Las bacterias nadan a una velocidad de unos 25 um/s, lo que equivale a 10 veces su longitud por segundo. Un atleta que corriera a una velocidad equivalente establecería un neuvo record al recorrer los 100 m lisos en 5,5 segundos. Además, las bacterias son excelentes nadadoras, ya que sus motores flagelares consumen menos del 1% del total de energía que producen. Este resultado es aún más sorprendente si se tiene una cuenta su pequeño tamaño en relación con la viscosidad del agua. Las bacterias no pueden dejarse llevar por la corriente ni siquiera durante un microsegundo. La resistencia que la viscosidad ofrece a las bacterias es parecida a la que encontraríamos si tratásemos de nadar en jarabe de melaza.
Un flagelo bacteriano, a diferencia de un cilio o flagelo cucariótico, es un apéndice extracelular que transmite la fuerza motriz, pero no la genera. La fuerza propulsora es generada por un motor localizado en el interior de la membrana citoplasmática de la célula. Los flagelos aunque inertes, son estructuras complejas. Estudios genéticos demuestran que están codificados por unos 40 genes. En cuanto al motor, está codificado únicamente por dos gene. MotA y motb ¿cómo funciona este motor? Una primera pista indicaba que no se requiere ATP para la rotación del flagelo. Por el contrario, todos los motores eucarióticos conocidos están dirigidos por ATP o por GTP. Una célula bacteriana desprovista de sus fuentes energéticas puede empezar a nadar si se la coloca en un medio que sea más ácido que su citosol. De hecho, la fuente de energía para la rotación de los flagelos es la fuerza promotriz establecida a ambos lados de la membrana citoplasmática. La magnitud de esta fuerza depende tanto del potencial de membrana como del gradiente de pH que se establecen a través de la membrana.
Los flagelos bacterianos giran normalmente a una velocidad de 100 revoluciones por segundo. Cada revolución está impulsada por el flujo de unos 1000 protones a través de la membrana. La fuerza rotacional se genera mediante la interacción entre la proteínas motA y motB, localizadas en la membrana citoplasmática para canalizar la fuerza promotriz. La proteína motA forma complejos que conducen los protones a través de esta membrana; estos conductos están unidos eláticamente a la pared celular. Las proteínas motB se sitúan en la periferia del anillo M, de forma que interaccionan con motA.
¿Cómo puede el flujo de protones a través de un complejo de conductos producir el giro del anillo M que sustenta la varilla del flagelo? Howard Berg y sus colaboradores han propuesto un posible mecanismo. En su modelo, el anillo M contiene una serie de centros aceptores de protones (aportados por la proteína motB) que se sitúa en su periferia a intervalos regulares. Este anillo interacciona con ocho complejos de conductos formados por la proteína motA. Cada complejo de conductos contiene dos semiconductores: uno de ellos es accesible desde el citosol y el otro lo es desde el lado extracelular. Los semiconductos nunca establecen contacto entre sí. En lugar de ello, un semiconducto transfiere un protón a uno de los centros del anillo M. Este protón puede acceder al otro semiconducto si el anillo M gira.
¿Cómo puede el intercambio de protones entre motA y motB dirigir la rotación del anillo M? Supongamos que: (1) ninguno de los lados del complejo de conductos puede pasar de largo un centro aceptor de protones si éste está ocupado, y (2) el centro del complejo no puede pasar de largo un centro aceptor de protones si éste está vacío. Consideremos ahora el complejo de conductos representado en la parte A de la figura. Como el centro nº 2 está vacío y el nº 3 está ocupado, el complejo puede moverse hacia la derecha, pero no hacia la izquierda. Si un desplazamiento al azar lo traslada una posición más a la derecha, como se indica en (B), el protón del centro nº 3 puede acceder al citosol, y un protón del exterior puede entrar en el centro adyacente nº 4, que se encuentra vacío (C). Por último, el anillo M gira en sentido antihorario par aliberar la fuerza ejercida por la conexión elástica del complejo de conductos. La disposición del panal (D) es idéntica a la de (A), con la única diferencia de que separa los centros aceptores de protones.
