (Tipo II).
Fibras de sacudida lenta (Tipo l).
PROPIEDADES FISIOLOGICAS DE LOS TIPOS DE
MUSCULARES.
Velocidad máxima de contracción de diferentes tipos
de fibras musculares.
Tensión máxima generada por diferentes tipos de
fibras musculares.
Tolerancia de diferentes tipos de fibras musculares
al ejercicio prolongado.
FIBRAS
PROPIEDADES MORFOLOGICAS DE DIFERENTES TIPOS DE
FIBRAS MUSCULARES.
Diferencias en las proteínas contráctiles entre los
tipos de fibras.
Diferencias metabólicas entre tipos de fibras.
Diferencias membranales entre tipos de fibras.
Otras diferencias estructurales entre tipos de fibras.
TRANSFORMACION DE LAS FIBRAS MUSCULARES
EXPERIMENTALMENTE E INDUCIDA POR ENTRENAMIENTO.
Diferencias entre grupos de atletas.
Puede cambiar el tipo de fibra muscular en el
humano?
Las adaptaciones metabólicas son reales y
significativas.
XIV.TIPOS
MUSCULARES.
DE
FIBRAS
El movimiento es organizado en el sistema
nervioso central (SNC) y el resultado de todo
el proceso dentro del SNC es enviado a los
músculos esqueléticos por vía de las
motoneuronas. Cada motoneurona inerva a un
cierto número de fibras musculares, las cuales,
juntas, forman una unidad motora. Los
primeros experimentos de la fisiología de
unidades motoras revelaron que las unidades
motoras desarrollan tensión elevada, baja o
intermedia en respuesta a un estímulo
eléctrico. Además, las unidades motoras con
baja capacidad de fuerza mostraron lentos
tiempos de acortamiento, pero fueron
resistentes a la fatiga; mientras aquellas con
elevada capacidad de fuerza, se acortaron
rápidamente pero fueron propensas a la fatiga
temprana. Las características para las tres
categorías de unidades motoras se ilustran en
la figura 29. De acuerdo con estudios de
inervación cruzada, la función de una
motoneurona a en gran medida determina el
tamaño, tiempo de contracción, resistencia a la
fatiga y la actividad enzimática de las fibras
musculares que inerva (Romanul y Van der
Meulen, 1967), tomando en cuenta lo anterior
es posible clasificar las fibras musculares.
El músculo esquelético no es un
simple grupo homogéneo de fibras con
propiedades contráctiles y metabólicas
similares. Aunque ha existido una considerable
discusión acerca del método, terminología y
criterio para clasificar las fibras musculares, se
han identificado y clasificado dos tipos de
fibras con base a sus características
metabólicas y contráctiles (Armstrong, 1988),
las fibras de sacudida rápida y las fibras de
sacudida lenta.
Estructura y propiedades de los tipos de
fibras musculares.
Una técnica común para establecer el
tipo específico de fibra se basa en la
sensibilidad diferencial a los cambios de pH de
la enzima miosina ATPasa (una medida del
fenotipo de la miosina) en los tipos de fibras
(Klug y Tibbits, 1988; Pette y Staron, 1990;
Kraus, et al. 1994). Se ha propuesto que, tanto
las dos cadenas pesadas (Wagner, 1981,
Edman, et al. 1988) y las cuatro cadenas
ligeras (Zaager y Burke, 1988) contribuyen a la
actividad enzimática. Son las diferentes
características de esta enzima las que
determinan en gran medida la velocidad del
acortamiento del sarcómero.
Estudios de músculos completos y de
fibras musculares solas (Edman, et al. 1988)
han mostrado que la velocidad del acortamiento
muscular es proporcional a la actividad
ATPasa de la miosina. Las fibras musculares
con diferentes propiedades contráctiles
contienen diferentes isoenzimas de miosina
debido a la variabilidad en la composición de
las cadenas pesadas y ligeras. Las fibras
musculares pueden ser identificadas como
fibras tipo I, IIa, IIb y He sobre las bases de la
tinción histoquímica de la ATPasa (Brooke y
Kaiser, 1970, 1974). La separación está en
función de la diferente labilidad en álcalis o
ácidos de las cadenas ligeras de miosina. La
tinción de la ATPasa permite así monitorear
indirectamente los cambios en las propiedades
moleculares del aparato contráctil. La actividad
de la miosina ATPasa específica de las fibras de
sacudida rápida es inactivada con un pH ácido
pero es
regularmente estable en un rango de pH
alcalino; la presencia de la enzima tiñe de
oscuro las fibras. En las fibras se sacudida
lenta, la actividad de su miosina ATPasa
específica se mantiene alta en un pH ácido
pero es inactivada en medio alcalino (McArdle,
el al. 1996).
Las diferentes propiedades fisiológicas
y bioquímicas de los tipos de fibras clasificadas
histoquímicamente pueden ser resumidas como
sigue:
Fibras de sacudida rápida (Tipo II).
Las fibras musculares de sacudida
rápida (tipo II) están inervadas por
motoneuronas que pueden disparar a altas
frecuencias y tienen rápidas velocidades de
conducción, desarrollan tensión rápidamente
pero pueden mantenerla sólo por cortos
periodos de tiempo. Además poseen un rápido
nivel de liberación de Ca++ y de almacenamiento
del mismo debido a su retículo sarcoplásmico
altamente desarrollado y una alta velocidad
de rotación de los puentes cruzados
originada en la actividad de ATPasa de la
miosina. Estas actividades se conjugan para
la ejecución de acciones potentes y rápidas.
El desarrollo de tensión y la velocidad de
acortamiento intrínseco de las fibras de
sacudida rápida, es tres a cinco veces más
rápida que la de las fibras clasificadas como
de sacudida lenta (Kovanen, 1989; McArdle,
el al. 1996).
Las fibras tipo II tienen una elevada
actividad ATPasa miofibrilar pero se pueden
reconocer dos subclases de acuerdo a la ruta
metabólica de energía predominante. Las
fibras tipo Ha son consideradas intermedias, en
las que su rápida velocidad de acortamiento se
combina con una moderada capacidad bien
desarrollada de los dos modos de transferencia
de energía, aerobio (alto nivel de la enzima
aeróbica succinil deshidrogenasa o SDH) y
anaeróbico (alto nivel de la enzima
anaeróbica fosfofructoquinasa o PFK). Estas
son las fibras glucolíticas oxidativas rápidas o
FOG. La otra subdivisión incluye a las fibras
del tipo IIb, que poseen el mayor potencial
anaeróbico y son las verdaderas fibras
glucolíticas rápidas o FG. Las fibras tipo IIc
son fibras con propiedades intermedias que
pueden estar implicadas en la reinervación o en
la transformación de la unidad motora
(Komi y Karlsson, 1978). Estas fibras son
reclutadas en corto tiempo en actividades que
requieren velocidad, como también para otras
actividades musculares enérgicas que dependen
casi completamente de el metabolismo
anaeróbico para la obtención de energía. La
activación de las fibras rápidas es importante
en los deportes como el basketbol, fútbol
soccer y hockey, en los cuales se requieren
acciones de cambio de paso y variaciones
rápidas de avanzar y parar. Esas actividades en
ocasiones requieren aporte rápido de energía
que solamente es proporcionado por la ruta
metabólica anaerobia (McArdle, el al. 1996).
Fibras de sacudida lenta (Tipo I).
A diferencia de las fibras de sacudida
rápida, las fibras musculares de sacudida lenta
(tipo I) están inervadas por motoneuronas que
disparan a bajas frecuencias y tienen una
velocidad de conducción más lenta. Pueden
generar tensión por largos periodos de
tiempo. Se distinguen por tener una baja
actividad específica de la ATPasa de la
miosina y están adaptadas para la producción
aerobia de energía por medio de la actividad de
las enzimas oxidativas, (Kovanen, 1989)
además tienen una menor habilidad para
"manejar" el Ca++ y la velocidad de
acortamiento, y una capacidad glucolítica
menos desarrollada que la de las fibras
rápidas.
Las fibras lentas también contienen,
relativamente, mitocondrias más grandes y
numerosas, es esta concentración de
mitocondrias (junto con los citocromos que
contienen hierro) combinada con los altos
niveles de mioglobina lo que da a las fibras
lentas su pigmentación roja. Aunado a esta
desarrollada
maquinaria
metabólica
se
encuentra una alta concentración de enzimas
mitocondriales que se necesitan para mantener
el metabolismo aeróbico (Gollnick, 1973; Essen,
et al. 1975; Jansson y Kaijser, 1977; Faulker,
1979). Así, las fibras lentas son resistentes a la
fatiga y aptas para el ejercicio aeróbico
prolongado. Esas fibras han sido etiquetadas
como fibras SO para describir su lenta
velocidad de acortamiento y su gran
importancia sobre el metabolismo oxidativo. A
diferencia de las fibras rápidas, las cuales se
fatigan fácilmente, las fibras SO (más
precisamente,
unidades
motoras)
están
adaptadas para el trabajo prolongado y son
reclutadas selectivamente en actividades
aeróbicas. Estudios de patrones de depleción
del glucógeno muscular indican que en el
ejercicio prolongado la responsabilidad es casi
exclusiva de las fibras musculares lentas. Aún
después de 12 horas de ejercicio, el limitado
glucógeno que permanece en el músculo se
encuentra principalmente en las fibras rápidas
"no usadas" (Saltin, et al. 1977), Es también
aparente que la capacidad del flujo sanguíneo
a través del músculo está determinado por la
diferencia en la capacidad oxidativa de los dos
tipos de fibras; las fibras lentas reciben la
mayor porción de sangre (Laughlin, et al.
1987; Terjung y Engbretson, 1988).
Muchos investigadores clasifican las
fibras lentas como tipo I, mientras que las
fibras rápidas (y subdivisiones propuestas) son
categorizadas como tipo II. Ambos tipos de
fibras musculares son activadas cuando una
persona ejercita hasta cerca del máximo los
niveles aerobio y anaerobio, como en un
corredor de distancia media, en la natación o en
deportes tales como el basketbol, hockey ó
fútbol soccer, actividades que requieren de
una mezcla de transferencia de energía
aeróbica y anaeróbica (Gollnick, et al. 1983).
Podría también ser enfatizado, sobre las bases
de estudios más recientes con fibras aisladas,
que los diferentes tipos de fibras no están
estrictamente limitados, sino que forman una
continuidad entre los extremos lentos y
rápidos generando un amplio rango de
propiedades fisiológicas y bioquímicas entre
unidades motoras individuales.
PROPIEDADES FISIOLOGICAS DE LOS
TIPOS DE FIBRAS MUSCULARES.
La principal información al respecto
proviene de los experimentos fisiológicos
realizados
en
músculos
compuestos
principalmente por un solo tipo de fibras.
Muchos músculos de animales cumplen este
criterio, mientras que sólo lo hacen muy
pocos músculos en el humano. El problema
con este planteamiento es que se asume
que las propiedades de un músculo son
simplemente la suma de todas las fibras
disponibles en el músculo y que cada fibra
ejerce la misma influencia relativa. También se
asume que, por ejemplo, una fibra SO de un
músculo que contiene varios tipos de fibras
(heterogéneo en composición) es igual a una
fibra SO de un músculo compuesto
completamente de fibras SO (homogéneo en
composición). La siguiente discusión sobre las
propiedades específicas del tipo de fibra se
basa sobre estudios realizados en músculo
completo, ya que técnicamente es difícil llevar
a cabo todas las mediciones fisiológicas en
fibras musculares esqueléticas individuales
intactas de mamífero, debido a la gran
cantidad de tejido conectivo que impide aislar
fibras individuales (Lieber, 1992).
Velocidad máxima de contracción
diferentes tipos de fibras musculares,
de
La relación fuerza-velocidad descrita
previamente proporciona una herramienta para
la caracterización de la "velocidad"
específica del tipo de fibra. El parámetro Vmax
puede ser comparado entre músculos que
tienen diferencias en la composición del tipo
de fibras. Como ya se ha dicho, la arquitectura
muscular tiene una marcada influencia sobre
la velocidad absoluta de contracción, y por
lo tanto, todas las velocidades medidas
experimentalmente deberían ser expresadas en
términos de velocidad normalizada, como
puede ser longitud de la fibra por segundo o
longitud sarcomérica por segundo para
determinar el valor intrínseco de Vmax para una
fibra. En este punto se establece de nuevo
que la comparación entre músculos con
diferentes tipos de fibras, sin hacer las
correcciones
en
las
diferencias
de
arquitectura puede llevar (y ha llevado) a
conclusiones
erróneas
(Lieber,
1992).
Asumiendo que se realiza el tipo de
experimento correcto, encontramos que las
fibras musculares de contracción rápida se
acortan aproximadamente dos a tres veces
más rápido que las fibras de contracción lenta
en Vmax(Close, 1972). Esto en realidad no
es una gran diferencia, y, probablemente
tiene poca influencia sobre el rendimiento
en los deportes o en la rehabilitación. A pesar
de la discusión popular de la distribución de
los tipos de fibras, es probable que esto tenga
que ver muy poco con el rendimiento.
Tensión máxima generada por diferentes
tipos de fibras musculares.
De manera similar a la que se usa para
las mediciones de Vmax , la tensión tetánica
máxima (Po) puede ser medida en músculos
con diferente composición de tipos de fibras.
De nuevo, se podría tomar en cuenta las
diferencias en arquitectura para atribuir las
diferencias en fuerza a las diferencias del tipo
de fibra y no a las diferencias en arquitectura
(es decir, PCSA). Este valor es normalizado
con el PCSA del músculo estudiado, para
generar el valor conocido como "tensión
específica", o fuerza de contracción por
unidad de área del músculo (Lieber, 1992).
Esta es una área controversial de la
fisiología del músculo, y por lo tanto es
probable que esta discusión requiera de
modificaciones cuando más datos se obtengan.
Sin embargo, en las mediciones de la tensión
específica
de
músculos
esqueléticos
completos, la mayoría de los investigadores
encontraron que los músculos compuestos
principalmente de fibras rápidas tienen una
mayor tensión específica que los músculos
compuestos principalmente de fibras lentas.
Los valores típicos para las tensiones
específicas de los músculos rápidos son de
2
aproximadamente 22 N/cm
mientras que para
los músculos lentos es de 10-15 N/cm2
(Lieber, 1992). La interpretación común de
esos experimentos de músculo completo ha
sido que las fibras musculares rápidas tienen
una mayor tensión específica que las fibras
musculares lentas. El problema con esta
interpretación es que se asume que las fibras
musculares de un músculo heterogéneo tiene
las mismas propiedades de las fibras
musculares del mismo tipo que están en un
músculo
homogéneo.
Es
afirmación
probablemente no sea verdadera.
Las mejores estimaciones de tensión
específica provienen de experimentos de
contracción isométrica de unidades motoras
aisladas. Las fibras musculares de una unidad
motora
pueden
ser
clasificadas
histoquímicamente; y se puede comprobar que
todas son generalmente del mismo tipo. Así, si
se mide la fuerza generada por una unidad
motora y se determina la PCSA, puede ser
calculada la tensión específica de diferentes
tipos de unidades motoras (y por lo tanto de
tipos de fibras musculares). La ventaja de este
método es que todas las propiedades
contráctiles son medidas en un mismo tipo de
fibras. El problema con este tipo de
experimentos es que las mediciones de la
PCSA de la unidad motora es técnicamente
muy difícil. Generalmente, los métodos
utilizados para determinar la PCSA de la
unidad motora son indirectos, llevando a una
serie de suposiciones cuestionables. En sólo un
experimento en el cual se identificó que todas
las fibras pertenecían a una unidad motora
se obtuvo la PCSA. Esos experimentos
realizados por Sue Bodine el al. (1987),
mostraron que las fibras musculares rápidas
desarrollaron justo ligeramente más tensión
que las fibras musculares lentas; esta es la
mejor información de datos de que se
dispone.
Tolerancia de diferentes tipos de fibras
musculares al ejercicio prolongado.
La tolerancia (o su parte opuesta, la
fatiga) de las fibras musculares es más difícil de
ser definida que la velocidad o la fuerza. Esto es
porque la tolerancia depende del tipo de
trabajo que se requiere que rinda el
músculo. Por ejemplo, si la carga de trabajo es
ligera, casi no hay diferencia entre los tipos de
fibras. Si la carga de trabajo es muy
pesada, las fibras musculares por sí mismas no
se fatigan; mas bien, se fatigan las uniones
neuromusculares, y de nuevo, no hay diferencia
entre los tipos. A causa de que el acople
excitación-contracción requiere de una cadena
de eventos, es posible producir fatiga
interrumpiendo cualquier punto en la cadena.
De esa manera existe peligro al simplemente
atribuir la caída en fuerza a la fatiga de la fibra
muscular sin entender las bases de esa caída. El
método más comúnmente utilizado para medir
la fatiga fue desarrollado para clasificar las
unidades motoras individuales y así sería
diferido a la unidad motora. Basta con decir
que la resistencia de varias unidades motoras (y
tipos
de
fibras
musculares)
difiere
considerablemente. Sin embargo, es difícil
dar una diferencia cuantitativa a menos que
las condiciones de trabajo sean conocidas.
Generalmente, las fibras SO tienen las mayor
tolerancia, seguidas de las fibras FOG, y
finalmente las fibras rápidas glucolíticas (FG).
Lo cual no es sorprendente ya que se ha visto
que las fibras FG tienen una baja capacidad
oxidativa (Lieber, 1992).
PROPIEDADES
MORFOLOGICAS
DE
DIFERENTES
TIPOS
DE
FIBRAS
MUSCULARES.
Diferencias en las proteínas contráctiles entre
los tipos de fibras.
Se ha mencionado que la miosina difiere
considerablemente entre las fibras musculares
rápidas y lentas. Aunque esta diferencia es
importante
funcionalmente,
no
existen
realmente grandes diferencias estructurales entre
las diferentes miosinas, como se ha determinado
por la microscopía electrónica y por la
difracción de rayos X. De hecho, en términos
de los componentes generadores de fuerza del
sarcómero, mientras que las proteínas tienen
diferentes
propiedades
funcionales,
estructuralmente son similares. Las miosinas
lentas y rápidas tienen aproximadamente la
misma forma y masa. Los músculos compuestos
de sarcómeros lentos o rápidos tienen
aproximadamente el mismo espaciamiento
entre los filamentos y la misma densidad de
puentes cruzados (Lieber, 1992).
Diferencias metabólicas entre tipos de
fibras.
Diferencias membranales entre tipos de
fibras.
La diferencia en la capacidad oxidativa y
glucolítica entre las fibras musculares está
representada por las diferencias en la
concentración relativa de las enzimas
metabólicas. En las fibras rápidas, el
citoplasma tiene una mayor concentración
enzimas glucolíticas. Las fibras oxidativas
(FOG y SO) tienen una mayor concentración
de enzimas oxidativas. La fosforilación
oxidativa ocurre en las mitocondrias, por lo
que las fibras oxidativas tienen una densidad
mitocondrial mayor que las fibras no
oxidativas. Las fibras musculares altamente
oxidativas pueden llegar a tener hasta un 25%
de su volumen ocupado por mitocondrias
(Eisenberg, 1983).
Como ya se mencionó, las membranas
de las fibras musculares poseen importantes
mecanismos moleculares para el intercambio de
sustancias entre el sarcoplasma y el líquido
extracelular.
Las fibras musculares rápidas y tónicas
de rana, poseen el mecanismo intercambiador
sodio/calcio (Donozo e Hidalgo 1989; Huerta
et al. 1991). Este mecanismo intercambia el
Ca ++ del citoplasma por Na + extracelular. En
el caso de las fibras tónicas juega un papel más
importante que en las fibras rápidas, como
lo demuestra el hecho de que la sustitución
del Na + extracelular por otro catión
monovalente
induce
la
acumulación
intracelular de Ca++, generando desarrollo de
tensión (Huerta, et al. 1991). En el sarcolema se
encuentra el receptor 0 a catecolaminas
(Huerta, et al. 1991; Arreola, et al. 1987; Bowman
y Nott, 1969) y los mecanismos comunes a la
mayoría de las células como son, la bomba
K+ y la bomba de Ca +.
