Ciencia y Salud: Contracción del músculo esquelético

Organización celular del músculo esquelético.

Las células del músculo esquelético son sumamente largas y multinucleadas. Su membrana plasmática se denomina sarcolema y consiste en una auténtica membrana celular rodeada de una capa de material polisacárido rico en fibras de colágeno.

En la mayoría de los músculos, las fibras se extienden por toda su longitud; en su extremo, la capa superficial del sarcolema se funde con una fibra tendinosa; estas fibras tendinosas a su vez, se agrupan en haces formando el tendón muscular.

Una gran parte del volumen de las células musculares lo ocupan sus elementos contráctiles, las miofibrillas, que aparecen dispuestas en haces paralelos al eje de contracción. Estas miofibrillas están suspendidas en el sarcoplasma, que es el fluido intracelular de la célula muscular y que contiene glucógeno, enzimas glucolíticos y productos intermedios, ATP, ADP, AMP, fosfato, fosfocreatina y electrolitos inorgánicos como potasio o magnesio, además de varios aminoácidos y péptidos.

También encontramos suspendidos en el sarcoplasma gran cantidad de mitocondrias, especialmente en los músculos de actividad continua como los músculos responsables del vuelo de aves o insectos. En estos músculos también hay gran cantidad de citocromos y mioglobina, de ahí que se denominen frecuentemente músculos rojos. Las células musculares contienen también un retículo endoplasmático muy diferenciado, denominado retículo sarcoplasmático, que está íntimamente ligado a las miofibrillas.

Una micrografia electrónica de la sección longitudinal de una miofibrilla nos muestra gran cantidad de detalles estructurales. Existe un patrón que se repite cada 2,3 micras más o menos, que se denomina sarcómero y es la unidad funcional de la miofibrilla. En esta unidad se distinguen bandas más claras y bandas más oscuras alternas; las claras se denominan Bandas I y son isotrópicas a la luz polarizada; mientras que las oscuras se denominan Bandas A y son anisotrópicas a la luz polarizada. A su vez, las bandas I están atravesadas por una línea densa transversal que se denomina línea Z. La porción central de las bandas A es menos densa que el resto de la banda y se denomina zona H. La parte de miofibrilla que aparece entre dos líneas Z sucesivas es lo que se llama sarcómero.

La micrografía electrónica de la sección transversal de la miofibrilla nos descubre la distribución molecular del sarcómero, mostrando que existen dos clases de filamentos que se interdigitan entre sí lo que determina el bandeado en zonas claras y oscuras descrito. La banda I contiene sólamente filamentos delgados mientras que la zona H contiene solamente filamentos gruesos; el resto de zonas contiene tanto filamentos delgados como filamentos gruesos. Los filamentos más gruesos contienen miosina mientras que los filamentos más finos contienen actina, tropomiosina y troponina.

La ultraestructura de la célula muscular, nos muestra también que el sarcolema presenta numerosas invaginaciones tubulares, que atraviesan la célula cerca de las lineas Z de las miofibrillas. Este complejo sistema de tubos se denomina sistema T, y relaciona físicamente el sarcolema con el retículo sarcoplasmático.

Características moleculares de los filamentos contráctiles.

Cada fibra muscular contiene entre cientos y miles de miofibrillas que, a su vez, contienen unos 1500 filamentos de miosina y 3000 filamentos de actina, que son los polímeros proteicos responsables de la contracción muscular.

El filamento de miosina está formado por cerca de 200 moléculas de miosina, constituídas cada una de ellas por 6 cadenas polipeptídicas: dos cadenas pesadas (aprox. 200.000 daltons) y cuatro ligeras (aprox. 20.000 daltons). Las dos cadenas pesadas presentan una conformación alfa-helicoidal, enrollándose además entre sí para formar una espiral doble. En su extremo, ambas cadenas están plegadas en una masa proteínica globulosa que denominamos cabeza; el resto de la espiral de miosina lo denominamos cola. Asociadas a la cabeza de miosina aparecen las cadenas ligeras.