En bacterias que nadan, los complejos de conductos se mueven con más frecuencia hacia la derecha que hacia la izquierda porque los centros del anillo que están en contacto con el semiconducto externo tienen una probabilidad mayor de estar protonados que los centros que están en contacto con el semiconducto interno. El origen de esta asimetría radica en el hecho de que, en condiciones fisiológicas, la concentración de protones en ambos centros es distinta porque el potencial químico de los protones en el exterior es mayor que en el interior. En general, los gradientes de protones son una fuente de energía libre rápidamente interconvertible. Ya vimos dos ejemplos de ello en un capítulo precedente. En células bacterianas, la lactosa permeasa acopla el transporte de lactosa en contra de gradiente con el flujo de protones a favor de gradiente. La bacteriorrodopsina aprovecha la energía lumínica para generar un gradiente de protones. En el mecanismo del motor flagelar tiene lugar la transducción de un gradiente de protones en movimiento rotatorio.
PROPIEDADES DEL MÚSCULO ESQUELÉTICO: El músculo esquelético es conocido como estriado debido a que sus células parecen estar llenas de líneas transversales regulares o estrías. Cuando se observan con luz polarizada, las fibras de músculo estriado parecen tener bandas alternas que son óptimamente isótropas (bandas I) o anisótropas (bandas A). las bandas I son más estrechas que las A y presentan en su centro una zona más densa denominada línea Z. La longitud que separa las líneas Z se conoce como sarcómero, la unidad de repetición fundamental de la estructura muscular. Las bandas A son divididas en dos por un área más clara denominada banda H, en cuyo centro se sitúa la línea M. las estrías discurren perpendiculares a la longitud del músculo. Las marcas longitudinales son fibrillas individuales, cada una de las cuales queda rodeada por una fina membrana denominada sarcolema. Las fibrillas están constituidas por numerosas moléculas de actina, miosina y otras proteínas regulares afines.
MIOSINA: FUNCIONES: La miosina tiene tres actividades biológicas importantes: En disoluciones de fuerza iónica y pH fisiológicos, las moléculas de miosina se ensamblan espontáneamente en filamentos. De hecho, el filamento grueso consta principalmente de moléculas de miosina. La miosina es un enzima. Vladimir Engelhardt y Militsa Lyubimova descubrieron en 1939 que la miosina es una ATPasa.
ATP + H2O ( ADP + P1 + H+ Esta reacción es la fuente inmediata de energía libre que posibilita la contracción muscular. La miosina se une a la forma polimerizada de la actina, el constituyente principal del filamento delgado. Ciertamente esta interacción es crítica para la generación de la fuerza que hace desplazar a los filamentos delgados y gruesos uno sobre otro.
CONCEPTO: La miosina es una molécula muy grande (540 kd). Contiene dos cadenas pesadas idénticas (de 230 kd cada una) y cuatro cadenas ligeras (de unos 20 kd cada una). Las micrografías electrónicas muestran que la miosina consta de una región globular en forma de doble cabeza, unida a una varilla extraordinariamente larga. La varilla está formada por un (-helicoide de dos hebras, a su vez enrolladas en (-helicoide, que corresponde a las cadenas pesadas. En cada cabeza hay dos cadenas ligeras distintas, unidas a la cadena pesada.
La miosina constituye alrededor de 60% de la proteína total del músculo esquelético.
La miosina posee actividad ATPasa. La miosina es ele sitio de transducción de energía donde la energía química del ATP es convertida a energía mecánica.
UNIONES TRANSVERSALES DE LOS FILAMENTOS PRODUCEN FUERZA MECANICA La miosina, una proteína que une actina, fue la primera proteína de este tipo en ser descrita y caracterizada. Es la principal proteína de las miofibrillas del músculo, pero también se encuentra en menores cantidades en muchos otros tipos celulares de los vertebrados. En todos los casos tiene el potencial para generar fuerza mecánica cuando interacciona con la actina F; sin embargo en las células no musculares la miosina polimeriza en menor grado que en el músculo, por lo que las fuerzas producidas son menores.