Na+/
El sistema T y el RS están relacionados
con el acople excitación-contracción. Tiene
sentido que los músculos que son requeridos
para responder rápidamente (fibras rápidas)
tengan un sistema de activación membranal
desarrollado, como se observa bioquímicamente.
El sistema T y el RS de las fibras rápidas
podrían ocupar de dos a tres veces más
volumen en las fibras rápidas que en las fibras
lentas. Así, las diferencias en la velocidad entre
las fibras rápidas y lentas resultan de las
diferencias en las velocidades de los ciclos de
los puentes cruzados y de las diferencias en la
velocidad de propagación de la activación
(González-Serratos, 1983).
Otras diferencias estructurales entre tipos de
fibras.
Otra diferencia estructural entre los
tipos de fibras que es útil pero poco entendida,
es la diferencia del grosor de los discos Z
entre los tipos de fibras musculares. Eisenberg
(1983) mostró que las fibras FG tienen discos
Z de 60 nm de ancho, mientras que las fibras SO
tienen discos más anchos de X150 nm. El
grosor de los discos Z en las fibras FOG es
intermedio (80 nm). La razón de esta diferencia
no es clara, pero es interesante notar que en
la contracción excéntrica, los discos Z
parecen ser las uniones débiles más
susceptibles de lesionar (Lieber, 1992). Se han
demostrado diferencias en la estructura de la
banda M entre los tipos de fibras. La banda
M de las fibras tipo I tienen cinco puentes
distintos, mientras que las fibras IIb tienen
sólo tres puentes.
Las bandas M de las fibras IIa tienen tres
puentes centrales prominentes y dos puentes
externos tenues. Mientras que esas dos
diferencias ultraestructurales sean tomadas
como verdades generales, existen amplitudes
continuas de los discos Z y patrones de
puentes en las bandas M, así que no es una
tarea simple medir el ancho de los discos Z u
observar la banda M y entonces
inequívocamente tipificar las fibras. Parece que
en cerca del 80% de las fibras, el ancho de la
banda M proporciona una buena indicación del
tipo de fibra (Lieber, 1992).
TRANSFORMACION DE LAS FIBRAS
MUSCULARES EXPERIMENTALMENTE
E INDUCIDA POR ENTRENAMIENTO.
La transformación de un tipo de fibra
muscular en otro puede ser llevado a cabo
experimentalmente por reinervación cruzada
(Buller et al. 1960), por estimulación nerviosa
apropiada (Salmons y Vrbova, 1969) o por la
estimulación directa de músculos denervados.
De acuerdo al conocimiento actual, la
transformación del tipo de fibra comprende
cambios cuantitativos y cualitativos en varias
características fisiológicas, metabólicas y
morfológicas. Esos cambios ocurren en una
secuencia ordenada en varios niveles de
organización. En particular, están involucrados
los sistemas de membrana, el metabolismo
energético y las proteínas contráctiles y
reguladoras. En la fase temprana de la
transformación de fibras rápidas a lentas
ocurre una rápida decadencia en la extensión
del sistema de los túbulos T y del retículo
sarcoplásmico (Eisenberg y Salmons, 1981), la
actividad de la bomba ATPasa de Ca++ y de
las proteínas fijadoras de Ca++, calsequestrina
y parvalbúmina,
disminuye. Las consecuencias fisiológicas de
esos cambios se manifiestan con una
disminución en la velocidad y en la capacidad
máxima de la captura de Ca++, lo cual puede
ser la razón para el incremento inicial en el
tiempo transcurrido para alcanzar los picos de
tensión durante contracciones isométricas y
en el tiempo medio de relajación (Kovanen,
1989).
Simultáneamente con esos cambios, en
el retículo sarcoplásmico, ocurre una
transformación metabólica junto con un
incremento en el contenido de mioglobina y la
densidad
capilar
conduciendo
a
la
transformación de "blanco a rojo". La actividad
enzimática aumentada para la oxidación
aeróbica del sustrato junto con la disminución
de la actividad de las enzimas glucolíticas
puede ser la causa de la tolerancia aumentada a
la fatiga (Pette, 1984).
Con suficiente estimulación prolongada,
es decir más de 3 semanas (Streter, et al. 1973,
Salmons y Streter, 1976) la transformación del
tipo de fibra se completa por la aparición de la
miosina del tipo lento y por cambios en la
actividad de la ATPasa de la miosina activada
por Ca++. Los cambios en la miosina incluyen
composiciones secuenciales en las cadenas
pesadas y ligeras, la tinción histoquímica de la
ATPasa miofibrilar muestra la conversión de las
fibras desde el tipo II al tipo I. El
reemplazo secuencial de las isoformas resulta
en unas propiedades de tinción inusuales,
caracterizado por la presencia de fibras
intermedias (IM), es decir, fibras que se tiñen
después de la preincubación ácida y alcalina en
tinciones para ATPasa miofibrilar. Los
cambios relacionados con la miosina han sido
propuestos como responsables, en la última
fase, para la prolongación del tiempo
transcurrido para alcanzar los picos de tensión y
el tiempo medio de relajación, así como para la
disminución en la proporción del desarrollo de
tensión (Pette 1984; Pette y Vrbova 1985).
Una cuestión fascinante es, si la
transformación de los tipos de fibras descritos
arriba pueden ocurrir en humanos como
resultado del uso intensivo del músculo
esquelético. Los primeros estudios en humanos
por Gollnick el al. (1972) y Costill el al.
(1976) mostraron que individuos con
entrenamiento atlético para adquirir resistencia
tuvieron elevados porcentajes de fibras de tipo
I cuando se comparó con los de velocidad o
con los de la gente sedentaria. Desde entonces
numerosos
estudios
de
entrenamiento
(Gollnick, el al. 1973, Thorstensson, el al.
1976, Saltin, el al. 1976, Andersen y
Henrikson, 1977) han fallado para mostrar
cualquier transformación de fibras rápidas a
lentas inducidas por el entrenamiento y Komi el
al. (1977) concluyeron que factores
hereditarios determinan la composición de las
fibras musculares, una afirmación que ha sido
desde entonces severamente contradicha por
Bouchard el al (1986).
Algunas interconversiones dentro de
las fibras del tipo II (IIB IIA) debidas a
entrenamiento de resistencia se reportó por
Andersen y Henriksson (1977), Ingjer (1979) y
Schantz el al (1982). Posteriores evidencias
para la transformación de rápidas a lentas en
músculo de humano debidas a actividad física
han sido proporcionadas desde entonces por
Howald el al. (1985), Simoneau et al. (1985),
Schantz (1986) y Schantz y Dhoot (1987).
Todos esos estudios apoyan el papel de las
fibras IM como una etapa de transición en la
conversión del tipo II al tipo I.
Es también importante recordar que en
los estudios realizados en humanos usando
biopsias siempre se incluye cierta incertidumbre
debido a la tendencia de variabilidad inherente
a la técnica de la aguja para biopsias de
músculo (Kovanen, 1989). Los experimentos
con animales, por otro lado, permiten estudios
con
muestras
representativas
y
en
circunstancias más controladas. Se han
realizado un gran número
de experimentos con animales sobre la
transformación de las fibras musculares
(Müller, 1974; Green, el al. 1983, 1984).
Se han descrito en varias preparaciones
los efectos de la estimulación crónica en la
transformación de las fibras II a Fibras I; por
ejemplo en gatos (Al-Amood, Buller & Pope,
1973); en perro y cabra (Glatz, el al. 1992); en
conejo (Jarvis, 1993, Kirschbaum, el al. 1987).
Esos estudios han aportado apoyo adicional a
la hipótesis de que las transformaciones de
rápidas a lentas ocurren como un resultado del
entrenamiento físico. Recientemente Jarvis el
al. (1996) han reportado la transformación de
las fibras IIa a I en músculo extensor
digitorum longus de rata, por estimulación
crónica a 10 ó 20 Hz.
Diferencias entre grupos de atletas.
Varias observaciones se han hecho
con respecto a los tipos de fibras
musculares y la posible influencia del
entrenamiento específico sobre la composición
de las fibras y su capacidad metabólica. Con
respecto a este tópico, McArdle el al (1996)
han realizado una revisión detallada que se
resume de la siguiente manera: Hombres,
mujeres y niños en promedio poseen un 45 a
55 % de fibras lentas en los músculos de los
brazos y de las piernas. De fibras rápidas,
existen probablemente los mismos porcentajes
de las subdivisiones tipo IIa y IIb. Aunque no
existe diferencia en la distribución de las
fibras por sexo, la variación puede ser muy
grande entre los individuos. Generalmente, la
tendencia en la distribución de un tipo de fibra
muscular es consistente entre los principales
grupos de músculos del cuerpo.
Ciertos patrones de distribución de las
fibras son apreciados fácilmente entre atletas
altamente experimentados. Los mejores atletas
de resistencia mostraron una predominancia
de fibras de sacudida lenta en los músculos
activados por su deporte
específico. En los mejores atletas de velocidad
predominaron las fibras de sacudida rápida.
Los grupos de atletas con las más altas
capacidades aeróbicas y de resistencia, tales
como los corredores de distancia y los
esquiadores de campo-travieza, que tienen los
más altos porcentajes de fibras lentas en los
músculos gastrocnemius de las piernas, a
menudo tan altas como del 90 al 95%. Los
levantadores de pesas, los jugadores de hockey
sobre hielo, y los corredores de velocidad, por
otro lado, tienden a tener más fibras rápidas y
una baja capacidad aeróbica relativa. Como
podría ser esperado, hombres y mujeres que
realizan carreras de distancia media tienen
aproximadamente porcentajes iguales de los
dos tipos de fibras musculares. Tal
distribución también ocurre en potentes
atletas que practican el salto, salto de altura y
lanzamiento.
Esas distinciones relativas marcadas
claramente entre el tipo de ejercicio y la
composición de los músculos en fibras
musculares son para atletas seleccionados, los
cuales han sobresalido en una categoría
específica del deporte. La composición de las
fibras en una persona, sin embargo, no es
determinante exclusivo de la función. Varios
investigadores han mostrado que para un
grupo particular, entrenados o no entrenados,
el conocimiento del tipo de fibras musculares
predominante en una persona, es de valor
limitado para predecir el tipo de ejercicio de
mayor rendimiento. Esto no es sorprendente,
porque la capacidad de funcionamiento es el
resultado final de la mezcla de "sistemas de
soporte"
fisiológicos,
bioquímicos,
neurológicos y biomecánicos y no es
determinado por un solo factor tal como el
tipo de fibra muscular.
En términos de tamaño muscular, los
atletas de resistencia presentan fibras lentas de
tamaño
relativamente
normal.
Los
levantadores de pesas y otros atletas de
fuerza, por otra parte, muestran un definitivo
ensanchamiento, especialmente en las fibras
rápidas. Esas fibras pueden ser 45% más
grandes que aquellas de los atletas de
resistencia o de personas sedentarias de la
misma edad. Esto es porque el entrenamiento
de fuerza y potencia induce un ensanchamiento
definitivo del aparato contráctil de la fibra específicamente de los filamentos de actina y
miosina y del contenido total de glucógeno. La
principal diferencia en la composición
muscular por sexo es la presencia,
generalmente, de fibras más largas en los
atletas masculinos.
Puede cambiar el tipo de fibra muscular en
el humano?
Para determinar si la composición de
las fibras características de grupos específicos
de atletas son el resultado del entrenamiento o
son naturales del medio interno (esto es, para
asegurar si la composición de las fibras de un
individuo puede ser cambiado), seis hombres
participaron en un programa de entrenamiento
ciclista aeróbico de 5 meses. Las biopsias de la
porción lateral del cuadriceps antes y
después del entrenamiento indicaron que no
hubo cambio en la composición de las fibras,
aunque todos los hombres mejoraron
considerablemente en su capacidad de ejercicio
y poder aeróbico. Observaciones similares se
reportaron para la composición de las fibras de
sujetos
después
de
programas
de
entrenamiento para resistencia o velocidad.
Esos datos son usados con frecuencia para
apoyar el argumento de que una fibra rápida
antes del entrenamiento será una fibra rápida
después del entrenamiento, manteniendo la
misma afirmación para las fibras lentas.
Estudios adicionales con humanos y
animales, sin embargo, sugieren la posibilidad
de cambios en las propiedades fisiológicas y
bioquímicas de las fibras musculares con una
transformación progresiva en el tipo de fibra
durante el entrenamiento. En un estudio de 18
semanas de entrenamiento "aeróbico" seguido
de 11 semanas de entrenamiento "anaeróbico"
en 4 atletas, el entrenamiento anaeróbico
ocasionó un incremento en el porcentaje de
fibras tipo IIc y una disminución en el
porcentaje de las fibras de tipo I; lo opuesto
fue observado en la fase aeróbica de la
secuencia del entrenamiento. Similarmente, un
aumento del 23% de fibras rápidas y una
disminución proporcional en el porcentaje en
las fibras lentas se observó después de sólo 6
semanas en el entrenamiento de velocidad.
Esos hallazgos sugieren que el entrenamiento
específico (y quizás la inactividad) puede
inducir una conversión real de las fibras de
tipo I en fibras de tipo II (o viceversa). Se
requiere de mayor investigación antes de
establecer de manera definitiva la naturaleza
fija de la composición de las fibras musculares.
Las características de la distribución de los
tipos de fibras son determinadas en gran
medida por el código genético; la principal
determinación de la composición de las fibras
musculares es fijada probablemente antes del
nacimiento o en las etapas tempranas de la
vida. Parece, sin embargo, que es posible
alguna transformación en el tipo de fibras
musculares con actividades físicas de tipos
específicos y crónicas.
Las adaptaciones metabólicas son reales y
significativas.
Es probable que una distribución
particular de fibras sea "requerida" para
destacar en niveles óptimos en la ejecución de
un deporte. Aunque la naturaleza relativamente
fija del tipo de fibras sugiere un obvia
predisposición genética para la ejecución
excepcional, está bien documentado que el
entrenamiento
específico
aumenta
significativamente el poder metabólico de
ambos tipos de fibras en mujeres y hombres a
pesar de la edad. El aumento de la capacidad
oxidativa de
las fibras rápidas con
entrenamiento de resistencia lleva a éstas a un
nivel en el cual están casi tan bien equipadas
para el metabolismo oxidativo como las
fibras lentas de individuos no entrenados.
La edad no es barrera para las
adaptaciones por entrenamiento de las fibras
musculares. Si el estímulo de entrenamiento es
adecuado, los músculos de hombres y
mujeres de edad avanzada se adaptan (tamaño
de la fibra, capilarización, enzimas glucolíticas y
respiratoria) para el ejercicio de velocidad y
resistencia de manera similar como ocurre en la
gente joven. Hombres y mujeres entrenados
para resistencia muestran alguna conversión
de las fibras tipo IIb a fibras más aeróbicas
tipo IIa. Esto se acompaña de un incremento
del tamaño y número de mitocondrias y el
correspondiente aumento en la cantidad total
de las enzimas del ciclo de Krebs y del
transporte de electrones. Sólo los músculos
específicamente entrenados (más precisamente,
fibras musculares) se adaptan para el ejercicio;
esto explica por qué los atletas altamente
entrenados que cambian a un deporte que
requiere de la acción de grupos diferentes de
músculos, se sienten "desentrenados" para la
nueva actividad. Dentro del esquema, los
nadadores o canotistas (con musculatura
superior bien desarrollada) no necesariamente
transfieren su aptitud de la parte superior del
cuerpo para un deporte de carrera que necesita
predominantemente masas musculares bien
desarrolladas en la parte inferior del cuerpo.
Generalmente ambos tipos de fibras son
reclutados en la actividad física; sin embargo,
ciertas actividades requieren la activación de
una mayor proporción de un tipo de fibras
sobre otro.
XV.- EVENTOS QUIMICOS Y MECANICOS DURANTE
LA CONTRACCION Y RELAJACION MUSCULAR.
PROPIEDADES CONTRACTILES ACTIVAS.
Estudios microscópicos indican un mecanismo de
filamentos deslizantes.
Mecanismo de los filamentos deslizantes.
El mecanismo deslizante se produce por puentes
cruzados.
Los puentes cruzados aislados se pueden hacer
trabajar in vitro.
Acción mecánica de los puentes cruzados.
La fuerza contráctil depende del número de
interacciones de los puentes cruzados.
Curva tensión isométrica-longitud sarcomérica de
fibras aisladas.
Las cabezas de miosina hidrolizan el ATP y se
doblan para producir el impulso motor.
Los filamentos de actina contienen dos proteínas
reguladoras, la tropomiosina y troponina.
Unión entre actina, miosina y ATP.
XV.EVENTOS
QUIMICOS
Y
MECANICOS
DURANTE
LA
CONTRACCION
Y
RELAJACION
MUSCULAR
PROPIEDADES
ACTIVAS.
CONTRACTILES
Aún los más simples organismos unicelulares
se desplazan. Además, en los organismos
multicelulares las células individuales pueden
cambiar su forma y tamaño, dependiendo de
sus funciones y etapas de crecimiento. Esos
movimientos requieren de diferentes tipos de
filamentos proteicos -de actina, miosina,
filamentos intermedios y microtúbulos (ver fig.
13). Sin embargo, los tipos de movimientos
más especializados, y los mejor estudiados,
son los de la contracción y relajación de
las fibras del músculo esquelético. Los
movimientos musculares son llevados a cabo
por motores moleculares que interactúan
con filamentos; es este caso, los motores son
las moléculas de miosina y los filamentos los
constituye la actina.
El microscopio electrónico y la
difracción de rayos X han ayudado a
descifrar muchos secretos de la estructura
celular, conduciendo a hipótesis razonables
referentes a los eventos químicos y
mecánicos de la contracción y relajación
muscular. Existen considerables evidencias
para apoyar la teoría de los filamentos
deslizantes en la función muscular. Aunque
esta teoría para explicar los movimientos
moleculares en la contracción muscular fue
propuesta hace cerca de 50 años, el
modelo aún es compatible con los detalles
de la ultraestructura y función que
continuamente se han estado descubriendo.
Estudios
microscópicos
indican
mecanismo de filamentos deslizantes.
un
La forma de cómo se contraen las
fibras de músculo esquelético se dedujo por
dos tipos de estudios microscópicos bastante
diferentes realizados a principios de 1950 y en
cada caso un Huxley estuvo implicado.
Andrew Huxley, el de los experimentos de
fijación de voltaje, hizo sus observaciones con
un microscopio de interferencia de diseño
propio, mientras que Hugh Huxley usó un
microscopio electrónico para examinar lo que,
en aquellos tiempos, fueron unas secciones de
músculo muy delgadas.
En el mismo tiempo que Hugh Huxley
realizó esos importantes estudios, Andrew
Huxley haciendo uso de un microscopio de
interferencia examinó las estriaciones presentes
en las fibras musculares simples aisladas de
rana durante la contracción y relajación.
Observó que durante la contracción la banda I
se acortaba, mientras que la banda A
permanecía con la misma longitud; dentro de
la banda A, sin embargo, la zona H se hacia
angosta y podía desaparecer completamente.
De forma bastante independiente, ambos
investigadores
propusieron
que
sus
respectivos hallazgos podrían ser explicados
por un movimiento deslizante de los
filamentos de activa y miosina pasando
unos sobre los otros (A. F. Huxley y
Niedergerke, 1954; H.E. Huxley y Hanson,
1954).
Mecanismo de los filamentos deslizantes.