Las colas de las moléculas de miosina aparecen agrupadas entre sí para formar el cuerpo del filamento de miosina, mientras que las cabezas cuelgan hacia el exterior por los lados de este cuerpo. Acompañado a la cabeza, se proyecta una parte de la espiral de miosina, que se denomina brazo, y que es el que lleva la cabeza fuera del cuerpo. Al conjunto de brazo más cabeza que sobresale del cuerpo se le denomina puente cruzado, y se cree que cada uno de ellos es flexible en dos puntos llamados bisagras, uno en el sitio donde el brazo se une al cuerpo del filamento y otro en el punto en el que las dos cabezas se unen al brazo. Por último, señalar que cada grupo de puentes cruzados se encuentra separado axialmente del anterior 120 grados, lo que asegura que, en un filamento de miosina, todos los puentes cruzados se extienden en todas las direcciones alrededor del mismo.

Hay que destacar la capacidad de la cabeza de miosina para actuar como un enzima ATP-asa. Esta propiedad permite a la cabeza desdoblar el ATP y emplear la energía derivada en el propio proceso de contracción.

El filamento de actina está constituído por tres componentes diferentes: actina, tropomiosina y troponina. La actina es una proteína que se encuentra en dos formas, actina G (globular) y actina F (fibrosa). La actina G es un monómero que, en determinadas condiciones, se polimeriza a actina F que aparece enrollada en forma de hélice doble. La tropomiosina está constituída por dos cadenas polipeptídicas alfa-helicoidales, que forman una hélice de dos hebras de unos 40 nm de longitud. Por su parte, la troponina, es una proteína globular constituída por 3 subunidades cada una con una función específica: subunidad fijadora de calcio (TN-C), que puede fijar hasta 4 iones de calcio lo que modifica su estructura; subunidad inhibidora, que se une específicamente a la actina para inhibir la interacción de ésta con los puentes cruzados de miosina (TN-I); y subunidad fijadora de tropomiosina (TN-T).

El cuerpo principal del filamento de actina lo forma la doble hélice de actina F. Asociadas a este filamento aparecen las dos proteínas reguladoras, la tropomiosina y la troponina. La primera de éstas se dispone en las ranuras de los filamentos arrollados de actina F, de tal forma que cada molécula está en contacto con sólo uno de los dos filamentos de actina F. La segunda proteína reguladora, está fijada al filamento de actina por dos centros de unión, uno específico para una hebra de actina y otro específico para una hebra de tropomiosina. A lo largo de un filamento de actina se encuentra una molécula de troponina cada 40 nm, aproximadamente la misma periodicidad que la de las moléculas de tropomiosina. Lo que supone que, por cada siete monómeros de actina G, existe una molécula de tropomiosina y otra de troponina.

El proceso de contracción.

Los cambios observados en la estructura de un sarcómero que pasa de un estado relajado a un estado de contracción, nos permiten establecer que la contracción muscular tiene lugar por un proceso de deslizamiento de los filamentos. Efectivamente, en estado relajado, los extremos de los filamentos de actina que derivan de dos discos Z sucesivos, apenas se solapan entre sí, aunque sí se superponen a los de miosina. Por contra, en un estado de contracción, los filamentos de actina se desplazan entre los de miosina, solapándose tanto más cuanto mayor sea la intensidad de la contracción, de forma que se acorta la distancia entre los discos Z consecutivos.

Lo que provoca ese deslizamiento de los filamentos de actina sobre los filamentos de miosina es la fuerza generada por la interacción de los puentes cruzados de miosina sobre el filamento de actina. En condiciones de reposo, estas fuerzas están inhibidas, pero cuando un potencial de acción viaja por la fibra se produce la liberación de gran cantidad de iones calcio que activan las fuerzas entre los filamentos y dá comienzo la contracción. También es preciso que exista energía, ésta se obtiene a partir de la hidrólisis del ATP.