La actina, una proteína universal de los eucariotas, es el constituyente principal de los filamentos delgados. En disoluciones de baja fuerza iónica, la actina es un monómetro de 42 kd, llamado actina – G a causa de su forma globular. Los análisis cristalográficos con rayos X han demostrado que la actina consta de dos dominios globulares y tiene unas dimensiones aproximadas de 30 x 40 x 70. A medida que se aumenta la fuerza iónica hasta el nivel fisiológico, la actina-G se polimeriza en una forma fibrosa llamada actina-F, que se parece mucho a los filamentos delgados. Una fibra de actina – F aparece en las micrografías electrónicas como dos sartas de abalorios enrollados uno respecto al otro. Los patrones de difracción de rayos X muestran que la actina-F es una hélice de monómeros de actina. La hélice tiene un diámetro de unos 90 A. La estructura se repite a intervalos de 360 A a lo largo del eje de la hélice.
Interacción entre actina y miosina CONTRACCIÓN MUSCULAR: Cuando se añade una disolución de actina a una disolución de miosina, se forma un complejo llamado acto miosina. La formación de este complejo va acompañada por un gran aumento en la viscosidad de la disolución. En los años 40, Albert Szent – Gyorgyi demostró que este aumento en la viscosidad se invertía por adición de ATP. Esta observación reveló que el ATP disocia a la acto miosina en actina y miosina. Szent – Gyorgyi también preparó hebras de acto miosina en las cuales las moléculas se orientaban por el flujo. Se obtuvo un resultado sorprendente cuando las hebras se sumergieron en una disolución que contenía ATP, K+ y Mg2+. Las hebras de acromiosina se contrajeron, mientras que las hebras formadas solamente por miosina se contrajeron, mientras que las hebras formadas solamente por miosina no lo hicieron. Estos experimentos incisivos sugirieron que la fuerza de la contracción muscular se produce por la interacción de miosina, actina y ATP.
Los filamentos gruesos La formación y disociación cíclica del complejo entre la miosina y la actina produce un movimiento coherente porque estas moléculas son componentes de ensamblajes altamente ordenados. La organización de las moléculas de miosina en el filamento grueso ha sido dilucidada por Hugh Huxley. Los filamentos gruesos disociados tienen un diámetro de 160 A y una longitud de 1,5 um (15 000A). de estos filamentos sobresalen puentes cruzados en una disposición helicoidal regular, a intervalos de 143 A, a lo largo del eje del filamento; recordemos que con estas misma periodicidad existían regularidades en la secuencia de los aminoácidos situados en la cola de la miosina. En la zona media del filamento grueso existe una región de 1 5000 A de longitud – región lisa o vacía – libre de puentes cruzados proyectantes.
Los mismos aspectos estructurales son evidentes en los filamentos gruesos sintéticos que se producen disminuyendo la fuerza iónica de una disolución de miosina. Los filamentos sintéticos más cortos son de unos 3 000 A de longitud y contienen una región vacía de 1 500 A situada en su parte central que corresponde aproximadamente a la longitud de l acola de miosina. Los filamentos gruesos crecen por adición de moléculas de forma paralela a las ya ensambladas. Las moléculas de miosina situadas a un lado de la zona vacía apuntan en una dirección, mientras que las del otro lado apuntan en la dirección opuesta. Así pues, un filamento grueso es intrínsecamente bipolar.
Los filamentos delgados también son direccionales, es decir, que están orientados. Si la miosina (o la HMM, o la SI) se añade a los filamentos delgados o a la actina – F, aparece en las micrografías electrónicas un patrón de cabezas de flecha. Estas estructuras se denominan, de forma gráfica, filamentos decorados. Las flechas en ambas hebras del filamento decorado siempre apuntan en la misma dirección en toda su longitud. Así pues, los filamentos delgados tienen también direccionalidad intrínseca.