Con el microscopio electrónico, se ha
visto que, dentro de una fibra muscular, cada
miofibrilla está compuesta de muchos
miofilamentos y estos son de dos tipos,
gruesos y delgados. En secciones transversales
de fibras musculares, cada filamento grueso se
ve rodeado por un arreglo hexagonal (ver fig.
7) de filamentos delgados; en cortes
longitudinales los filamentos gruesos de una
miofibrilla se encuentran alineados. Desde
hace algunos años se reconoció que las
proteínas contráctiles del músculo eran la
miosina y la actina, posteriormente se mostró
que esas
proteínas corresponden a los filamentos
gruesos y delgados respectivamente.
La banda I es la región de la
fibra donde sólo los filamentos de actina
están presentes; la banda A corresponde a la
posición de los filamentos de miosina. Por
otra parte, en el estado relajado, aunque
existe un poco de traslape entre los
filamentos de actina y miosina, los extremos
centrales de los filamentos de actina
opuestos están separados, esta separación
explica la pálida región (zona H) presente
en el centro de la banda A (Fig. 9D).
Cuando el músculo se contrae (Fig.
9E), los filamentos de actina opuestos son
impulsados uno hacia el otro en dirección
del centro del sarcómero y se deslizan a lo
largo con la intervención de los
filamentos de miosina. Conforme se
acercan uno al otro, la cercanía entre ambos
genera que la zona H se estreche;
similarmente, mientras más avancen los
filamentos de actina dentro del espacio
entre los filamentos de miosina, la banda I
se vuelve más corta. Puesto que los
filamentos de miosina no alteran su forma, la
longitud de la banda A permanece sin cambio.
La función de la línea Z ó discos Z,
es sujetar los filamentos de actina para
mantenerlos juntos, mientras que a la línea
M (en el centro de la banda A) le
corresponden las uniones entre los
filamentos de miosina; ambos tipos de
estructuras mantienen a los filamentos
respecto unos con otros en una relación
geométricamente ordenada.
La teoría de los filamentos
deslizantes, por lo tanto, propone que un
músculo se acorta o se alarga porque los
filamento gruesos y delgados se deslizan
unos sobre otros sin cambiar su longitud.
El motor molecular que mueve este proceso
de acortamiento es la acción de los
puentes cruzados de miosina, los cuales
cíclicamente se unen , giran, y se separan de
los filamentos de actina con la energía
proporcionada por la hidrólisis del ATP. Esto
causa un cambio en el tamaño relativo de las
diferentes zonas dentro
del sarcómero, produciendo fuerza en los
discos Z. Los filamentos delgados de actina se
deslizan sobre los filamentos de miosina,
moviéndose dentro de la región de la banda A
durante el acortamiento (moviéndose fuera de
ella durante la relajación). Por lo tanto el
principal reordenamiento estructural durante el
acortamiento, ocurre en la región de la
banda I, la cual marcadamente disminuye
cuando los discos Z son jalados hacia el
centro de cada sarcómero. En una acción
estática, la fuerza es generada mientras la
longitud de la fibra permanece sin cambio, y el
espacio relativo de las bandas A e I
permanece constante; en esta situación, los
mismos grupos moleculares reaccionan
repetidamente. En una acción excéntrica en la
cual la fuerza es generada mientras que la
fibra muscular está alargada, las bandas I se
amplían (McArdle, et al. 1996).
El mecanismo deslizante se produce por
puentes cruzados.
El siguiente paso para el entendimiento
del mecanismo de los filamentos deslizantes
fue la demostración, usando micrografías
electrónicas de elevada amplificación (Fig. 30),
de pequeñas proyecciones que emergían desde
los filamentos de miosina (H.E. Huxley, 1958).
Esas proyecciones fueron denominadas
puentes cruzados , y se propuso que estos
podrían unirse momentáneamente a los
filamentos de actina e impulsar a estos últimos
a nuevas posiciones. Los puentes cruzados
miden aproximadamente 13 nm de largo y se
disponen en seis filas a lo largo del filamento
de miosina; cada fila puede trabar uno de los
filamentos de actina del arreglo hexagonal que
rodea al filamento de miosina. Los puentes
cruzados está acomodados en parejas (Fig.
9C) y separados por 180°, el siguiente par está
siempre a 14.3 nm de retirado, y con
respecto al eje ese par presenta una rotación de
60° (McComas, 1996).
Los puentes cruzados aislados se pueden
hacer trabajar in vitro.
Los mayores descubrimientos dentro
del mecanismo de acción de los puentes
cruzados provienen de los estudios realizados
en el alga Nitella; la ventaja de usar esta
preparación es que las células son
relativamente largas y contienen paquetes
paralelos de filamentos de actina. Si la células
se cortan y se extienden, el citoplasma puede
ser lavado, dejando los paquetes de
filamentos de actina en su lugar. Sheetz y
Spudich (1983) pusieron pequeñas cuentas
de plástico cubiertas con miosina en las
células de Nitella tratadas y observaron que,
en la presencia de ATP, las cuentas se
movían a lo largo de los filamentos de
actina, por medio de la acción de los puentes
cruzados de la miosina. Una extensión de
este tipo de experimento fue reemplazar a
Nitella con una membrana artificial a la cual
se le adhirieron filamentos de actina
orientados longitudinalmente (Spudich, Kron
y Sheetz, 1985). En experimentos posteriores
del mismo laboratorio, las cuentas se
eliminaron al cubrir una superficie de vidrio
con filamentos de miosina, aplicando ATP,
y observando al microscopio el movimiento
de los filamentos de actina marcados con
fluorescencia. Estos experimentos indican
que el movimiento de los puentes cruzados
ocurren con una velocidad constante y que la
dirección del movimiento está determinado
por la polaridad geométrica de los filamentos
de actina. En un ciclo de trabajo de un
puente cruzado, se mueve el filamento de
actina cerca de 10 nm en 2 ms, con la
hidrólisis de una molécula de ATP (H.E.
Huxley, 1990).
Acción mecánica de los puentes cruzados.
La miosina juega en la acción
muscular ambos papeles, enzimático y
estructural. Las cabezas globulares de los
puentes cruzados de la miosina contienen una
ATPasa activada por actina en el sitio donde se
une con la actina y es la que proporciona la
fuerza mecánica para que los filamentos de
actina y miosina se deslicen unos sobre otros
por medio de la hidrólisis del ATP (Hochachka,
1994; Rayment, et al. 1993). La oscilación es
de naturaleza cíclica para y desde de los
puentes cruzados, los cuales se mueven de
manera similar a la acción de remos en el
agua. A diferencia de los remos, no todos los
puentes cruzados se mueven de manera
sincrónica. Si así lo hicieran, la acción
resultante del músculo podría ser una serie de
movimientos espasmódicos en lugar de fuerza
y movimientos finamente graduados. Durante
el acortamiento muscular, cada puente cruzado
sufre repetidos pero independientes ciclos de
movimiento asincrónico (McArdle, et al. 1996).
Durante la actividad contráctil en una
fibra, en cualquier tiempo, solo cerca del 50%
de los puentes cruzados están en contacto con
los filamentos de actina para formar el
complejo proteico actomiosina, los otros
puentes cruzados están en alguna otra posición
de su ciclo. Cada acción de un puente cruzado
contribuye a un pequeño desplazamiento
longitudinal en términos del deslizamiento
total de los filamentos (McArdle, et al. 1996).
Este proceso se ha comparado a la acción de
una persona escalando con una soga. Las
piernas y los brazos representan los puentes
cruzados. El escalamiento da inicio, primero, al
alcanzar la soga con los brazos, entonces se
agarra, se jala y se deja la soga, al repetir este
proceso una y otra vez durante todo el
escalamiento la persona logra trasladarse desde
el punto A al punto B y así sucesivamente.
La fuerza contráctil depende del número
de interacciones de los puentes cruzados.
Una de las predicciones de la hipótesis
de los filamentos deslizantes fue que cada
puente cruzado podría actuar como un
generador de fuerza independiente, y que la
fuerza desarrollada en una contracción podría
por lo tanto depender del número de
interacciones simultáneas entre los puentes
cruzados y los filamentos de actina.
Experimentalmente,
el
número
de
interacciones de puentes cruzados-actina
puede variarse por el estiramiento de la fibra
muscular y así alterar la cantidad de traslape
entre los filamentos de actina y miosina. Este
tipo de experimentos es llevado a cabo
fácilmente en humanos, por ejemplo, al
registrar
las
sacudidas
isométricas
desarrolladas por los músculos de la
pantorrilla después que han sido estirados por
dorsiflexión del tobillo. Puede verse que la
fuerza aumenta con el alargamiento muscular
hasta un máximo y entonces, con mayor
estiramiento, empieza a disminuir (McComas,
1996).
Aunque
los
resultados
son
consistentes con la hipótesis de los filamentos
deslizantes, el grado de traslape entre los
filamentos de miosina y actina no puede
conocerse de manera precisa, porque el
estiramiento de una fibra muscular elonga más
los sarcómeros centrales que los localizados
en los extremos. Por esta razón Gordon,
Huxley y Julian (19664) realizaron un
experimento en el cual examinaron longitudes
cortas de fibras musculares aisladas de rana.
Gordon, Huxley y Julian (1966b) observaron
que, sobre ciertos rangos, la tensión
desarrollada es proporcional al grado de
traslape entre los filamentos de actina y
miosina y por lo tanto al número de puentes
cruzados activos en estos últimos. Si un
mayor acortamiento es permitido, de manera
que los filamentos de actina opuestos ahora se
traslapen uno sobre otro, así como también
los filamentos de miosina implícitos, la tensión
isométrica declina. Es probable que en algún
modo los filamentos de actina traslapados
interfieren con el mecanismo de los puentes
cruzados en esas longitudes cortas del
sarcómero. En otros experimentos, Gordon y
sus colegas estiraron la fibra muscular tanto,
que ya no fue posible el traslape entre los
filamentos de actina y miosina. En este caso,
como los puentes cruzados de miosina fueron
incapaces de alcanzar los filamentos de actina,
no se pudo desarrollar tensión (mas allá de
3,65 µm).
Esta es exactamente la situación que
se piensa ocurre en la falla cardiaca asociada
con la distensión ventricular. En el caso de los
músculos esqueléticos, dados lo pequeños
rangos de movimiento articular, es dudoso
que ocurra un alargamiento que desenterdigice
a los filamentos gruesos y delgados. En
músculos enfermos, sin embargo, la posibilidad
de hiperextensión parece más probable, puesto
que el reemplazo parcial de las fibras
musculares por tejido fibroso relativamente
inelástico bien podría permitir a los segmentos
de fibras sobrevivientes ser estiradas
excesivamente (McComas, 1996).
Curva
tensión
isométrica-longitud
sarcomérica de fibras aisladas.
La curva de tensión-longitud fue
obtenida hace aproximadamente 40 años por
investigadores británicos y suizos los cuales
estimularon eléctricamente una sola fibra de
músculo de rana (8 mm de largo y 75 µm de
diámetro) y graficaron la máxima tensión
desarrollada por el sarcómero en las longitudes
seleccionadas (Edman, 1966; Gordon et al.
1966b). Como se observa en la figura 31, la
longitud del sarcómero varió desde 1.6 µm en
el traslape máximo de los filamentos de
actina (aproximadamente 70% de tensión
máxima) hasta 3.6 µm; longitud a la cual ya no
se desarrolló tensión. El pico de tensión en la
curva se alcanzó en la longitud del sarcómero
entre 2.0 y 2.2 µm; esta longitud para la
tensión máxima es la región de la máxima
interacción entre los filamentos
de actina y miosina. Es interesante que la
diferencia de 0.2 µm en esta parte de la curva
es precisamente el ancho de la región en la cual
no existe cambio en la interacción actinamiosina. Cuando el sarcómero es estirado más
allá de 2.2 µm de longitud, la curva cambia y
se dirige hacia abajo y la tensión desarrollada
disminuye. Esto ocurre por el menor traslape
entre los filamentos de actina y miosina. Con
menor traslape existe menor interacción de los
puentes cruzados y, por lo tanto, menor
tensión activa desarrollada. La capacidad del
sarcómero para desarrollar tensión se pierde
en el punto máximo de estiramiento siendo
este de 3.65 µm (la longitud máxima de los
filamentos de actina es de 2.0 µm, y la
máxima longitud de los filamentos de
miosina es de 1.65 µm). A la longitud
sarcomérica de 3.65 µm, no puede haber
ninguna interacción de puentes cruzados.
Las cabezas de miosina hidrolizan el ATP y
se doblan para producir el impulso
motor.
Como se mencionó previamente, los
puentes cruzados son en realidad las cabezas
globulares de las moléculas de miosina. Las
dos cabezas globulares (ver fig. l0A) de cada
molécula de
miosina constituyen los
fragmentos SI. Cada cabeza tiene una cadena
pesada y dos cadenas ligeras unidas a ella.
Las cabezas globulares, y los cuellos a los
cuales están unidos, forman los puentes
cruzados. Se mencionó también, que se han
identificado tres componentes de las cabezas
globulares y sus pesos moleculares son de 50
kD, 25 kD y 20 kD respectivamente. Las dos
cadenas ligeras están unidas a la porción de
20 kD, mientras que el segmento 50 kD
contiene un bolsillo para unir e hidrolizar el
ATP, así como los sitios para unirse a la
actina (Vibert y Cohen, 1988). El
descubrimiento más reciente, por Rayment et
al. (1993), en relación a la miosina, fue la
presencia de una hendidura (Fig. 1013) en el
segmento 50 kD, que divide esta región en los
dominios superior e inferior. El ancho de la
hendidura es controlado por las interacciones
del ATP con el bolsillo; la apertura de la
hendidura debilita la unión del segmento 50 kD
con la actina, mientras el cierre de la
hendidura hace más fuerte la unión. El bolsillo
para el ATP también puede abrirse, inclinando
las cabezas de miosina y por lo tanto alterando
el ángulo del puente cruzado.
Desde la descripción del mecanismo
de los filamentos deslizantes hace ya 50 años,
se han acumulado evidencias gradualmente
para mostrar cómo los puentes cruzados de
miosina podrían alterar su ángulo, y dar un
impulso motor al filamento de actina, y cómo
este movimiento podría estar relacionado con
la hidrólisis del ATP. Se ha conocido por
mucho tiempo que la combinación del ATP
con la cabeza de miosina era necesaria para
librar a esta última del filamento de actina.
Así, si el ATP no está disponible o es incapaz
de ser hidrolizado en la fibra, los dos tipos de
filamentos permanecen trabados juntos en el
estado de rigor, como después de la muerte.
Lymn y Taylor (1971) propusieron que la
hidrólisis del ATP, en ADP y Pi, llevaba a la
formación de un complejo intermedio con la
miosina (el complejo de productos de la
miosina). Otro aspecto de este modelo fue
que la unión de la actina con la miosina ocurre
en dos etapas, siendo débil el inicio y fuerte
posteriormente. Otros conceptos, sugeridos por
varios autores (A. F. Huxley y Simmons,
1971), fueron que el movimiento de los
puentes cruzados podría surgir de la rotación
de las cabezas globulares de la miosina. Con el
perfeccionamiento de la definición de la
cabeza de miosina por Rayment et al. (1993),
ha sido posible proporcionar un informe más
completo de la probable estructura y función
de la cabeza de miosina. Este informe, que
incorpora varias de las ideas previas, tiene
como rasgo principal la apertura y el cierre de
la hendidura recién descubierta en el segmento
de 50 kD de la cabeza de miosina.
En este esquema, la primer etapa es el
complejo de rigor, formado por la fuerte
unión de la actina con la miosina en ausencia de
ATP (Fig. 32A). Luego, el ATP entra primero
en el bolsillo del segmento 50 kD de la
miosina fosfato pero con el anillo izquierdo de
adenina protruyendo. Esta entrada incompleta
es insuficiente para abrir la estrecha hendidura
entre los dominios superior e inferior del
segmento 50 kD de la miosina, debilitando
su unión con la actina (Fig. 32B).
El resto de la molécula de ATP
entonces es encerrada en el bolsillo, y esto
causa que se despegue el segmento 50 kD del
filamento de actina y se mueva 5 nm más
adelante (Fig. 32C). El ATP es entonces
hidrolizado, pero los productos (ADP y P; )
permanecen dentro de la cabeza de miosina,
para formar así un complejo intermedio.
Posteriormente, el segmento 50 kD se vuelve
a unir a la actina (5 nm más adelante en el
filamento que en la figura 32A)). La nueva
unión se hace inicialmente en el dominio
inferior del segmento 50 kD y es débil, pero se
vuelve fuerte cuando el dominio superior
participa. La nueva unión permite el cierre de
la hendidura entre los dominios superior e
inferior, y esto permite la expulsión del P; del
bolsillo. A su vez, la pérdida de P; ocasiona que
se abra el bolsillo para el ATP y, cuando está
así, hace que la parte inferior de la cabeza de
miosina gire (Fig. 32E); este es el impulso
motor, durante el cual se produce la fuerza y
el filamento de actina es movido 5 nm hacia
adelante. Además, el ADP se libera al abrirse el
bolsillo del ATP. Las moléculas de actina y
miosina permanecen estrechamente unidas
hasta que otra molécula de ATP entra al
bolsillo y el ciclo de los puentes cruzados se
repite.
Cada cabeza de miosina contiene dos
cadenas ligeras (reguladora y esencial), las dos
están unidas a la región del cuello de la
cabeza de miosina. Se cree que en algún
modo las cadenas ligeras afectan las acciones de
las cabezas de miosina, probablemente
modificando la velocidad del movimiento en cada
impulso motor (Lowey, Waller y Trybus, 1993).
Ha sido propuesta la fosforilación de las cadenas
ligeras, como el mecanismo responsable para la
potenciación isométrica de la tensión de sacudida
(Moore y Stull, 1984).
Un ciclo completo de puentes cruzados
dura aproximadamente 50 ms; en este tiempo, la
cabeza de miosina se une al filamento de
actina por sólo 2 ms, y el impulso motor es
por lo tanto un evento breve. En experimentos
extraordinariamente delicados, en los cuales se
permitió interactuar a moléculas de miosina solas
con filamentos de actina, fue posible estimar
las fuerzas y movimientos desarrollados por
puentes cruzados individuales (Finer, Simmons y
Spudich, 1994). Los movimientos, medidos sin
ninguna fuerza opuesta, promediaron 11 nm, y
fueron más grandes que los predichos
94
por Rayment et al. (1993). Cuando se aplicó
retroalimentación con un sistema de láser para
evitar el movimiento del filamento de actina,
una sola cabeza de miosina generó una fuerza
de 3 a 4 pN.
Los filamentos de actina contienen dos
proteínas reguladoras, la tropomiosina y
troponina.
La tropomiosina es más bien similar a
la cola de la molécula de miosina. Consiste de
una doble hélice que se localiza sobre la
superficie del filamento de actina y lo hace
rígido; cada molécula de tropomiosina se
extiende a lo largo de siete moléculas de
actina. La troponina es un complejo de tres
polipéptidos (ver fig. 12), uno de los cuales (la
troponina T) permite su unión a la
tropomiosina. La troponina I , se une a la
actina y evita a ésta ultima de manera indirecta
interactuar con la cabeza de miosina. Durante
la excitación muscular se libera Ca++ desde el
retículo sarcoplásmico hacia el citosol, al
unirse el Ca++ a la troponina C se vence el
efecto inhibitorio de la troponina I; cuando
ocurre esto, sufre un cambio conformacional
que retira la molécula de tropomiosina del
filamento de actina. Al moverse la
tropomiosina, se exponen los sitios en el
filamento de actina, donde se unen las cabezas
de miosina, al interactuar ambos elementos
se inicia la contracción (McComas,
A. J. 1996).
Unión entre actina, miosina y ATP.