Cuando un impulso nervioso, procedente de un nervio motor llega a la placa neuromuscular, produce la despolarización del sarcolema y, casi simultáneamente, el sistema T transmite el impulso al retículo endoplásmático finamente en contacto con los sarcómeros. Como consecuencia, se produce un escape de iones calcio de las cisternas del retículo sarcoplasmático que inunda el sarcoplasma provocando la interacción entre los filamentos de actina y de miosina y, paralelamente, la hidrólisis del ATP que libera su energía. Mientras continúen llegando impulsos nerviosos al sarcolema, el calcio permanece en el sarcoplasma y mantiene al músculo en contracción.

Cuando cesan los impulsos nerviosos, el sarcolema recupera su polarización y permeabilidad original. Ello se transmite también, a través del sistema T, al retículo sarcoplasmático. El calcio presente en el sarcoplasma es entonces transportado al interior de las cisternas del retículo sarcoplasmático. Este es un proceso contra gradiente de concentración en el que también se consume energía, que procede de la hidrólisis del ATP.

Aunque se desconoce el mecanismo bioquímico exacto por el que el calcio activa el proceso de contracción se cree que en el músculo en reposo, los sitios activos del filamento de actina se encuentran inhibidos, o mejor dicho, escondidos tras el complejo troponina-tropomiosina. Cuando se produce la entrada de iones calcio, éstos se combinan con la troponina C produciendo en ésta un cambio conformacional que dobla la banda de tropomiosina, desplazándola hacia una región más profunda de la fibra de actina, de este modo se descubren los sitios activos del filamento de actina. Es entonces cuando las cabezas de los puentes cruzados de los filamentos de miosina son atraídas hacia esos sitios activos de la actina, produciéndose la contracción.

Aunque también se desconoce el mecanismo exacto en que esa interacción provoca la contracción, existe una hipótesis, "la teoría de la cremallera de la contracción", que tiene bastantes pruebas a favor. En ella se postula que la unión de la cabeza de miosina a un sitio activo del filamento de actina, causa cambios profundos en las fuerzas intramoleculares de la cabeza y el brazo del puente cruzado que hacen que la cabeza se incline hacia el brazo, arrastrando con ella al filamento de actina. En todo este proceso se consume energía que es proporcionada por el ATP.

La cabeza de miosina puede funcionar como un enzima ATP-asa, lo que significa que puede

desdoblar la molécula de ATP y emplear la energía derivada del fosfato. Antes de la contracción la cabeza de miosina se une a una molécula de ATP, desdoblándola en ADP y Pi, que quedan unidos a la propia cabeza del puente cruzado.

Con la entrada del calcio, se anula el efecto inhibitorio del complejo troponina-tropomiosina, quedando al descubierto los sitios activos de la actina.

Es entonces cuando la cabeza de miosina se une al filamento de actina, lo que provoca el cambio de conformación de la cabeza que la inclina hacia atrás, hacia el brazo del puente cruzado. Esta

inclinación de la cabeza se denomina "impulso de fuerza", y es el que va a tirar del filamento de actina.

Una vez que se inclina la cabeza se libera el ADP y el Pi, que hasta el momento permanecían unidos a la misma, y una nueva molécula de ATP se une al sitio de liberación del ADP. Esta unión hace, a su vez, que la cabeza se desprenda del sitio activo del filamento de actina. Entonces el ATP es desdoblado a ADP y Pi, que quedan unidos a la cabeza de actina. La energía liberada de este proceso permite enderezar de nuevo la cabeza del puente cruzado, recuperando su dirección perpendicular normal. En esta posición se puede combinar con un nuevo sitio activo del

filamento de actina más alejado, que produciría una nueva inclinación o impulso de fuerza que desplazaría una vez más al filamento de actina.