La actina potencia actividad atpasa de la meosina Revisemos ahora la generación de la fuerza contráctil. Una primera clave muy reveladora fue el descubrimiento de que la actividad ATPasa de la miosina se potenciaba extraordinariamente por acción de la F-actina. Por cierto, Albert Szent – Gyuorgyi llamó actina a esta proteína por su capacidad de activar la hidrólisis del ATP realizada por la miosina. La actina aumenta el número de recambio0 de la miosina en unas 200 veces, de 0,05 s-1 a 10 s-1. El ATP unido a la miosina se hidroliza con rapidez pero los fragmentos de ADP y P tardan en abandonarla. Edwin Taylor propuso un modelo en el que la actina aumentaba el número de recambio de la miosina porque se unía al complejo miosina -ADP-P y aceleraba la liberación de los productos de la hidrólisis. La acto miosina enlazaba entonces un nuevo ATP que facilitaba la disociación de la actina y la miosina. El complejo resultante ATP – miosina quedaba así dispuesto para otro ciclo de catálisis. Estas reacciones, como las de todas las ATPasas conocidas, requieren Mg2+.
La interacción de las cabezas S1 de la miosina con la actina ha sido visualizada mediante microscopía electrónica de filamentos delgados de corados con S1. La imagen mostrada se obtuvo promediando los datos procedentes de muchas micrografías de filamentos sin teñir que habían sido congelados en delgadas películas acuosas a baja temperatura. La ventaja de esta técnica es que en ella se ve la estructura nativa, en vez de la distribución de la densidad electrónica de las tinciones. Los monómeros de actina de estos filamentos delgados decorados constan de dos dominios; la línea que los une es casi perpendicular al eje del filamento. La tropomiosina, que participa en el control de la contracción, corre longitudinalmente a lo largo del filamento. Las cabezas S1 están distribuidas en helicoide en la periferia de estos filamentos decorados. Cada S1 se une al dominio externo de una sola unidad de actina. El otro extremo de S1 está por lo menos a 130 A del centro de unión de la actina. Estas uniones entre S1 y actina se hacen en ausencia de ATP. Esta geometría corresponde probablemente a la fase final del golpe de potencia que tiene lugar in vivo, justo antes de la unión del ATP.
LA TROPONINA Y LA TROPOMEOSINA INTERVIENEN EN LA REGULACIÓN DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR POR EL ION CALCIO El regulador fisiológico de la contracción muscular es el Ca2+. En el músculo esquelético en estado de reposo (relajado) el Ca2+ queda secuestrado en el retículo sarcoplásmico, una forma especializada de retículo endoplásmico, mediante un sistema de transporte activo. Este bombeo, dirigido por el ATP, hace disminuir la concentración de Ca2+ en el citosol por debajo de 1 uM. El impulso nerviosos provoca la liberación del Ca2+ de los sacos del retículo sarcoplásmico, por lo que la concentración citosólica alcanza el valor de 10 um y produce la contracción muscular. Setsuro Ebashi descubrió que el efecto del Ca2+ sobre la interacción de la actina y la miosina está mediado por la tropomiosina y el complejo de troponina, que están localizados en el filamento delgado y constituyen aproximadamente un tercio de su masa. La tropomiosina es un bastoncillo (-helicoidal de dos hebras. Esta proteína de 70 kd, de forma muy alargada, está orientada casi paralelamente al eje longitudinal del filamento delgado. La troponina es un complejo de tres cadenas polipeptídicas: TnC (de 18 kd), TnI (de 24 kd) y TnT (de 37 kd). La TnC se une a los iones calcio, la TnI se une a la actina y la TnT a la tropomiosina. El complejo de la troponina queda localizado en los filamentos delgados a intervalos de 385 A, periodo establecido por la longitud de la tropomiosina. Cada complejo de troponina regula la actividad de unos siete monómetros de actina.
La troponina C, el componente del complejo que es sensible al calcio, consta de dos dominios homólogos. Los dominios globulares amino – terminal y carboxilo terminal están conectados por una larga (-hélice de nueve vueltas. Cada dominio contiene dos centros del dominio aminoterminal presentan una afinidad baja (Kd = 10 uM). La TnC es un miembro de la familia de proteínas que se enlazan al calcio y tienen importantes funciones reguladoras. La estructura de la TnC es muy parecida a la de la calmodulina, una proteína omnipresente sensible al calcio.