Para la interacción y el movimiento de
los filamentos de proteína durante la acción
del músculo se necesita que los puentes
cruzados de la miosina continuamente sufran
movimientos oscilatorios para combinarse,
desprenderse y recombinarse a nuevos sitios (o
a los mismo sitios en una contracción
isométrica) a lo largo de los filamentos de
actina. El desprendimiento de los puentes
cruzados de miosina de los filamentos de
actina es llevado a cabo cuando la molécula de
ATP se une al complejo de actomiosina. Esta
reacción química posibilita que los puentes
cruzados de miosina regresen a su estado
original y hacerlos disponibles para unirse a
nuevos sitios sobre la actina. La disociación
de la actomiosina ocurre como sigue:
Actomiosina + ATP → Actina + Miosina-ATP
La conversión de la energía por la
hidrólisis de ATP en fuerza mecánica ocurre
durante la formación de productos finales,
ADP y fosfato inorgánico. Uno de los sitios
reactantes en la cabeza globular del puente
cruzado de la miosina se une al sitio reactante
de la actina. Otro sitio activo de la miosina
actúa como enzima activada por actina, la
adenosintrifosfatasa miofibrilar (miosina
ATPasa). Esta enzima divide al ATP y su
energía puede ser utilizada para la actividad
muscular. La velocidad de la hidrólisis del
ATP es relativamente lenta si la miosina y la
actina se encuentran separadas; cuando se
unen, la velocidad reactiva de la miosina
ATPasa aumenta considerablemente. Se cree
que la energía liberada de la división del ATP
de algún modo activa los puentes cruzados,
causando que oscilen. Este proceso de
transferencia de energía causa un cambio
conformacional de la cabeza globular del
puente de miosina para así interactuar con la
molécula de actina apropiada (McArdle, e t a l .
1996)
La cabeza alargada de la miosina no es
rígida. Antes de la actividad muscular, la cabeza
de miosina literalmente se inclina hacia la
molécula de ATP transportadora de energía y
es flexible, casi como un resorte. La miosina
entonces interactúa con el filamento adyacente
de actina, desprende un fosfato del ATP y
libera su energía mecánica almacenada y
su rigidez. Esto inicia el movimiento
94
deslizante que hace que el músculo genere
tensión. Los filamentos de actina y miosina
pueden deslizarse, pasando uno sobre otro, a
una velocidad de 15 µm/s (Billeter y Hoppeler,
1992).
XVI.- ACOPLE EXCITACION-CONTRACCION
El mecanismo de acople excitación-contracción
ocurre en dos pasos.
Los túbulos T conducen la señal eléctrica hacia el
interior de la fibra.
Los túbulos T conducen los impulsos al interior de la
fibra.
Los iones de Ca++ son necesarios para que ocurra la
contracción.
El Ca++ es liberado hacia el citosol desde el retículo
sarcoplásmico.
En el mecanismo de la liberación de Ca++
intervienen dos tipos de canales de Ca++. Los canales
DHP y rianodina pueden estar
conectados mecánicamente.
Las señales químicas entre los canales DHP y
rianodina no deben ser excluidas.
Los iones de Ca++ son bombeados desde el citosol
hacia el RS.
Relajación.
Secuencia de eventos en la contracción muscular.
XVI.ACOPLE
CONTRACCION
EXCITACION-
El acople excitación-contracción es el
mecanismo fisiológico por medio del cual un
potencial de acción en el músculo inicia los
eventos químicos en la superficie celular que
llevan a la liberación del calcio intracelular y
causan la actividad muscular, como se
explicó en la sección anterior. El Ca++
intracelular está involucrado íntimamente en la
regulación de la actividad contráctil y
metabólica celular. En la fibra muscular
inactiva la concentración de Ca ++ es
relativamente baja comparada con la
concentración existente en el fluido que baña
a la célula. Cuando la fibra es estimulada,
existe un pequeño incremento inmediato de
Ca++ intracelular, el cual antecede la iniciación de
la contracción muscular. Este incremento de
Ca++ es iniciado por el potencial de acción
que llega por los túbulos transversos (Fig. 33)
provocando la liberación de Ca++ desde los
sacos laterales del retículo sarcoplásmico.
En preparaciones de músculo aislado,
existe evidencia de que enseguida de una
sacudida muscular generada por estimulación,
aumenta hasta tres veces la velocidad de la
liberación de Ca++ y de la fase
depolarizante del potencial de acción en las
fibras musculares tipo II (de sacudida rápida)
comparadas con las de tipo I (de sacudida
lenta) (Rugg, 1986). Esto podría ser posible
por el rápido transporte de Ca++ desde el
retículo sarcoplásmico y finalmente por las
proteínas contráctiles de la Actomiosina en las
fibras de tipo II. Durante este acople de
excitación-contracción , ocurre una serie de
eventos electroquímicos en el sitio de
excitación de las membranas celulares. La ruta
común para liberar las señales químicas hacia
las proteínas contráctiles depende en alto
grado de canales iónicos reguladores. Esas
estructuras
actúan
como
compuertas
selectivas o "sensores" para modular el paso
de los iones entre los fluidos intracelular y
extracelular antes de la activación de los
filamentos.
El mecanismo de acople excitacióncontracción ocurre en dos pasos.
Como se notó previamente, la señal
para que se inicie una contracción es la
elevación repentina de la concentración de los
iones de Ca++ en la cercanía de los filamentos
de miosina y actina. En esta forma el Ca ++
actúa como segundo mensajero, actuando
como un intermediario entre el potencial de
acción y el aparato contráctil. El acople
excitación-contracción es el mecanismo celular
por el cual la concentración de Ca ++
aumenta y toma lugar en dos pasos: (1)
depolarización de los túbulos T, y (2) la
difusión de los iones de Ca++ desde el retículo
sarcoplásmico hacia los miofilamentos.
Los túbulos T conducen la señal eléctrica
hacia el interior de la fibra.
El papel clave del sistema T en el
acople excitación-contracción se demostró por
dos
planteamientos
experimentales
contrastantes. Primero, A. F. Huxley y Taylor
(1958) aplicaron débiles corrientes de
estimulación en diferentes puntos a lo largo de
la superficie de fibras musculares de rana.
Encontraron que la contracción local de las
miofibrillas sólo ocurrió cuando la punta del
electrodo estaba sobre la banda I, en el centro
de la cual están situados los túbulos T. En el
segundo tipo de experimentos, Gage y
Eisenberg (1969) demostraron que los
potenciales de acción fueron incapaces de
generar sacudidas en las fibras musculares
tratadas con glicerol. En esos experimentos, el
glicerol fue adicionado al fluido de baño
fisiológico y difundido a las fibras musculares.
Cuando las fibras fueron regresadas a una
solución libre de glicerol, los túbulos T se
separaron de la superficie del plasmalema.
La velocidad con la cual la señal para la
contracción viaja dentro de la fibra, fue medida
por Gonzalez-Serratos (1971). La técnica
usada fue la de fijar fibras aisladas del
semitendinoso de rana en Ringer-gelatina y las
comprimió longitudinalmente; las miofibrillas
fueron fotografiadas con una cámara de cine de
alta velocidad; en el acortamiento, se
enderezaron en lugar de ondularse. Esto
demostró que potencial de acción evocado
ocasionó que se contrajeran primero las
miofibrillas superficiales y las del centro
después. A 20° C la velocidad de
propagación activa hacia el interior fue de 7
cm/s.
Los túbulos T conducen los impulsos al
interior de la fibra.
Por sí mismas, las mediciones de la
velocidad de activación de entrada y de su
cambio con la temperatura no permiten
determinar la naturaleza de la propagación al
interior. En teoría dos mecanismos son posibles.
Uno de ellos consiste en la propagación pasiva
electrotónica de depolarización a lo largo del
sistema T, y el otro, es que los túbulos
propagan los potenciales de acción hacia el
centro de la fibra. Una forma de decidir
entre esas dos posibilidades fue suprimir, con
tetrodotoxina, cualquier potencial de acción
propagado y
depolarizando la superficie del plasmalema
utilizando un electrodo de estimulación
intracelular. De este modo, sólo fueron
observados los efectos de la propagación
electrotónica. Adrian, Costantin y Peachey
(1969) encontraron que cuando se usaban
estímulos breves, sólo podían contraerse las
miofibrillas superficiales cuando la membrana
de la fibra había sido depolarizada a 0 mV;
siendo necesarias mayores depolarizaciones de
la membrana para hacer que las fibrillas
centrales se acortaran. En una ingeniosa
extensión de su trabajo, los mismos autores
aplicaron un potencial de acción artificial
sobre la membrana usando un circuito de
fijación de voltaje basado en un potencial de
acción de otra fibra. Parece que la inversión
de la polaridad de la membrana durante el
pico es suficiente para activar las fibrillas
centrales por propagación electrotónica a lo
largo del sistema T. Sí, sin embargo, el mismo
tipo de experimento es realizado sobre
músculo de sapo a 20°C se observa que el
potencial de acción de superficie sólo produce
cerca del 30% de la tensión normal , el restante
70% presumiblemente requiere un impulso
propagado en los túbulos T (Bastian &
Nakajima, 1974).
Otra evidencia indirecta para el
impulso T proviene del trabajo de Costantin
(1970), que investigó las respuestas de fibras
musculares aisladas de rana por estimulación
focal por medio de un microelectrodo. Por la
reducción de la concentración de Na + en la
solución de baño de la fibra, se evitó la
iniciación del potencial de acción en la
superficie del plasmalema. Costantin
encontró que las miofibrillas centrales y
superficiales tienen umbrales muy similares
para la contracción, sugiriendo que un
mecanismo activo estaba presente y sería
efectivo en el sistema T aún cuando estuviera
ausente en la superficie de la fibra. Esta
conclusión fue reforzada por los resultados
de experimentos utilizando tetrodotoxina, en
los cuales las miofibrillas superficiales ahora
presentaban
umbrales más bajos que las centrales y fueron
las primeras en acortarse. Bajo esas últimas
condiciones, sólo podían haber tomado lugar
depolarizaciones pasivas electrotónicas en el
interior de la fibra.
La evidencia más convincente de los
potenciales de acción internamente propagados
podría ser registrarlos. Aunque se han hecho
varios esfuerzos para hacer esto (Strickholm,
1974; Natori, 1975), existe duda de la
significancia de los potenciales registrados.
Los iones de Ca++ son necesarios para
que ocurra la contracción.
Se conoce que los iones de Ca ++
juegan un papel importante en la contracción
muscular desde que Ringer (1883) demostró
que el corazón de rana dejaba de latir si este
elemento se omite de la solución de baño.
Mines (1913) fue capaz de demostrar que el
corazón en reposo genera potenciales de
acción, indicando que los iones de Ca++ eran
requeridos para algún paso más allá de la
excitación de las fibras. De manera similar,
en el caso del músculo esquelético, Frank
(1958) mostró que las fibras musculares de
rana no desarrollaban contracturas cuando se
colocaron en soluciones ricas en K+ a menos
que el Ca++ también estuviera presente.
Posteriores evidencias del importante papel del
Ca++ es que las inyecciones de este ion
dentro de una fibra muscular por medio de
una pipeta evoca contracciones locales; los
iones de Na +, el K + y el Mg ++ no son
efectivos (Heilbrunn y Wiercinski, 1947). Otros
experimentos se han realizado en fibras
musculares desnudas, por remoción del
plasmalema, y entonces se les induce la
contracción por la aplicación directa, con una
micropipeta, de iones de calcio a las
miofibrillas (la preparación de Natori; ver
Podolsky, 1964).
El Ca++ es liberado hacia el citosol desde
el retículo sarcoplásmico.
Los iones de Ca ++ , los cuales son
necesarios para que ocurra la contracción, son
liberados desde el retículo sarcoplásmico; el
inicio y la duración del eflujo puede ser
medido con colorantes sensibles a Ca++. En el
primero de tales estudios, Ashley y Ridgway
(1968, 1970) inyectaron fibras musculares
grandes, aisladas de percebes con aqueorin,
una proteína que luminesce en la presencia de
iones Ca++. Enseguida se estimularon
directamente, la luz emitida por la fibra se
detectó por un tubo fotomultiplicador, y la
salida eléctrica de este último se amplificó y se
mostró en un osciloscopio; la depolarización
de la membrana y la fuerza generada por la
fibra también se registraron. Ashley y
Ridgway fueron capaces de mostrar que los
iones de Ca++ son liberados entre el inicio
de la respuesta de la membrana y el inicio
de la contracción muscular, como se
esperaría para un mecanismo acoplado. La
concentración de iones Ca++ aumenta
rápidamente durante la respuesta de la
membrana y empieza a caer cuando ésta
termina. El cambio en la tensión muscular
transcurre mucho más lento. La relajación
inicia cuando la concentración de iones Ca++
ha regresado a su valor de reposo. Esta última
observación es de considerable interés, podría
indicar que la relajación no resulta
simplemente de la remoción del Ca++ sino,
al menos en músculos de percebe, también
podría intervenir un paso intermedio. Otros
experimentos, que mostraron oscilaciones
transitorias de Ca++ que ocurren entre la
excitación y contracción, fueron reportadas
subsecuentemente para músculo de rana
(Rüdel y Taylor, 1973) y músculo de ratón
(Westerblad y Allen, 1991).
Las oscilaciones transitorias de
++
Ca han sido medidas también cuando, en
lugar de un sólo estímulo, se aplican a la
fibra muscular una serie de estímulos. Se
observa
que la concentración de Ca++ se eleva a un
nivel más alto y entonces se estabiliza. El
aumento en la concentración de Ca++ en el
citosol después de la excitación es
impresionante; la concentración en reposo es
de sólo 10-7 M, pero después de estímulos
sucesivos, se eleva hasta 10-5 M, un cambio de
100 veces (McComas, 1996).
En el mecanismo de la liberación de
Ca ++ intervienen dos tipos de canales de
Ca++.
La señal eléctrica que se propaga por
los túbulos T usa dos tipos de canales de
Ca++ para liberar Ca++ desde el retículo
sarcoplásmico (RS). El primer tipo (Fig. 34) es
llamado canal DHP porque puede ser
bloqueado por dihidropiridina; es un ejemplo
de un canal L (large o long-lasting) de Ca ++.
Este tipo de canal se encuentra en alta
densidad en la membrana de los túbulos T. De
acuerdo con Fosset, Jaimovich, Delpont y
Lazdunski (1983), la densidad de receptores
DHP encontrados en los túbulos T del
músculo esquelético es cerca de 50 a 100
veces mayor que los de cualquier otro tejido.
A diferencia de los canales L en otras
membranas, la función de los canales DHP no
es permear los iones de Ca++ porque las
fibras musculares de vertebrados pueden
contraerse aún si este ion se omite del
fluido de baño (Armstrong, Bezanilla y
Horowics, 1972). Más bien, el canal DHP
parece actuar primariamente como un sensor
de voltaje que transmite una señal a un
segundo tipo de canal de Ca++, encontrado en
la membrana del RS. Este segundo tipo de
canal es el receptor de rianodina (RYR) que
es una proteína enorme, que consiste de
cuatro subunidades, cada una tiene un peso
molecular de 564 kD (McComas, 1996).
Las micrografías electrónicas de bajo
poder de fibras musculares muestran que los
túbulos T y el RS tienen una relación especial;
un túbulo T y las cisternas terminales del RS
de ambos lados forman una triada. Con las
micrografías electrónicas de alto poder se
pueden identificar los canales DHP en los
túbulos T y los canales de rianodina en el RS.
Se ha visto que los dos tipos de canales tienen
una relación precisa de unos con otros; así los
canales DHP están presentes en grupos de
cuatro (Fig. 34) y cada una de esas tetradas
coincide con uno de cada dos de los canales
de rianodina. Aún en algunos de los primeros
estudios de microscopía electrónica de las
triadas, fue posible identificar estructuras
adicionales (Fig. 33B), los pies (FranziniArmstrong, 1970), que se extienden entre el
espacio de 15 nm que está separando el
sistema tubular T y las membranas de RS, se
conoce ahora que forman parte del canal de
rianodina. La reconstrucción tridimensional de
múltiples micrografías electrónicas ha revelado
más detalles del canal de rianodina
(Wagenknecht, e t a l . 1989), Este canal al
parecer, tiene un poro central el cual corre
por la parte de la molécula que yace en la
membrana del RS. Este poro esta conectado a
cuatro salidas radiales en la parte del pie de la
molécula, y esos, a su vez, abren en el
espacio entre el RS y el túbulo T. El poro
central
y
los
4
orificios
radiales
presumiblemente proporcionan la ruta para
que los iones de Ca++ salgan desde RS hacia
el citosol.
Los canales DHP y rianodina pueden estar
conectados mecánicamente.
¿Como puede una señal alcanzar desde
el canal DHP al canal de rianodina? Antes de
que las estructuras de los dos canales fueran
conocidas Chandler, Rakowski, y Schneider
(1976) sugirieron que ambos canales estaban
acoplados físicamente uno al otro. En este
modelo el canal DHP, después de la activación,
podría ser capaz de desconectar el canal de
rianodina por medio de una varilla
conectora. La nueva información con respecto
al receptor de rianodina, descrito previamente,
podría ser bastante consistente con tal modelo.
Por ejemplo, la parte superior del pie del
canal de rianodina podría estar unido al
canal DHP; el cambio conformacional del
canal DHP, generado con una señal de
voltaje en el túbulo T, podría entonces jalar
la parte superior del canal de rianodina y
permitir al Ca++ fluir desde el RS a través de
los cuatro orificios radiales (Ríos, Ma, y
González, 1991).
Las señales químicas entre los canales DHP
y rianodina no deben ser excluidas.
El mecanismo "de pistón" propuesto
por Chandler et al. (1976) no puede ser el
único medio por el cual el canal DHP puede
activar el canal de rianodina. Mecanismos
adicionales pueden incluir a los iones de Ca++
y el inositol trifosfato (IP3). El papel para el
Ca++ podría ser consistente con las oscilaciones
transitorias de Ca++ registradas en el citosol
después de la excitación; también, la liberación
de Ca++ desde el RS parece estar afectado
positivamente por el nivel de Ca++ en el
citosol (McComas, 1996).
La evidencia que favorece el IP3 es que
este mensajero aumenta rápidamente en el
citosol después de la estimulación de la fibra
muscular (Nosek, Guo, Ginsburg y Kolbeck,
1990) y que, aún en muy bajas
concentraciones éste puede liberar los iones
de Ca++ desde el RS. Un papel obvio para el
Ca ++ o para el IP 3 podría ser abrir los
canales de rianodina alternados que no están
opuestos a las tetradas de DHP.
Los iones de Ca++ son bombeados desde el
citosol hacia el RS.
Las contracciones musculares deben
terminar en el momento apropiado, y las
fibras musculares lo consiguen por el bombeo
de los iones Ca++ de regreso, desde el
citosol hacia el RS. Puesto que la bomba
tiene que mover los iones Ca++ contra un
elevado
gradiente
de
concentración,
requiere de ATP para obtener la energía
necesaria. Con cada ciclo de la bomba,
dos iones de Ca++ son transportados al
interior del RS a cambio de dos iones de K+;
este intercambio desigual de cargas positivas
ocasiona que el citosol cerca del RS se
vuelva cada vez más negativo. Conforme
los iones de Ca++ entran al RS, son separados
de la bomba y tomados por proteínas
ligantes de Ca++, tales como la enzima
ATPasa de alta afinidad así como también
por la calsequestrina de baja afinidad. Puesto
que las bombas individuales tienen una baja
capacidad para transportar iones (20/s), es
necesario que el RS tenga una alta densidad de
bombas en su membrana de tal manera que
baje rápidamente la concentración de Ca++ en
el citosol. Las micrografías electrónicas de
fractura por congelación revelan partículas
redondeadas, casi indudablemente son las
bombas de Ca++, que están empacadas
estrechamente una contra otra en la
membrana del RS (McComas, 1996).
Relajación.
Cuando un músculo deja de ser
estimulado, el flujo de Ca++ cesa y la
troponina se encuentra libre de nuevo para
inhibir la interacción actina-miosina. Durante la
recuperación, el calcio es bombeado
activamente hacia dentro del retículo
sarcoplásmico,
concentrándose
en
las
++
vesículas laterales. Al retirarse el Ca de
las proteínas troponina-tropomiosina, se
"apagan" los sitios activos en el filamento de
actina. Esta inactivación genera dos cosas: (a)
evita cualquier unión mecánica entre los
puentes cruzados de la miosina y los
filamentos de actina, y (b) inhibe la actividad
de la miosina ATPasa para restringir la
hidrólisis del ATP. La relajación muscular
ocurre por el regreso de los filamentos de
actina y miosina a su posición original.
Secuencia de eventos en la contracción
muscular.
En la figura 35 se muestra
esquemáticamente la serie de eventos que
ocurren durante la contracción y relajación
muscular.
Paso 1: La acetilcolina (ACh) es liberada por
las pequeñas vesículas localizadas dentro de las
terminales del axón. La ACh difunde a la
hendidura sináptica y se une a receptores
especializados en el sarcolema. Existe una
simetría casi perfecta entre el "impreso" de
las vesículas presinápticas que contienen la
ACh y el "impreso" de los receptores
postsinápticos que ligan la ACh.
Paso 2: El potencial de acción del músculo
depolariza los túbulos T en la unión de las
bandas A-I del sarcómero.
Paso 3: La depolarización del sistema de
túbulos T ocasiona que el Ca + se libere
desde los sacos laterales (cisternas terminales)
del retículo sarcoplásmico.
Paso 4: Los iones de Ca++ se unen al complejo
troponina-tropomiosina en los filamentos de
actina, lo cual elimina la inhibición que evita
que la actina se combine con la miosina.
Paso 5: Durante la actividad muscular, la actina
se combina con la miosina ATP. La actina
también activa la enzima miosina ATPasa, la
cual hidroliza al ATP. La tensión es creada
porque la energía de esta reacción produce el
movimiento de los puentes cruzados de la
miosina.
Paso 6: El ATP se une al puente de la miosina.
Esto rompe la unión actinamiosina y permite
al puente cruzado disociarse de la actina. Esto
lleva a un movimiento relativo o deslizamiento
de los filamentos delgados y gruesos pasando
uno sobre el otro, como consecuencia el
músculo se acorta.
Paso 7: La activación de los puentes cruzados
continúa mientras la concentración de Ca++
permanezca lo suficientemente elevada (debido
a la depolarización de la membrana) para inhibir
la acción del sistema troponina-tropomiosina.
Paso 8: Cuando el músculo ya no es
estimulado, la concentración de Ca ++
disminuye rápidamente ya que el Ca++ es
regresado hacia el retículo sarcoplásmico por
medio de un proceso activo que requiere de
hidrólisis de ATP.
Paso 9: La remoción del Ca++ restablece la
acción inhibitoria de la troponina-tropomiosina.
En presencia de ATP, la actina y la miosina
permanecen disociadas y por lo tanto en un
estado relajado.
XVII.- ESTADO ACTIVO.
La duración del estado activo es más corta que la de
la sacudida.
El estado activo puede ser prolongado por la
estimulación repetitiva.
Efectos de la longitud muscular y carga.
La velocidad y el grado de acortamiento muscular
dependen de la carga.
La fuerza muscular está determinada por la
velocidad de acortamiento y la carga.
XVII.- ESTADO ACTIVO.
El estado activo corresponde a la formación
de complejos de actomiosina por unión de los
puentes cruzados de miosina a los filamentos
de actina y la ulterior actividad de
acortamiento por los puentes cruzados. Como
esta actividad de los puentes cruzados está
controlada por la concentración de calcio libre
en el sarcoplasma, la duración y la intensidad
del estado activo depende de la concentración
de Ca++ que rodea a los filamentos
contráctiles, la variación en el tiempo del
estado activo se cree que se aproxima a la que
experimenta el aumento en la concentración de
calcio en el sarcoplasma (Eckert, 1990).
La duración del estado activo es más corta
que la de la sacudida.
Los registros isométricos de las
sacudidas musculares dan una pobre indicación
de la intensidad y duración del estado activo a
causa de los componentes elásticos que se
encuentran en serie con los elementos
contráctiles. Una vez que los componentes
elásticos en serie han sido estirados la
tensión puede ser registrada, el estado activo
inicia, antes del comienzo de la sacudida
isométrica y tiene una duración que es menor
que el tiempo de contracción (Fig. 36); la
tensión generada por los puentes cruzados será
mayor que la registrada (McComas, 1996).
El estado activo puede ser prolongado por la
estimulación repetitiva.
Un modo simple de prolongar el estado
activo es dar a la fibra una secuencia rápida de
estímulos. El estado activo que sigue a cada
excitación entonces se une al siguiente, y
como hay suficiente tiempo para que todas las
componentes elásticas en serie
sean reclutadas por los elementos contráctiles, la
tensión registrada es considerablemente mayor
que la de una sola sacudida (Fig. 36).
Conforme la frecuencia de estimulación se
aumenta, la tensión (fuerza) se eleva
gradualmente; finalmente se alcanza una
frecuencia más allá de la cual ya no se genera
una tensión mayor. Esta última frecuencia es el
valor óptimo y es mayor en los músculos de
sacudida rápida que en los músculos de
sacudida lenta (McComas, 1996) En ese
momento el músculo ha alcanzado entonces
una
tensión
tetánica
completa.
(La
prolongación del estado activo por potenciales
de acción próximos repetidos se denomina
tétanos.). Como se observa en la figura 36,
dependiendo de la tasa de repetición de los
potenciales de acción musculares, se
producen varios grados de fusión de las
contracciones aisladas y de tensión tetánica
(Eckert, 1990). Otra propiedad de los
músculos contraídos es que después de que se
ha detenido el tétanos, la respuesta de sacudida
a estímulos individuales, aplicados durante los
pocos segundos siguientes, permanecen
agrandadas; el mismo fenómeno puede ser
demostrado enseguida de una contracción
voluntaria, particularmente en los músculos de
sacudida rápida. Este comportamiento ha sido
llamado potenciación postetánica y es debido
probablemente a una alteración temporal en la
intensidad o duración del estado activo. Tal
potenciación se ha atribuido a la fosforilación
de las cadenas ligeras de la cabeza de la
miosina (Moore y Stull, 1984), pero otro
mecanismo posible es la elevación del Ca++ en
el citosol por un lapso corto después de
terminar el tétanos o la activación voluntaria
(Allen, Lee y Westerblad, 1989). La misma
explicación se ha dado al fenómeno de la
escalera positiva que
fue
observado
originalmente en el músculo gastrocnemio de
rana pero también ha sido demostrado en el
músculo adductor pollicis del humano (Slomic,
Rosenfalck y Buchthal, 1968).
Consiste de un crecimiento progresivo de las
sacudidas isométricas cuando los estímulos
son aplicados a bajas frecuencias, tal como 2
Hz.
Efectos de la longitud muscular y carga
En situaciones experimentales, es
común estudiar el comportamiento contráctil de
las fibras musculares bajo condiciones
isotónicas o isométricas, porque el análisis de
los resultados es considerablemente fácil.
En una contracción isotópica, el
músculo se acorta y levanta alguna carga que
esté unida a su tendón. Bajo esas circunstancias,
se realiza trabajo externo que es igual al
producto de la carga y la distancia recorrida
(es decir trabajo = carga x distancia). En una
contracción isométrica, al
músculo fijado por sus dos extremos se le
impide acortarse. En lugar de realizar trabajo
externo el músculo desarrolla tensión en sus
puntos de unión; la energía generada en la
contracción es liberada como calor. En la vida
diaria
existen
muchos
ejemplos
de
contracciones que son por completo isotónicas
ó isométricas. Las contracciones isotónicas
incluyen, por ejemplo, andar en bicicleta,
peinarse, colocar objetos en anaqueles o cargar
un carro en el supermercado. Una contracción
isométrica podría ser el intento sin resultado
de levantar un objeto demasiado pesado, hacer
una fuerza contraria para evitar que un
objeto se nos caiga encima o simplemente
mantener nuestra postura en contra de la
gravedad. Otras actividades son mas
complejas, por ejemplo, al caminar hacia
adelante el balanceo de las
piernas es ejecutado por la acción de los
músculos de los glúteos, los cuales desarrollan
tensión mientras se alargan.
En el hombre, a las contracciones en
las cuales se les permite acortarse a los
músculos (Fig. 37) normalmente se les refiere
como concéntricas, y a las contracciones
llevadas a cabo durante el alargamiento
muscular se les denomina excéntricas
(McComas, 1996).
La velocidad y el grado de acortamiento
muscular dependen de la carga.
Es una experiencia bien conocida que el
levantamiento se vuelve cada vez más lento
al hacerse más grande la carga. En el
laboratorio, este fenómeno puede ser
investigado al estimular de forma repetida al
músculo (tetánicamente) y medir la velocidad
del acortamiento muscular para diferentes
cargas. Se puede ver que, no solo se reduce la
velocidad de acortamiento cuando es aplicada
una carga relativamente grande, sino que hay
un periodo latente antes de que el objeto sea
movido del todo. Durante este periodo latente,
el músculo se contrae isométricamente hasta
que se produce la suficiente tensión que iguale
a la carga. No solo se reduce la velocidad de
acortamiento por cargas pesadas, sino que
también disminuye la cantidad de acortamiento.
Un punto a ser remarcado es que,
independientemente de las circunstancias de la
contracción - isotónica, isométrica, o
alargamiento- las interacciones entre los
puentes cruzados y los filamentos de actina son
las mismas, en donde los puentes cruzados se
enlazan y se esfuerzan para deslizar a estos
últimos a todo lo largo. En una contracción
isotónica (concéntrica) con una carga
pequeña, el movimiento deslizante permite a
los filamentos de miosina traslaparse
completamente por los de actina. En una
contracción isométrica, la cantidad de
traslape de los filamentos depende de la
longitud en la cual, previa a la activación, se
haya mantenido al músculo. Durante la
activación
los
puentes
cruzados
repentinamente hacen y deshacen conexiones
con los filamentos de actina, produciendo una
tensión igual a la de la carga externa pero no
hay movimiento de los filamentos de actina. En
una contracción de alargamiento (excéntrica),
los puentes cruzados generan menos tensión
que la fuerza externa de estiramiento
aplicada al músculo, por lo consiguiente, en
los sarcómeros los filamentos de actina
opuestos son retirados uno del otro
(McComas, 1996).
La fuerza muscular está determinada por
la velocidad de acortamiento y la carga.
Por definición, la fuerza desarrollada
por un músculo en una contracción es igual al
producto de la carga y la velocidad con la cual
ésta es movida. Así,
Fuerza = Carga x Velocidad
La inspección de la curva de fuerza velocidad indica que la fuerza será cero cuando
no existe carga sobre el músculo y también
cuando la carga es tan pesada que no puede ser
movida del todo; en algunas cargas
intermedias, la fuerza sería mayor. Para
muchas actividades, tales como correr, saltar,
remar y andar en bicicleta, el resultado sería
gobernado por la fuerza que pueda ser
desarrollada. Como un ejemplo de la
investigación en este campo, se analizó por
Sargeant, Dolan y Young (1984) la relación
entre la velocidad del pedaleo y la fuerza
generada durante el ciclismo de velocidad. La
composición de los tipos de fibras musculares
sería también importante para decidir cuanta
fuerza puede ser desarrollada. Por ejemplo,
mientras un músculo de sacudida lenta no
puede ser
capaz de
acortarse
los
suficientemente rápido para generar una fuerza
dada, un músculo de sacudida rápida sí puede
hacerlo.
XVIII.- PROPIEDADES MECANICAS PASIVAS.
La molécula de Titina (Conectina)
Un papel fisiológico para la titina en el músculo
esquelético.
La titina tiene dos funciones dentro del músculo.
Titinas: proteínas gigantes encargadas de la
elasticidad y de la ultraestructura del
músculo.
Generación de fuerza pasiva e isoformas de la tinina
en músculo esquelético de mamífero.
Composición proteica miofibrilar de fibras desnudas
aisladas.
Bases moleculares de las diferencias específicas de
isoforma en la elasticidad de la titina.
La titina como resorte molecular.
Implicaciones fisiológicas de la molécula de titina.
Estiramiento de moléculas de titina.
XVIII.- PROPIEDADES
PASIVAS.
MECANICAS
Una forma simple de fuerza muscular es la
tensión "pasiva" que se desarrolla cuando los
músculos son estirados. La suma de las
tensiones pasiva y activa es la fuerza total
desarrollada por un músculo. La tensión
pasiva es comúnmente atribuida a fuerzas
elásticas del tejido conectivo y no a la
elasticidad miofibrilar (Banus y Zetlin, 1938;
Hill, 1950). Estos primeros puntos de vista
contrastan con la más reciente demostración
de que la tensión pasiva de fibras individuales
tienen su origen por mucho en las miofibrillas,
con una pequeña contribución, en longitudes
extremas, de las fibrillas de colágena del
sarcolema (Rapaport, 1972). Se ha demostrado
que la tensión pasiva de las fibras musculares
esqueléticas intactas es equivalente a la de las
fibras musculares esqueléticas desnudas
(Magid, 1985).
En músculos semitendinosos intactos
de rana en longitudes sarcoméricas cerca de
3.8 µm, la tensión de reposo surge, no en el
tejido conectivo como comúnmente se ha
pensado, sino en la resistencia elástica de las
miofibrillas (Magid, 1985). Se cree que el
tejido conectivo se vuelve importante en la
contribución de tensión de reposo en los
músculos semitendinosos completos de rana
sólo en longitudes sarcoméricas mayores a 3.8
m. Cuatro observaciones apoyan esta idea.
(i) Rapaport (1972, 1973) mostró esa situación
en fibras aisladas intactas. (ii) La tensión
pasiva cayó substancialmente por debajo del
incremento exponencial cerca de esa longitud
en fibras desnudadas mecánicamente, mientras
que en los músculos completos no lo hizo. (iii)
Schmalbruch (1974) reportó que las fibrillas
de colágena del sarcolema estuvieron
elongadas inicialmente, pero se alinearon con
el eje de la fibra en la longitud donde la tensión
de reposo aumentó marcadamente. (iv)
Miocitos cardiacos de rata mecánicamente
desnudos,
aunque mostraron una tensión de reposo
apreciable, pudieron ser estirados aún más
que las células intactas (Fabiato y Fabiato,
1978).
Sobre las base de esas consideraciones
se concluye que, sobre el rango de longitudes
sarcoméricas involucradas en los movimientos
naturales, la resistencia pasiva para el
estiramiento surge en su mayor parte de las
miofibrillas. ¿Que componente del sarcómero
incluye esta elasticidad de reposo? En el
músculo del vuelo de los insectos, las
conexiones filamentosas entre los filamentos
gruesos y las líneas Z cumplen esta función
(White, 1967). Un arreglo similar ha sido
propuesto para los músculos estriados de los
vertebrados.
La producción de fuerza activa en el
músculo esquelético resulta de la interacción de
los filamentos gruesos que contienen
miosina con los filamentos delgados que
contienen actina. Además, los músculos son
también pasivamente elásticos, producen fuerzas
pasivas
que
resisten
el
estiramiento
independientemente de la hidrólisis del ATP o
de la interacción entre los filamentos.
Actualmente se piensa que la mayoría de esta
fuerza pasiva, o tensión de reposo, surge del
estiramiento de largos filamentos elásticos
compuestos de titina (Horowits, et al. 1986;
Yoshioka, et al. 1986; Horowits y Podolsky,
1987; Funatsu, et al. 1990; Horowits, 1992).
Los primeros estudios fisiológicos sobre
la elasticidad del músculo generalmente se han
modelado a partir de elementos elásticos
acomodados ya sea en serie o en paralelo con
una unidad contráctil, sin especificar su origen
anatómico. Estudios recientes indican que
dentro del rango fisiológico, en los cambios de
longitud
del
músculo,
las
estructuras
miofibrilares son la principal fuente de
elasticidad y que el sarcolema y los tejidos
conectivos
extracelulares
contribuyen
significativamente
sólo
en
músculos
esqueléticos bastante extendidos. Puesto que ni
los filamentos de
actina ni de miosina poseen elasticidad de largo
alcance, el citoesqueleto asociado al
sarcómero podría desempeñar un papel
predominante. Los primeros candidatos son
dos armazones bioquímicamente distintas pero
estructuralmente interconectadas. Una es una
red exosarcomérica de filamentos intermedios
que envuelven e interconectan a los
sarcómeros (costámero) con el esqueleto
asociado a la membrana y organelos. A causa
de que los sarcómeros están unidos
radialmente en paralelo con otras miofibrillas
(Fig. 15) y longitudinalmente con los
sarcómeros adyacentes de la misma miofibrilla
(Fig. 4 ) en las líneas Z y M, esta red de
filamentos intermedios es potencialmente
productora de fuerza en las células musculares.
El segundo candidato es una matriz
endosarcomérica recién reconocida que
consiste de un grupo de filamentos extensibles
de titina, que se extienden desde la línea Z
hasta la región de la línea M. En el sarcómero
intacto, un solo polipéptido de titina abarca la
mitad de un sarcómero y está formado por
dos segmentos mecánicos: el segmento entre la
línea Z y el borde de la banda A es extensible,
mientras que el segmento dentro de la banda A
está anclado (Fig. 11) y no se puede estirar
presumiblemente por su interacción con los
filamentos gruesos o
proteínas asociadas. Así los filamentos
compuestos
de
titina-miosina
podrían
desempeñar extensibilidad segmentaria (Wang,
et al. 1993).
La molécula de Titina (Conectina)
Con una subunidad de peso molecular
de 2.5-3 millones de daltones (Maruyama, et
al. 1984; Kurzban y Wang, 1988), la molécula
de titina o conectina es inusualmente larga. La
titina migra en dos bandas química e
inmunológicamente similares sobre gel de
poliacrilamida SDS. La banda que migra más
lentamente es más prominente, y las
estimaciones de la masa molecular relativa (M,)
del componente más pesado indican que varía
desde 1 400 a 2 800 Kd (Wang, 1985;
Maruyama et al. 1984). En cada mitad de los
miles de unidades contráctiles -sarcómeros- que
forman un músculo, se ha demostrado por
medio de anticuerpos monoclonales marcados,
que las moléculas de titina individuales (Fig.
38) se extienden en la distancia >1 µm desde
los discos Z hasta el centro del sarcómero en las
líneas M (Keller, 1997); y están divididas en
una región no elástica que está rígidamente
unida a lo largo de la longitud del filamento
grueso y en una
región elástica que está uniendo el extremo del
filamento grueso con los discos Z (Wang, el
al. 1985; Furst, el al. 1988; Itoh, el al. 1988;
Horowits, el al. 1989; Whiting, el al. 1989). Es
decir, la titina está localizada tanto en la banda
A como en la banda I, pero sólo el dominio de
la banda I exhibe dependencia elástica al
estiramiento (Maruyama, el al. 1981; Wang et
al. 1979)
Las claves para el entendimiento de las
propiedades mecánicas de la titina surgieron de
la donación que reveló la secuencia completa
de la titina del músculo estriado de humano
(Granzier, el al. 1996), y de una mini-titina de
invertebrados. La titina es principalmente un
resorte
de
300
repeticiones
de
inmunoglobulina (Ig) C2 y de fibronectina
tipo III (Labeit y Kolmerer 1995). La mayoría
de los ≈ 30 000 aminoácidos de la molécula de
titina de los vertebrados se pliegan en arreglos
uno tras otro. En las repeticiones, cada uno
de
los
dominios
estructurales
de
inmunoglobulina y fibronectina III contiene
X100 aminoácidos. Ambos dominios son
estructuras parecidas a un emparedado que
contiene siete bandas (3 (Fig. 39), y están
estabilizados por puentes de hidrógeno
localizados entre las bandas que forman cada
hoja, y por interacciones de cadenas laterales
entre las dos caras del emparedado (Keller,
1997). Cada repetición de inmunoglobulina
se pliega en un dominio globular de cerca de 2.5
nm de diámetro y 4 nm de largo, produciendo
un filamento de 12 µm de longitud. Fue
propuesto anteriormente que el estiramiento de
la titina podría desdoblar los dominios de
inmunoglobulina, cada dominio extendiéndose
desde 4 a 30 nm conforme se desenrollaba, sin
embargo, la secuencia completa reveló un
nuevo dominio (Fig. 38) llamado PEVK (porque
es rico en prolina (P), ácido glutámico (E), valina
(V) y (K) lisina en la mitad del segmento de la
titina localizado en la banda I (Erickson,
1997; Keller, 1997). Usando unión de
anticuerpos
para
monitorear
regiones
específicas de la molécula de titina,
se ha mostrado claramente que el segmento
PEVK se extiende reversiblemente (Linke, el
al 1996). El mayor punto en discusión ha sido la
parte de la resistencia al estiramiento que
desempeña el desdoblamiento de los
dominios de
inmunoglobulina y de
fibronectina III (Erickson, 1994). Los nuevos
estudios sobre las propiedades viscoelásticas
de las moléculas de titina aisladas
(Tskhovrebova, el al. 1997; Rief, el al. 1997)
confirman
que
los
dominios
de
inmunoglobulina
se
desdoblan
bajo
condiciones extremas de estiramiento, y
también revelan diferencias considerables en
elasticidad entre el segmento PEVK y los
dominios de inmunoglobulina.
Un papel fisiológico para la titina en el
músculo esquelético.
En el estudio de Horowits el al.
(1986) irradiaron tiras musculares desnudas del
psoas de
conejo. Al examinar la
ultraestructura de fibras desnudas normales e
irradiadas, observaron que las fibras relajadas
irradiadas, fijadas después del estiramiento
exhibieron zonas H bien definidas. La longitud
de la zona H aumentó conforme la longitud
del sarcómero fue incrementada desde 2.6 a
3.0 pm, indicando que la radiación dejó los
filamentos delgados intactos y mecánicamente
acoplados a los discos Z. Sin embargo,
después de la radiación, los bordes de las
bandas A no estaban exactamente definidos, y
esto se acompañó por el desorden de la
banda M en el centro del sarcómero,
indicando desarreglo de los filamentos
gruesos.
Las fibras musculares fijadas durante
la activación con Ca++, mostraron más
desorden que las fibras en reposo, pero las
líneas M y las bandas I fueron aún claramente
visibles en las muestras no irradiadas. En
contraste, la activación con Ca++ de las
muestras irradiadas amplificaron el
desarreglo
de los filamentos gruesos, presente ya en el
estado de reposo. En algunos sarcómeros esto
lleva a una desaparición casi completa de la
banda I conforme los filamentos gruesos
individuales son activamente llevados
hacia el disco Z más cercano. Aunque aún
presentes, las regiones M están también más
desordenadas que en los músculos activos no
irradiados, pero las bandas A están más
desordenadas que las líneas M. El aislamiento
de las bandas A intactas ha indicado que las
regiones M pueden jugar en parte un papel
para mantener juntos a grupos de filamentos
gruesos (Hanson, O'Brien y Bennett, 1971),
pero los resultados de este estudio sugieren
que la línea M es una estructura a través de la
cual los filamentos gruesos individuales pueden
deslizarse, como previamente se observó en
estudios de músculo de vaca sobreestirados
(Locker y Leet, 1975). Esos hallazgos indican
que la radiación destruye a una estructura
responsable para el centrado de los filamentos
gruesos dentro del sarcómero durante la
generación tanto de fuerza pasiva como activa.
El modelo de los filamentos deslizantes
predice que la posición de los filamentos
gruesos en el centro de cada sarcómero es
inherentemente inestable. Los filamentos de
titina al estar colocados entre los discos Z y
los filamentos gruesos, proporcionan una
fuerza que mantiene la posición de los
filamentos gruesos en el centro del
sarcómero (Horowits, el al. 1989; Horowits y
Podolsky, 1 9 8 7 , 1988). La influencia de la titina
sobre la posición de los filamentos gruesos es
crítica para la adecuada función del
sarcómero, porque un sarcómero compuesto
sólo de filamentos de actina y miosina es
inestable cuando es activado. Esto es porque
durante la contracción, la magnitud de la fuerza
sobre cada mitad del filamento grueso es
proporcional a la fracción de puentes
cruzados que interactúan con los filamentos
delgados (Gordon, el al. 1 9 6 6 b ). Por lo tanto,
cualquier desequilibrio inicial en
fuerza (lo cual podría ser causado por el
centrado impreciso de los filamentos gruesos o
por la desincronizada producción de fuerza por
muchos puentes cruzados independientes)
podría ser amplificado conforme el filamento
grueso es jalado hacia un extremo del
sarcómero (Horowits, 1992). Esos filamentos
elásticos estirados podrían, en efecto,
transmitir la fuerza activa hacia los discos Z,
fuerza que de otra manera no podría alcanzar
nunca los extremos del sarcómero. Finalmente,
durante la relajación los filamentos elásticos
podrían recentrar los filamentos gruesos en el
sarcómero y así optimizar las condiciones para el
inicio de otra contracción. Muchos autores han
propuesto modelos sarcoméricos similares
sobre las bases de evidencias estructurales
(Maruyama, et al. 1994; Wang, 1985; Higuchi y
Umazume, 1985). Esos modelos ahora están
sustentados por la evidencia fisiológica de que
la titina es esencial para mantener la
alineación de los filamentos gruesos y para la
eficiente producción de fuerzas pasiva y activa.
Esas conexiones elásticas de titina
proporcionan poca resistencia a la extensión,
que es necesaria para restablecer los
sarcómeros después de la contracción activa.
Las moléculas se ponen cada vez más rígidas
conforme los sarcómeros se alargan, y por lo
tanto, más efectivas en mantener a los
filamentos gruesos en el centro del sarcómero
durante la activación (Horowits, 1992; Keller,
1997). Si los sarcómeros son estirados más
allá de lo que se conoce como el límite
elástico -un grado de estiramiento que
raramente se produce in vivo- la titina se
disocia de los filamentos de miosina (Fig.
40A), y se puede extender más de cuatro
veces de su longitud normal sin perder el
anclaje de las líneas M y Z (Wang, et al. 1993).
Este mecanismo autoprotector (factor de
seguridad) mantiene la integridad estructural
del músculo como un todo, aunque esos
sarcómeros podrían estar incapacitados para
contraerse temporalmente.
Durante la contracción normal, la elasticidad
de la titina también ayuda al equilibrio de las
fuerzas contráctiles que son producidas por la
miosina, así que esos filamentos permanecen
centrados en el sarcómero (Horowits y
Podolsky, 1987). La efectividad de los
filamentos de titina en prevenir esta
inestabilidad puede ser fácilmente observable
con el microscopio electrónico en fibras
musculares desnudas fijadas después de
activación prolongada (Horowits, 1992).
A longitudes sarcoméricas hasta de ≈
3.5 µm la tensión de reposo en el músculo
semitendinoso de rana se origina en la
miofibrillas (Magid y Law, 1985; Podolsky,
1964). Esto también es probablemente cierto
para el músculo psoas de conejo, así que la
magnitud de la tensión pasiva en la
preparación de fibra desnuda de conejo es
similar a la que reflejaría el músculo intacto
(Horowits, et al. 1986). Se ha reportado por
Wang et al. (1993) al realizar el estiramiento de
fibras divididas de psoas de conejo que la
tensión al principio aumenta exponencialmente
(Fig. 40B) alcanzando el límite elástico y
entonces se nivela desde 4.5 µm a ≥5.5 µm.
Esas curvas indican que la matriz del
sarcómero es responsable solamente para la
primera elevación de la tensión exponencial
antes del límite elástico y contribuye casi en
una cantidad constante de tensión en todos los
grados de extensión del sarcómero en los
puntos más allá del límite elástico (SLy). Tal
respuesta de la matriz sarcomérica al
estiramiento puede ser entendida cualitativa y
cuantitativamente sobre las bases de la
extensión reversible de un segmento de titina
que está anclada entre la línea Z y el extremo
de los filamentos gruesos: en sarcómeros que
no han alcanzado el límite elástico, la extensión
lineal de este segmento da origen a una
elevación exponencial de la tensión de reposo
que ha sido descrita previamente. Más allá del
límite elástico, la longitud relajada del
segmento extensible se vuelve más grande
por la
Figura 40.- Curvas de tensión-longitud y deformación segmentaria de la titina.
(A) Interpretación del comportamiento estructural del sarcómero durante el estiramiento.
(B) Curva de tensión pasiva-longitud sarcomérica caracterizada por cuatro zonas (I a IV). Con el límite elástico como frontera, la
tensión de reposo-longitud sarcomérica puede ser dividida en cuatro zonas, cada una con distinta interpretación estructural.
ZONA I.- Desde la longitud de reposo (SLo) al inicio del incremento exponencial de tensión (SLe). No se genera tensión
significativa, esto podría ocurrir como resultado del enderezamiento de los filamentos fláccidos de titina sin un cambio neto en la longitud
del contorno.
ZONA IL- Del inicio de la tensión exponencial (SLe) al límite elástico. La tensión aumenta de manera exponencial y
subsecuentemente se desvía desde la exponencial hasta alcanzar un máximo local cerca de la extensión de 4.0 µm. En esta zona, la
titina extiende su longitud de contorno linealmente, quizás por cadenas de proteínas no plegadas, en un modo generador de fuerza.
ZONA III.- Del límite elástico y más allá (>SLy). La tensión alcanza un máximo y entonces comienza a declinar ligeramente.
Esta reducción puede ser causada por un incremento neto en la longitud del segmento extensible de la titina nuevamente reclutado
desde la región de la banda A. Posteriores estiramientos más allá del límite elástico, pueden causar que cada vez más, una mayor
cantidad de titina sea convertida en segmento extensible, restringiendo así la máxima tensión del filamento de titina que en el nivel
del límite elástico. ZONA N- Desde 4.5 mm y más allá. La segunda elevación de tensión refleja la contribución adicional de la red
de filamentos intermedios que rodean cada miofibrilla.
(C).-Interpretación de la participación de los filamentos intermedios durante el estiramiento, antes y después de la extracción de los
miofilamentos con yoduro de potasio. Tomado de: Wang et al.: Viscoelasticity of the
sarcomere matrix of skeletal muscle. The titin-miosin composite filament is a dual-stage molecular spring.
Biophysical Journal. 1993; 64: 1161-1177.
incorporación de una sección del segmento
anteriormente anclado de la titina, que se
libera cerca de los extremos de los filamentos
gruesos.
Para evaluar la contribución mecánica
de los filamentos intermedios, las fibras
divididas fueron sometidas a la extracción con
yoduro de potasio (KI). El tratamiento con KI,
desarma los filamentos gruesos y delgados,
suelta los filamentos de titina en el extremo
cercano a la línea M y causando a la titina
trasladarse y acumularse cerca de la línea Z.
Como resultado, el único entramado
mecánicamente competente en el residuo son
los filamentos intermedios asociados al
sarcómero que han resistido al efecto
destructor del KI, como resultado, sólo los
filamentos intermedios resistentes al KI
mantienen su conexión estructural y su
capacidad productora de fuerza en el residuo
de KI. El residuo de la extracción fue más
extensible y la tensión fue detectada sólo más
allá de 4.5 µm (Fig. 40C). Una pequeña
histéresis fue observada durante la liberación de
las fibras. Esto sugiere que la extensión de la
red de filamentos intermedios es responsable
del incremento en tensión más allá de 4.5 µm.
Así, la red exosarcomérica de filamentos
intermedios es una estructura viscoelástica
generadora de fuerza que es laxa abajo de 4.5
µm y contribuyen en la tensión de reposo sólo
en longitudes arriba de 4.5 µm. Los datos
obtenidos indican así que la red de filamentos
intermedios de la miofibrilla que conectan
longitudinal y transversalmente las líneas Z
con las líneas M de sarcómeros adyacentes,
pueden no ser forzados dentro de los rangos
fisiológicos de la extensión muscular y
contribuyen poco en la transmisión de tensión
de reposo. Es concebible, sin embargo, que
en los casos donde los sarcómeros son
dañados e incapaces de transmitir tensión de
reposo ya sea activa o pasiva, los filamentos
intermedios asociados pueden ser estirados por
sarcómeros adyacentes funcionales hasta una
longitud en
la cual produzcan fuerza y así proporcionar
continuidad mecánica. En las preparaciones
de fibra dividida, es notorio que después de
que fueron removidos el sarcolemma y los
filamentos intermedios asociados a la
membrana (costámero), no se expresaron sus
propiedades mecánicas (Wang, et al. 1993).
La titina tiene dos funciones dentro del
músculo.
Como elementos elásticos que unen
cada extremo de los filamentos gruesos con
los discos Z, los filamentos de titina están en
una posición que les permite producir tensión
de reposo así como también para proporcionar
una fuerza que tiende a mantener en el
centro del sarcómero a los filamentos
gruesos. Varias líneas de evidencia
independientes indican que la titina ejecuta
ambas funciones. Primero, la degradación de la
titina y la nebulina por radiación ionizante
(Horowits, et al. 1986) o por digestión
enzimática (Yoshioka, et al. 1986; Funatsu, et
al. 1990) disminuye la tensión de reposo, y
también conduce al desarreglo axial de los
filamentos gruesos (Horowits, et al. 1986). En
el caso de la digestión enzimática, la
disminución de la tensión de reposo acompaña
a la degradación de la titina, pero no de la
nebulina (Funatsu, et al. 1990). Segundo, se ha
mostrado recientemente que los filamentos
gruesos se mueven del centro del sarcómero
durante la contracción isométrica en una
manera que depende de la longitud
sarcomérica (Horowits y Podolsky, 1987). La
dependencia experimental del grado de
movimiento del filamento grueso sobre la
longitud del sarcómero, el curso temporal
observado del movimiento, y la tensión
generada durante el movimiento, se
encontraron todas en acuerdo cuantitativo
con un modelo mecánico en el cual todas las
tensiones de reposo medidas se originan en
elementos elásticos que unen los extremos de
los filamentos gruesos a los discos Z; esas
observaciones no fueron consistentes con el
modelo donde esas estructuras fueron omitidas
(Horowits y Podolsky, 1988). Finalmente, la
titina es la única proteína sarcomérica que está
organizada a manera de unión elástica entre
los filamentos gruesos y los discos Z. Aunque
la nebulina fue alguna vez un componente
putativo de tal estructura, evidencias recientes
sugieren que la nebulina forma una estructura
no elástica en paralelo con los filamentos
delgados (Wang y Wright, 1988), y por lo tanto
no puede contribuir para las propiedades
mecánicas de las fibras musculares relajadas.
Trabajos previos que han utilizado
anticuerpos marcados indican que los
filamentos de titina están acomodados en forma
de uniones elásticas que se extienden desde
los discos Z hacia el centro del sarcómero
(Wang, el al. 1985; Furst, et al. 1988; Itoh, et al
1988; Whiting, et al. 1989). Esos estudios
mostraron que cuando el sarcómero se estira, la
región de la molécula de titina encontrada
en la banda A, se comporta como si
estuviera unida rígidamente al filamento
grueso. En contraste, la región de la molécula
de titina que une al filamento grueso con los
discos Z se comporta elásticamente (Wang, et
al. 1985; Furst, et al. 1988; Itoh, et al. 1988;
Horowits, et al. 1989; Whiting, et al. 1989).
Titinas: proteínas gigantes encargadas de
la elasticidad y de la ultraestructura del
músculo.
El papel critico del filamento de titina
para la estructura y función musculares no
puede ser aclarada sin el conocimiento de su
estructura primaria. Se ha determinado la
secuencia completa de DNA complementario
(cDNA) de la titina cardiaca de humano, las 82
kilobases del cDNA predicen que es una
proteína de 3 megadaltones compuesta de 244
copias de inmunoglobulina y fibronectina
tipo III (Fig. 41 a). Se sugiere que la titina
especifica un plan de construcción sarcomérica,
dentro del cual, características específicas de
los tejidos tales como las diferentes tensiones
pasivas son proporcionadas por empalme
diferencial (Labeit y Kolmerer, 1995).
Algunos anticuerpos monoclonales
específicos para la titina de la banda I han
permitido la distinción entre las titinas
esquelética y cardiaca (Hill y Weber, 1988), y
las movilidades electroforéticas indican que las
titinas de diferentes tejidos tienen diferentes
tamaños (Wang, et al. 1991). Al compararse el
mRNA de titinas de humano y conejo de
diferentes tejidos se encontró que en la parte
central de la banda I las titinas cardiaca y
esquelética tienen composiciones distintas.
Primero, la titina cardiaca comprende 37
tandem de repeticiones Ig, mientras que 90
tandem de dominios Ig están presentes en la
secuencia esquelética de humano. Segundo, una
secuencia de elementos ricos en residuos de
prolina (P), ácido glutámico (E), lisina ( K), y
valina (V), tiene diferente longitud en el
músculo cardiaco y esquelético. Los 4
aminoácidos P, E, V y K, constituyen el 70%
de este elemento, y por lo tanto nos
referimos a el como el dominio PEVK de
titina. Este dominio comprende 163 o mas
residuos en la secuencia de titina cardiaca y 2
174 residuos en la secuencia de titina
esquelética. Diferentes isoformas de la banda I
de la titina fueron detectadas dentro del
mismo tejido (Labeit y Kolmerer, 1995).
Del trabajo realizado por Labeit y
Kolmerer (1995) se concluye que un rango de
isoformas de la titina de la banda I se
genera por empalme diferencial, el cual afecta
la longitud del grupo Ig y de la región PEVK
de la titina. También que la arquitectura de
super-repeticiones de la titina en la banda A
puede explicar la estructura global presente en
los filamentos gruesos de los vertebrados. En
Figura 41.- Diagrama esquemático del mecanismo de la elasticidad y extensibilidad de la titina in situ (a-e) y en moléculas aisladas (f-j). (a) Estructura
y localización de la titina. Los óvalos representan dominios de fibronectina e inmunoglobulina; existen en total cerca de 280. Las flechas verticales indican las
posiciones de los anticuerpos utilizados. (b) Sin estiramiento, la configuración de la titina en la banda I es una espiral enrollada al azar y la fuerza es
cero. (c) El estiramiento inicial endereza la molécula y la fuerza aumenta. (d) Con estiramiento moderado, la región PEVK se extiende. (e) Con
estiramiento extremo, la titina se suelta del filamento grueso, los dominios de inmunoglobulina y fibronectina pueden también desplegarse. (1) Procedimiento
experimental para estirar moléculas individuales de titina. ( g-j) Mecanismos de elasticidad en experimentos con moléculas individuales que corresponden a b-e.
Tomado de: Tskhovrebova et al.: Elasticity and unfolding of single molecules of the giant muscle protein titin. Nature 1997-,387: 308-312.
contraste con la arquitectura conservada de la
titina en la banda A, la estructura de la banda I
de la titina depende del tipo de tejido.
También, en la región M, se expresan dos
isoformas distintas de titina en correlación con la
fina estructura de la región M. Por lo tanto, se
sugiere que donde los sarcómeros tienen una
ultraestructura conservada, la arquitectura de
los dominios es constante, mientras que los
aspectos específicos de un tejido son
introducidos en el plan de construcción del
mRNA de la titina por empalme diferencial en
las regiones donde la ultraestructura del
sarcómero es variable.
Por comparación de las secuencias de
la titina de la banda I del músculo de corazón,
de psoas y soleo cada uno de los cuales tiene
diferentes tensiones pasivas y expresan
diferentes tamaños de titina (Wang, el al.
1991), se han identificado ya las regiones que
están involucradas en la elasticidad. La
secuencia de la banda I tiene diferentes
contenidos tanto de tandem Ig como del
segmento PEVK. Trabajos previos sobre las
bases moleculares de la elasticidad en la titina
asumen que la banda I de la titina está
compuesta sólo de dominios Ig y fibronectina
III. Por lo tanto, fue propuesto que las
estructuras R de la Ig de las repeticiones de
titina se desdoblan para ganar un incremento en
longitud de varias veces. Sin embargo, la
estabilidad de los dominios I expresados no
apoyan tales teorías de desdoblamiento. La
región PEVK podría ser más fácilmente
estirado que los dominios Ig porque la
reducida complejidad de la secuencia junto
con los paquetes de cargas negativas podrían
evitar la formación de estructuras terciarias
estables (Labeit y Kolmerer, 1995). En un
estado extendido, la versión de 2 200 residuos
del segmento PEVK podría extenderse 0.8
µm in vivo y explicar la extensión inicial de
≈ 0.8 µm por cada mitad del sarcómero,
durante la cual la mayoría de los músculos
esqueléticos desarrollan sólo poca tensión
pasiva (Wang, el al. 1991).
Por lo tanto, el dominio PEVK puede
explicar la extensibilidad del filamento de titina
en fuerzas bajas. Después de que esta
extensibilidad
se
ha completado,
los
plegamientos estables de los dominios Ig de la
banda I de la titina podrían resistir más la
extensión. Esto podría explicar la rápida
elevación en tensión hacia el final de la
longitud laxa de los sarcómeros. Los niveles
moderados de mayor extensión (más allá de
0.8 .m por mitad de filamento) que ocurren in
vivo en el músculo esquelético podrían ser
explicados por cambios conformacionales en el
tandem de segmentos Ig, tales como la
flexión y el estiramiento de las uniones
interdominios (Labeit y Kolmerer, 1995).
En conclusión, se propone que la
región PEVK y el grupo Ig de la titina son
dos elementos de dureza diferencial que
funcionan en paralelo como un sistema de dos
resortes. Esto esta en acuerdo con estudios
mecánicos en músculo que proponen un
modelo de dos resortes (Wang, el al. 1991;
Wang, el al. 1993), y con los estudios
inmunohistoquímicos que
muestran una
extensibilidad no uniforme dentro de la banda I
de la titina (Funatsu, el al. 1993; Trombitas y
Pollack, 1993).
Generación de fuerza pasiva e isoformas de la
tinina en músculo esquelético de mamífero.
Sobre bases de variación en movilidad
electroforética (Hu, et al. 1986; Wang y Wright,
1988) y reactividad a anticuerpos (Hill y Weber,
1986), varios investigadores han demostrado
que diferentes músculos estriados de un mismo
animal pueden contener diferentes isoformas de
titina. También se han observado variaciones en
las isoformas de titina durante el desarrollo
(Yoshidomi, et al. 1985)
Estudios previos han indicado que las
fibras del bíceps o del cuadriceps de humano
(Horowits, el al. 1990) presentan más baja
tensión de reposo que las fibras del psoas del
conejo (Horowits, el al. 1986; Horowits y
Podolsky, 1987), y que las fibras del soleo de
conejo producen aún más baja tensión de
reposo que el músculo psoas del mismo
animal, existe evidencia de que esta diferencia
en la tensión de reposo está acompañada por
una diferencia en la forma, pero no en la
cantidad de titina encontrada en las fibras del
psoas y del soleo. Aunque ambas fibras, de
psoas y soleo, exhibieron una longitud
sarcomérica de 2.2 µm sin estar sometidas a
tensión, las fibras de psoas produjeron niveles
de tensión de reposo varias veces mayores, a
longitudes de sarcómero entre 3 y 4 µm. Las
fibras de sacudida rápida y lenta de humanos
exhiben niveles de tensión de reposo más
bajas que las encontradas en las fibras de
sacudida rápida del psoas de conejo, y
similares a las encontradas en las fibras de
sacudida lenta del soleo de conejo (Horowits,
1992).
actina encontradas en fibras aisladas del psoas y
de soleo. Esto claramente muestra que las
diferencias observadas en la tensión de reposo
no son debidas a la diferencia en el número de
filamentos de titina. Con electroforesis
prolongada, se vuelve aparente una leve
diferencia en la movilidad entre la titina del
psoas y del soleo. La inspección cuidadosa
revela que la titina del soleo migra ligeramente
más lento que la titina del psoas. Las fibras del
soleo también parecen tener una forma más
pesada de nebulina que las del psoas. Esos
resultados reproducen la pequeña pero
detectable diferencia en movilidad entre la
titina del psoas y del soleo de conejo que
fue demostrada por Wang y Wright (1988)
usando un sistema de gel similar. El hallazgo de
que las fibras musculares de psoas y soleo
difieren en la forma, pero no en la cantidad de
titina que ellas contienen, sugiere que las
grandes diferencias en la tensión de reposo
entre las fibras de psoas y soleo podrían ser
debidas a diferencias dentro de cada molécula
de titina. Sin embargo, se tiene que esperar un
estudio comparativo de las propiedades
elásticas de titina aislada para dar pruebas
definitivas de esta hipótesis (Horowits, 1992).
Composición proteica miofibrilar de fibras
desnudas aisladas.
Las células musculares de soleo y psoas
de conejo pueden producir diferentes niveles
de tensión de reposo cuando los filamentos
de titina son estirados, al variar el número de
filamentos de titina arreglados en paralelo entre
los extremos de cada filamento grueso y los
discos Z. Alternativamente, la fuerza
producida por cada filamento de titina puede
diferir en los dos músculos. Las principales
proteínas miofibrilares están presentes en
concentraciones similares en fibras únicas de
psoas y soleo. La cuantificación por escaneo de
densitometría de geles de poliacrilamida
reveló que no existen diferencias significativas
en la concentración de titina, nebulina, miosina,
y
Bases moleculares de las diferencias
especificas de isoforma en la elasticidad de
la titina.
Puesto que un sarcómero en reposo
mide 2.2 µm de largo y que los filamentos
gruesos son de 1.6 µm de largo, la fracción de
la masa de titina en la región elástica de la
molécula puede ser calculada si son hechas las
siguientes consideraciones: primero, que en
un sarcómero en reposo la región elástica de
la titina no está deformada; segundo, que la
porción de la titina unida a lo largo de la
longitud de los filamentos gruesos está
relajada; y tercero, que la molécula de titina
relajada tiene una densidad de masa uniforme a
lo largo de toda su longitud. Esas
consideraciones son razonables tomando en
cuenta las observaciones recientes de que,
excepto por una pequeña cabeza globular en
uno de los extremos, los filamentos aislados
de titina orientados tienen la apariencia de
varillas largas micrométricas de diámetro
uniforme (Nave, el al. 1989). Partiendo de
esas consideraciones, ≈ 25% de la molécula de
titina puede encontrarse en la región elástica
localizada entre los filamentos gruesos y los
discos Z. En niveles similares de tensión de
reposo, la región elástica de titina entre los
filamentos gruesos y los discos Z es ≈ 40%
mayor en las fibras del soleo que en las fibras
del psoas. Por lo tanto, la diferencia en
tensión de reposo entre los dos tipos de fibras
es compatible con un 40 % más grande y por
lo tanto 40% más masa, de la región elástica
de la titina en las fibras del soleo. Tal cambio
podría llevar a un mayor peso molecular en un
10% para la titina del soleo respecto a la titina
del psoas. La diferencia en movilidad
electroforética indica que la titina del soleo es
al menos 5% más larga que la titina del psoas.
Por lo tanto, la diferencia observada en la
movilidad electroforética de la molécula
completa de titina es compatible con la
diferencia de masa estimada de la región
elástica de la titina del psoas y del soleo
derivada de datos fisiológicos (Horowits,
1992). Esto sugiere un modelo simple en el
cual las fibras musculares regulan sus tensión
de reposo, eligiendo entre las isoformas de
titina que difieren en el número de dominios
elásticos que están unidos extremo con
extremo, para formar las conexiones entre los
filamentos gruesos y los discos Z. Otra
posibilidad es que la isoforma de titina menos
rígida, encontrada en las fibras del soleo, está
formada por dominios más elásticos que los
dominios encontrados en la titina del psoas.
Los dos tipos de dominios repetidos
deducidos de la secuencia del cDNA de la
titina podrían jugar un papel en tal mecanismo.
Más
estudios
usando
anticuerpos
monoclonales para explorar las diferencias
estructurales entre las isoformas de titina,
también como la elucidación de la organización
y función de los genes de titina, podrían poner
en claro los mecanismos por los cuales se
regula la tensión de reposo; en particular,
tales estudios podrían proporcionar pruebas
críticas de la hipótesis de que el
polimorfismo de la titina es importante para las
variaciones observadas en la tensión de
reposo.
La titina como resorte molecular.
Las moléculas de titina (o conectina)
del músculo son extraordinariamente largas y
elásticas, trabajan de manera que asemejan
resortes elásticos moleculares, para resistir
pasivamente el estiramiento del músculo
estriado (esquelético o cardiaco) inactivo.
Para estudiar las bases moleculares de las
propiedades mecánicas de la titina se están
utilizando nuevos métodos para sujetar y
estirar moléculas individuales.
La proteína titina cuya longitud de
reposo es de 1 µm, puede estirarse hasta
cuatro veces esa longitud. Tres laboratorios
reportan con relación a este tema, las
mediciones de las fuerzas elásticas generadas
durante el estiramiento y relajación de
moléculas de titina individuales (Tskhovrebova,
el al. 1997; Kellermayer, el al. 1997; Rief, el
al. 1997). Encontraron una mezcla de resortes
entrópicos, la tensión crece y disminuye en forma
de dientes de sierra y presenta el fenómeno de
histéresis, propiedades que son diferentes a
las
de
cualquier
material
elástico
convencional. En altas fuerzas, se vio por
primera vez qué sucede cuando los
dominios proteicos son desenredados por la
fuerza aplicada.
Tskhovrebova el al. (1997) y
Kellermayer el al. (1997) fijaron moléculas de
titina entre un sustrato movible y una cuenta
sujetada en una trampa óptica (ver Fig. 41), y
procedieron a estirarla. Ambos estudios indican
que la titina se extiende en dos fases
distintas. Cuando la molécula de titina se
estira, la primer fase de extensión desarrolla
poca tensión pasiva, corresponde al cambio de
forma completamente plegada a una
enderezada. Con poco estiramiento la fuerza es
generada por un mecanismo caracterizado
como resorte entrópico (figura 42, panel
superior). El resorte entrópico trabaja porque
una cadena enrollada azarosamente tendría el
efecto de maximizar su configuración
conforme ocurren fluctuaciones térmicas. Se
requiere una fuerza para contrarrestar esas
fuerzas térmicas y extender la cadena.
Tskhovrebova et al (1997) proponen un
arreglo de dos resortes entrópicos en serie,
uno correspondiendo al dominio de
inmunoglobulina un poco flexible y el otro al
segmento más flexible PEVK desnaturalizado.
Kellermayer et al. (1997) asentó sus datos en
un solo elemento flexible. El resorte entrópico
proporcionó una fuerza no lineal. La fuerza es
pequeña, de 1 a 2 pN, hasta, 80% de la máxima
extensión pero entonces aumenta de forma
empinada conforme la cadena se extiende más
allá del 80 a 90% de su máxima longitud. El
resorte entrópico se parece a una correa,
transmitiendo fuerza sólo cuando está
máximamente extendida.
El altas fuerzas, Tskhovrebova et al.
observaron el desenrollamiento de los
dominios de inmunoglobulina. Dieron
rápidamente un tirón repentino de 250 nm a la
cuenta, generando una fuerza de más de 100
pN en la titina extendida. Entonces observaron
que la fuerza se relajó en pasos discretos, cada
paso extendiendo la cadena cerca de 20 nm,
cercana a la predicción para un dominio de
inmunoglobulina desenrollado (Erickson,
1994).
Estiramientos adicionales generan
incrementos exponenciales de tensión,
conforme el segmento PEVK se desdobla
dando una cadena polipeptídica extendida de
cerca de 0.4-0.8 µm de largo -mayor de diez
veces su longitud plegada-. Este segmento
PEVK se repliega cuando se libera la
molécula de titina. Cuando el primer
componente está completamente extendido, el
estiramiento extremo adicional trae consigo al
segundo componente: los dominios individuales
de inmunoglobulina (o fibronectina III) que son
desdoblados a manera de todo o nada, por
medio de la ruptura de las uniones
estabilizantes de las bandas (i. El
replegamiento de esos dominios es
relativamente lento, y sólo ocurre cuando los
dominios están expuestos a pequeña, o
ninguna fuerza de estiramiento (Keller, 1997).
Usando microscopía de fuerza atómica,
Rief et al. (1997) caracterizaron el
comportamiento individual al estiramiento de
dominios de inmunoglobulina, utilizaron
segmentos cortos de cuatro u ocho dominios
de inmunoglobulina de titina expresados en
bacterias. El perfil de fuerza mostró
prominentes ondas de tensión en forma de
dientes de sierra, espaciadas precisamente a
25 nm de distancia, conforme se desenrolló un
dominio de inmunoglobulina después de otro
(ver figura 42, inserto en la parte inferior).
Encontraron que cada dominio de desdobla del
mismo modo que la titina intacta (esto es, todo
o nada) pero, al igual que la extensión de un
amortiguador, la fuerza necesaria para el
desdoblamiento del dominio depende de la
velocidad de extensión - mientras más rápida es
la extensión, mayor la resistencia para
desdoblarse. Este estudio también muestra que
existe una clara y persistente jerarquía en el
desdoblamiento, en el cual, algunos dominios
se desdoblan con menor fuerza de
estiramiento que otros.
Una mínima diferencia en la secuencia
de aminoácidos -especialmente en la identidad
de los aminoácidos específicos que mantienen
juntas las caras de un determinado dominio podría determinar el papel específico de ese
dominio en la elasticidad de la titina (Keller,
1997).
Esta posibilidad es particularmente
curiosa cuando se acopla con la observación
hecha por Kellermayer et al. (1997). Ellos
Figura 42.- ,Estiramiento de la titina. En la figura superior se muestra que en un sarcómero relajado, sin estirar, los 100 dominios de
inmunoglobulina y el dominio PEVK del segmento I de la titina pueden ocupar la banda I sin desplegarse. La titina nativa es flexible
y ejerce una débil fuerza como resorte entrópico. En grandes estiramientos (dentro de rangos fisiológicos) se
desenreda el dominio PEVK y existen entonces dos resortes entrópicos en serie: los segmentos de inmunoglobulina, aún nativos,
y los segmentos polipeptídicos más flexibles de la cadena del PEVK. En la figura inferior, se muestra que con el
estiramiento extremo y con elevada fuerza, los dominios de inmunoglobulina se desenredan, uno a un tiempo, (A) muestra
un segmento de cinco dominios de inmunoglobulina plegados y alternados de color verde y azul, sus límites están indicados por líneas.
Desde C a F, dos dominios son desplegados sucesivamente al extender el polipéptído, que está indicado en rojo. En G la molécula
es retraída, ejerciendo una débil fuerza como resorte entrópico. Los dominios de inmunoglobulina no se repliegan hasta que la
molécula está excesivamente retraída (H). El inserto muestra la gráfica de la fuerza durante la extensión (línea roja) y durante la
retracción (línea azul). Tomado de: Erickson, H. P. Stretching single protein molecules: titin is a weird spring. Science 1997, 276:
1090-1092.
Figura 43.- Curva de tensión pasiva por sección de área transversal del músculo esquelético contra longitud sarcomérica.
Curvas escaladas a partir de los datos de una sola molécula de titina comparados con los obtenidos en una fibra de m. psoas de conejo,
considerando que la densidad de titina por sección de área transversal muscular debe ser 2.8 x 1015/M 2 . Tomado de Kellermayer et al.
Folding-unfolding transitions in single titin molecules characterized with laser tweezers. Science 1997; 276: 1112-1116.
encontraron que ciclos repetitivos de
estiramiento conducen a niveles progresivos de
desnaturalización
en
donde
dominios
individuales fallan para replegarse después de su
liberación. Ellos lo atribuyen a la isomerización
de la prolina, que puede ocurrir en la etapa de
desdoblamiento. Si tales dominios permanecen
desdoblados en el músculo, ellos podrían
aumentar el rango de estiramiento sobre el cual
la resistencia es baja, y tal condicionamiento
fisiológico a nivel molecular podría permitir a los
músculos
adaptarse a condiciones cambiantes.
La fuerza medida para una sola
molécula de titina puede ser escalada con
respecto al número de moléculas de titina de un
sarcómero para probar la hipótesis de que la
titina es la única responsable de la respuesta
pasiva elástica del músculo. Al asumir que
existen seis moléculas de titina por filamento
grueso por medio sarcómero; se puede obtener
la curva calculada de la fuerza pasiva por área
de sección transversal del músculo como
función de la longitud sarcomérica. La
curva calculada es similar en forma y magnitud
a la obtenida experimentalmente en una fibra
muscular única de conejo, en la cual se utilizó
caldesmon para bloquear la débil interacción
acto-miosina (Fig. 43).
Los
tres
nuevos
estudios
(Tskhovrebova, el al. 1997; Kellermayer, el al
1997; Rief, el al. 1997) profundizan en la
propiedades mecánicas de una molécula
estructural y predicen que hay más por
aprender, no sólo acerca de la estructura y
función de la titina en el músculo estriado,
sino en las estructuras del citoesqueleto de
células no musculares, donde se ha encontrado
una versión de la titina (Eilertsen, Kazmierski y
Keller, 1994). Estos estudios también
proporcionan
información
para
el
entendimiento en general del desdoblamiento y
del
replegamiento
-los
dominios
de
inmunoglobulina y fibronectina III se
encuentran en una variedad de proteínas. En
las proteínas extracelulares, muchos de los
dominios son además estabilizados por uniones
disulfuro (que evitan el desdoblamiento) entre
residuos de cisteína de diferentes caras de
hojas β del emparedado. Dominios similares en
proteínas intracelulares tales como la titina
pierden esas cisteínas, así que pueden ser,
estructuralmente, menos estables, A causa de
que esos dominios con frecuencia median las
interacciones entre proteínas -como en el caso
de la titina y la miosina- sus propiedades
mecánicas formulan la posibilidad de que el
desdoblamiento inducido por el estiramiento
puede también regular las interacciones
proteína-proteína (Keller, 1997).
Los
tres
reportes
revelan el
desenrollamiento de
los
dominios a
estiramientos grandes, pero cada uno describe
una fuerza marcadamente diferente que se
requiere para iniciar el desenrollamiento,
desde 20 a 40 pN (Kellermayer el al. 1997), a
100 pN (Tskhovrebova el al. 1997), y a 250
pN (Rief, el al. 1997). Esta discrepancia
necesita ser aclarada y cuando sean obtenidos
valores convincentes, esos datos de moléculas
individuales de titina deberán correlacionarse
con las mediciones del estiramiento de fibras
musculares.
El bosquejo convencional de la titina es
que ésta opera como un par de resortes
sobre cualquier lado de la banda de miosina,
manteniéndola centrada en el sarcómero. Este
bosquejo ahora necesita volverse a pensar a la
luz de la enorme histéresis revelada en los
nuevos estudios, especialmente cuando los
dominios de inmunoglobulina son desdoblados.
Esta propiedad es completamente similar a un
verdadero resorte, el cual es altamente
reversible. En la titina, los dominios de
inmunoglobulina
desdoblados
pueden
proporcionar una reserva de longitud extra en
caso de que ocurra estiramiento extremo. Sin
embargo, no hay manera obvia para recobrar
este estiramiento y replegamiento de dominio a
menos que la fuerza esté completamente abolida
y se haya retirado el estiramiento. Podrían los
chaperones estar involucrados en replegar los
dominios de inmunoglobulina?
En resumen, el segmento en la banda I
de la titina se adapta al estiramiento fisiológico,
primero por el enderezamiento (pero no
desdoblamiento) de los segmentos de
inmunoglobulina y desdoblamiento del
dominio PEVK. El dominio PEVK desdoblado
podría actuar como una correa más que
como un resorte, ejerciendo fuerzas mayores
que 5 pN (la fuerza generada por una molécula
individual de miosina) sólo en cerca del 80% de
su máxima extensión. Se requiere fuerza
extrema para desdoblar los dominios de
inmunoglobulina. Una ves desdoblado, esos
dominios no pueden ejercer fuerza
significante, y podrían ser renaturalizados por
otros medios (Erickson, 1997).
Implicaciones fisiológicas de la molécula de
titina.
Como previamente se ha señalado, la
tensión de reposo originada en los filamentos
de titina podría, en principio, variar sobre un
amplio rango sin riesgo de imposibilitar la
habilidad de los filamentos de titina para
reacomodar en el centro del sarcómero los
filamentos gruesos entre contracciones activas
sucesivas in vivo (Horowits y Podolsky,
1988). Sin embargo, la ventaja fisiológica de
tener fibras musculares con niveles variables de
tensión de reposo no es claro. Los músculos
psoas y soleo del conejo son relativamente
homogéneos, conteniendo casi exclusivamente
fibras de sacudida rápida y fibras de
sacudida lenta, respectivamente (Julian, el
al. 1981). Sin embargo, las fibras de sacudida
rápida y lenta en el humano, las cuales
coexisten en los mismos músculos
producen niveles similares de tensión de
reposo. Por lo tanto, el nivel de tensión de
reposo observado en fibras de músculos de
mamífero no es estrictamente una función del
tipo de fibra. Esos resultados sugieren que el
nivel de tensión de reposo mostrada por una
fibra muscular, y por lo tanto de la isoforma de
titina que contiene, está relacionada con su
localización anatómica dentro del animal.
Deberían considerarse en este contexto las
variaciones observadas en la tensión de
reposo. Por ejemplo, en los artrópodos, se
piensa que la tensión de reposo de músculos
opuestos proporciona el soporte postural
(Yox, el al. 1982). En animales superiores, la
producción de tensión de reposo durante el
alargamiento pasivo podría limitar el grado
de movimiento producido por un músculo
opuesto durante el acortamiento activo.
Además, la producción de tensión de reposo
podría ayudar a proteger los músculos del
daño debido a la sobrextensión. Otras
investigaciones sobre esas posibilidades
podrían conducir al entendimiento de la
función de las variaciones anatómicas (Hill y
Weber, 1986; Hu, el al. 1986; Wang y Wright,
1988) y del desarrollo (Yoshidomi, e l al. 1985)
en las isoformas de titina.
Estiramiento de moléculas de titina.
La demostración más dramática del
desenrollamiento del dominio está en el estudio
de Rief el al. (1997), que usaron un
microscopio de fuerza atómica para estirar la
titina.
El panel inferior de la figura 42 ilustra
el comportamiento de la molécula de titina en
altos esfuerzos, la cual se comporta de la
siguiente manera: la molécula de titina con
una longitud de ≈100 nm, comprendiendo 25
dominios de inmunoglobulina (se muestran
cinco), es estirada entre dos ataduras. Cuando
las ataduras están muy cerca una de la otra, la
titina estaría enrollada azarosamente. Cuando la
molécula empieza a extenderse se comporta
como un resorte entrópico; se necesita una
pequeña fuerza para extenderla hasta el punto
A. Conforme la titina alcanza su extensión
completa, la fuerza del resorte entrópico
aumenta de forma empinada. En B la fuerza
está empezando a sacar el par de hilos (3 más
débiles (indicado por la flecha) una conclusión
importante que surge de los nuevos resultados
((Tskhovrebova, el al. 1997; Kellermayer, el
al. 1997; Rief, el al. 1997) es que el
desenrrollamiento de dominios requiere una
elevada fuerza sostenida por sólo una corta
distancia para iniciar el proceso. Cuando los
hilos 0 han sido desplazados ≈ 0.5 nm
(Erickson, 1997), el dominio se desestabiliza y
rápidamente se desenrolla (punto C en la
figura), y la fuerza cae. Conforme el
polipéptido se extiende, el proceso se repite y
otro dominio se desenrolla (D a F). En este
punto, el experimentador retrae las ataduras
de regreso al valor de cero. La fuerza del
resorte entrópico cae rápidamente cuando los
hilos se colapsan para formar una enrollamiento
azaroso (G). Sin embargo, aún
la débil fuerza en el punto G evita la
renaturalización del dominio. Sólo cuando la
atadura está casi completamente retraída (H)
inicia la renaturalización del dominio (flecha).
XIX.- EQUIVALENTE MECANICO DEL MUSCULO.
Propiedades mecánicas y contráctiles del músculo
entero.
Longitud del sarcómero y propiedades contráctiles.
Periodo de latencia.
Componentes elásticos del músculo esquelético.
Tensiones en contracción aislada y tétanos.
XIX.- EQUIVALENTE MECANICO DEL
MUSCULO.
Propiedades mecánicas y contráctiles del
músculo entero.
Muchas de las propiedades mecánicas del
músculo fueron dilucidadas durante la primera
mitad del presente siglo, antes de que fuese
comprendido el mecanismo de la contracción.
Es
interesante
reexaminar
estos
descubrimientos clásicos a la luz de nuestros
presentes conocimientos de los mecanismos
subyacentes. La contracción puede expresarse
de dos formas diferentes: en términos de
acortamiento o en términos de tensión. Se
utilizan dos métodos correspondientes para
medir la actividad del sistema contráctil. En uno
se miden los cambios en la longitud del
músculo durante la contracción mientras se
permite a éste acortarse y levantar alguna
carga que esté unida a su tendón. Esta es la
denominada contracción isotónica, pues la
tensión permanece constante.
En el otro método, el músculo se
mantiene sujeto por sus dos extremos y se le
impide acortarse, por lo tanto la longitud es
constante mientras se determina la tensión
producida durante la contracción. En lugar de
realizar trabajo externo el músculo desarrolla
tensión en sus puntos de unión; la energía
generada en la contracción es liberada como
calor, esta es la llamada contracción isométrica.
Si bien no hay un acortamiento externo
apreciable durante la contracción isométrica,
existe un pequeño acortamiento interno
(deslizamiento de los filamentos de actina
de la banda A), que se produce a costa del
estiramiento de los componentes elásticos en
serie intracelulares y extracelulares, tales
como los brazos de los puentes cruzados y los
tejidos conectivos en serie con las fibras
musculares. La variación de la contracción
con el tiempo difiere enormemente entre los
músculos de diferentes animales y entre los
distintos músculos de un mismo animal
(McComas, 1996; Eckert, 1990),
Un punto a ser remarcado es que,
independientemente de las circunstancias de la
contracción - isotónica, isométrica, o
alargamiento- las interacciones entre los
puentes cruzados y los filamentos de actina
son las mismas, en donde los puentes cruzados
se enlazan y se esfuerzan para deslizar a
estos últimos en dirección de la región M
del sarcómero. En una contracción isotónica
(concéntrica) con una carga pequeña, el
movimiento deslizante permite a los filamentos
de miosina traslaparse completamente por los
de actina. En una contracción isométrica, la
cantidad de traslape de los filamentos depende
de la longitud en la cual, previa a la activación,
se haya mantenido al músculo. Durante la
activación
los
puentes
cruzados
repentinamente hacen y deshacen conexiones
con los filamentos de actina, produciendo
una tensión igual a la de la carga externa pero
no hay movimiento de los filamentos de
actina. En una contracción de alargamiento
(excéntrica), los puentes cruzados generan
menos tensión que la fuerza externa de
estiramiento aplicada al músculo, por lo
consiguiente, en los sarcómeros los
filamentos de actina opuestos son retirados
uno del otro (McComas, 1996).
Un concepto físico sencillo pero de
esencial importancia para comprender los
siguientes apartados es que, bajo una carga
cualquiera, la tensión de un elemento de una
serie lineal (como el eslabón de una cadena) es
igual a la tensión desarrollada en cada uno de
los otros elementos de la serie. Este
concepto es válido tanto para la tensión activa
generada por la contracción como para la
tensión pasiva producida por un peso externo
jalando al músculo (Eckert, 1990).
Longitud del sarcómero y propiedades
contráctiles.
La velocidad con que se aproximan uno
a otro dos puntos a lo largo de una fibra
muscular (es decir, la velocidad a la que el
músculo se acorta) bajo una carga dada es una
función lineal del número de sarcómeros
presentes en serie entre ambos puntos.
Suponiendo que todos los sarcómeros de una
fibra muscular se acorten igual distancia por
unidad de tiempo, la reducción total de
longitud en un tiempo dado será proporcional
al número de sarcómeros en serie. En
resumen, esto significa que los extremos de un
músculo largo se acercan uno al otro a una
velocidad mayor que la de un músculo más
corto. Indudablemente este es un factor
importante en la evolución de la morfología
esquelética y en la energética del ejercicio.
También significa que de entre dos músculos
de una longitud determinada, aquel que
contenga los sarcómeros más cortos será el
que pueda acortarse más rápidamente, a pesar
de que nuevamente la velocidad de
deslizamiento de los filamentos sea igual en
ambos músculo.
Igualmente resulta evidente que la
velocidad máxima de acortamiento y la máxima
fuerza
desarrollada
están
relacionadas
recíprocamente. Para un músculo de una masa
y área de su sección transversal dadas, unos
sarcómeros largos, (es decir, un mayor traslape
de los miofilamentos) comunicarán una tensión
más elevada y una velocidad de acortamiento
total más lenta, mientras que unos
sarcómeros cortos proporcionarán más
velocidad con menos fuerza. La tensión
contráctil producida por una fibra muscular
está limitada por el número de miofibrillas (o
más exactamente, de filamentos de actina y
miosina) trabajando en paralelo, y un
músculo grueso puede realizar más esfuerzo
que otro delgado, sin considerar la longitud. El
ejercicio físico incrementa el número de
miofibrillas por fibra muscular, de modo que
se produce un aumento tanto en el tamaño
como en la fuerza del músculo. Un ascenso
concomitante en el número de mitocondrias
permite intensificar la resistencia a la fatiga
del músculo.
Periodo de latencia.
Al aumentar la carga, el músculo
precisa de más tiempo para levantar una pesa de
su soporte. La razón de este hecho reside en
que el músculo necesita tiempo para
desarrollar la tensión debida a la actividad de
los puentes cruzados. Cuanto mayor sea el
peso, más largo es -el periodo de tiempo
invertido en estirar los componentes elásticos
y generar la tensión necesaria. Incluso con un
peso muy ligero existe un periodo de latencia,
la suma de todos los retrasos entre la
excitación de la membrana, su propagación
por los túbulos T al interior de la fibra, la
liberación y difusión del Ca++ y el tiempo que
transcurre durante la activación de los puentes
cruzados. El lapso de tiempo entre el pico del
potencial de acción y la primera señal de
desarrollo de tensión en el músculo de rana
puede ser de tan sólo 2 ms (Eckert, 1990).
Resulta también aparente que la
velocidad inicial de acortamiento disminuye al
incrementar la carga del músculo. La velocidad
máxima se alcanza cuando la carga es cero, en
cuyo caso, obviamente, la fuerza externa
(tensión) desarrollada por el músculo también
es cero.
La velocidad de acortamiento desciende
conforme aumenta la fuerza necesaria para
levantar la carga (o sea, el peso de la carga).
Si la carga colocada es lo suficientemente
pesada, no tendrá lugar acortamiento externo
alguno, y la contracción será, por definición,
isométrica. Unas cargas externas elevadas
pueden causar un estiramiento real del músculo
"contraído". La dependencia de la velocidad de
acortamiento con respecto a la carga es
fácilmente
comprensible a la luz de la teoría de los
filamentos deslizantes. La tendencia de los
filamentos de actina para deslizarse hacia atrás
en contra de la producción de fuerza por la
actividad de los puentes cruzados aumenta al
incrementar la carga y, por lo tanto, el grado
de acortamiento también disminuye al aumentar
la carga. Esto plantea la cuestión del
comportamiento de los puentes cruzados
durante las contracciones en que el músculo se
mantiene en situación isométrica o incluso
resulta alargado en respuesta a una carga
externa.
Independientemente de que se produzca
o no un cambio de longitud, el ciclo de los
puentes cruzados produce tensión. La asincronía
entre los ciclos individuales de los puentes
cruzados es responsable del carácter sostenido y
uniforme de la contracción.
Componentes
esquelético.
elásticos
del
músculo
El músculo puede representarse desde
un punto de vista funcional (Fig. 44) como un
componente contráctil en paralelo con un
componente
elástico
(sarcolema,
tejido
conectivo, etc.) y en serie con un segundo grupo
de componente elástico, el también
denominado componente elástico en serie
(CES). Incluidos en la categoría de los CES
están los tendones, los tejidos conectivos que
unen las fibras musculares a los tendones y el
material de la línea Z y los filamentos
conectores de titina. Un importante componente
adicional que contribuye a la elasticidad en
serie parece ser el brazo del puente cruzado,
que aparentemente sufre cierto estiramiento en
respuesta a la tensión.
Al acortarse el componente contráctil
debe estirar a los CES mientras se desarrolla
tensión y ésta se transmite a la carga externa
(Fig. 44A y 44B). Cuando la tensión
desarrollada en los CES iguala al peso de la
carga, el músculo comienza a acortarse
externamente y a levantar la carga (Fig. 44C).
En el instante representado en la figura 44B la
contracción es aún isométrica, mientras que en
la figura 44C se ha convertido ya en isotónica
y la carga resulta finalmente levantada. Si la
carga fuera suficientemente pesada, la
contracción hubiese permanecido isométrica de
principio a fin. A una tensión máxima durante
una contracción isométrica, el CES se estira
una cantidad equivalente de alrededor de un 2
% de la longitud del músculo (Eckert, 1990).
Los componentes contráctiles deben acortarse,
por consiguiente, una distancia equivalente,
puesto que la longitud total del músculo, bajo
estas condiciones, no cambia. Recuérdese, con
respecto a esto, el efecto de la carga sobre el
tiempo de latencia.
Se precisa cierto tiempo para que los
filamentos se deslicen entre sí por la actividad
del puente cruzado cuando el CES resulta
estirado y se genera tensión. Por tanto, el
desarrollo de tensión en un músculo progresa
con el tiempo como función del acortamiento
interno. El efecto de la elasticidad en serie es
reducir el desarrollo de tensión y suavizar los
cambios bruscos.
Los registros isométricos de las
sacudidas musculares dan una pobre indicación
de la intensidad y duración del estado activo a
causa de los componentes elásticos que se
encuentran en serie con los elementos
contráctiles. Una vez que los componentes
elásticos en serie han sido estirados la tensión
puede ser registrada, el estado activo inicia
antes del comienzo de la sacudida isométrica y
tiene una duración que es menor que el tiempo
de contracción (McComas, 1996). El
acortamiento o la tensión alcanza un máximo
entre 10 y 500 ms,
dependiendo del tipo de músculo, la
temperatura y la carga. A primera vista puede
pensarse que el mecanismo contráctil se activa
igualmente con un lento ascenso a lo largo del
tiempo. Sin embargo, es importante no
confundir la variación temporal en la tensión
desarrollada por el músculo con la variación
respecto al tiempo de la activación de los
puentes cruzados (Eckert, 1990). Debe
recordarse que tras la excitación y la liberación
del calcio del RS, los puentes cruzados se
adhieren primero a los filamentos de actina
antes que se inicie el deslizamiento activo. Más
aún, el deslizamiento debe compensar la laxitud
del CES antes de desarrollar enteramente la
tensión (Fig. 44).
El estado de actividad del puente
cruzado que predomina antes de que el músculo
haya tenido oportunidad de desarrollar por
completo su tensión puede determinarse por
medio de la aplicación de tirones rápidos con
un aparato especial, varios instantes después de
la estimulación y antes y durante la contracción.
El objeto de la aplicación de tales tirones
rápidos al músculo es la de provocar la
extensión del CES y por consiguiente, eliminar
el tiempo que se requiere normalmente para que
el mecanismo contráctil los estire. De este
modo puede medirse el estado de actividad del
puente cruzado con una mejor resolución en el
tiempo. La tensión registrada por el dispositivo
sensible durante el rápido estiramiento
representa la fuerza tensora del mecanismo
contráctil en el instante en que se produce dicho
tirón rápido. Esta fuerza tensora depende de la
fuerza de anclaje de los puentes cruzados en el
momento del estiramiento, ya que los puentes
cruzados
resbalarán
y
los
filamentos
simplemente se deslizarán unos respecto de
otros, evitando el desarrollo de cualquier
tensión mayor. Así, la tensión justamente
necesaria para hacer que los filamentos gruesos
y delgados se separen deslizándose se aproxima
a la capacidad de carga del músculo en el
instante del
producida por el músculo durante una
contracción fásica es mucho más baja que el
estado activo, es decir, que la tensión máxima
que es capaz de realizar el mecanismo
contráctil?
Durante una contracción fásica aislada,
el estado activo finaliza rápidamente por la
actividad secuestrante del calcio por el RS, que
retira los iones de calcio tan pronto como son
liberados. Por tanto, el estado activo empieza
a descender antes de que los filamentos tengan
tiempo para deslizarse lo suficiente como para
estirar el CES hasta un desarrollo completo de
la tensión (Fig. 45). Por esta razón, en una
sola contracción fásica aislada no se consigue
toda la tensión que el sistema contráctil es capaz
de realizar. Antes del pico de tensión, los
elementos contráctiles almacenan energía
Tensiones en contracción aislada y tétanos.
potencial en el CES por un estiramiento
progresivo. Si llega un segundo PA detrás del
Una pregunta obvia surge al comparar
primero, antes del que el RS haya podido
el estado activo y la tensión en una contracción
fásica aislada representada en la figura 45. ¿Por retirar el calcio previamente
qué la máxima tensión
estiramiento.
Esta
tensión
será
proporcional al número de puentes
cruzados activos por sarcómero (Eckert,
1990).
En el estado de relajación, el músculo
tiene una resistencia al estiramiento muy
baja. La técnica de los tirones rápidos han
revelado que, tras la estimulación, la
resistencia
al
estiramiento
aumenta
bruscamente
y
alcanza
un
máximo
aproximadamente a la vez que el acortamiento
externo a la tensión en el músculo no
estirado empiezan a iniciarse. Tras una breve
meseta, la capacidad de carga disminuye hasta
el bajo nivel característico del músculo relajado.
liberado, los niveles de concentración de calcio
en el sarcoplasma se mantendrán levados y el
estado activo podrá continuar. Con un estado
activo prolongado, la tensión isométrica
continúa incrementándose con el tiempo hasta
que la tensión producida por el acortamiento
interno de los componentes contráctiles y el
estiramiento del CES sea suficiente para causar
el resbalamiento de los puentes cruzados y
prevenir el posterior acortamiento de los
elementos contráctiles (Eckert, 1990).
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