En el músculo en reposo los centros de alta afinidad están ocupados por Ca2+ pero los de baja afinidad están vacíos. El Ca2+ ocupa los centros de baja afinidad cuando éste se libera del retículo sarcoplásmico, con lo que cambia la conformación del dominio amino – terminal y se vuelve semejante al dominio carboxilo – terminal. Este cambio conformacional en la TnC se transmite a los otros componentes del complejo de la troponina y después a latropomiosina. Parece como si la TnT, que tiene una forma muy alargada, controlase la posición de la tropomiosina con respecto al filamento delgado, cerca de la interfase entre la actina y las cabezas S1 de la miosina. Un pequeño desplazamiento en la posición de la tropomiosina puede alterar notoriamente la unión de la actina a S1 o bien la capacidad de este complejo para sufrir cambios estructurales en el ciclo de la formación de puentes cruzados.
De hecho, los experimentos de difracción de rayos X, con mediciones de tiempo, han revelado que cuando el músculo esquelético se activa por acción de un impulso nervioso, la tropomiosina se desplaza antes de que lo hagan las cabezas S1. El tiempo medio del desplazamiento de la tropomiosina es de 17 ms, comparado con los 25 ms del desplazamiento de la miosina y los 45 ms necesarios para generar la tensión. Evidencias posteriores sobre la necesidad del acoplamiento troponina – tropomiosina para regular la contracción proceden de los ensayos de motilidad in vitro. El desplazamiento de esferas tapizadas de miosina sobre cables de actina es insensible al Ca2+ cuando están presentes sólo estas dos proteínas. La adición de troponina y tropomiosina hace que las esferas respondan al Ca2+ . Cuando falta el Ca2+ el desplazamiento queda bloqueado y puede restablecerse al añadir niveles micromolares de este ion. Así pues, un sistema reconstituido conteniendo solamente cuatro proteínas miosina, actina, troponina y tropomiosina manifiesta un movimiento regulado por el calcio. Resulta pues evidente que el Ca2+ controla la contracción muscular por un mecanismo alostérico en el que el flujo de información transcurre así:
Ca2+ ( troponina ( tropomiosina ( actina ( miosina
MUSCULO LISO
El músculo liso carece de las estriaciones microscópicas mostradas por el músculo esquelético y el cardiaco.
Esta diferencia entre el músculo liso y el estriado se debe a la falta de disposición regular de filamentos delgados y gruesos ordenados. El músculo liso posee actina y miosina pero de manera menos ordenada que los componentes correspondientes del músculo estriado. La contracción del músculo liso, igual que la del músculo estriado, es regulada por alteraciones en la concentración de calcio intracelular. El músculo liso, a diferencia del músculo estriado esquelético y cardíaco, carece de un retículo sarcoplásmico bien definido. Las velocidades de cambio del calcio citoplásmico son mucho más lentas en el músculo liso que en el músculo estriado. Esto permite una respuesta estable, lenta, de la tensión contráctil. Además, el músculo liso carece del sistema de troponina y utiliza la fosforilación de proteína para iniciar y mantener la contracción.
FUERZA MECANICA ENTRE LOS FILAMENTOS GRUESOS Y DELGADOS
La fuerza mecánica se genera por una reacción cíclica entre las cabezas de miosina sobre los filamentos gruesos y la actina F o filamentos delgados. La energía para esta fuerza proviene de la hidrólisis del ATP, ya que la miosina por sí misma es una ATPasa. En presencia de actina la velocidad de la reacción aumenta unas 200 veces; la unión de actina acelera la liberación de los productos ADP y fosfato y origina un cambio conformacional alrededor de la cabeza de miosina. A esto se le denomina potencia del golpe. Por la unión del ATP la cabeza de miosina se libera del filamento de actina, y posteriormente se hidroliza el ATP. Con la unión de miosina -ADP a la actina, puede iniciarse un nuevo ciclo. Durante la contracción rápida cada ciclo puede tomar 0.2 s. este proceso se ilustra. Es de notar la importancia de las dos áreas de bisagra en la miosina, las cuales permiten la flexibilidad del movimiento. No se conocen con certeza los detalles de los cambios conformacionales; en las miofibrillas hay cientos de cabezas de miosina en cada filamento grueso, y durante la contracción aproximadamente la mitad están unidas a la vez, de manera que siempre se mantiene la presión.
LOS COMPLEJOS DE TROPOMIOSINA Y TROPONINA PRESENTES EN LOS FILAMENTOS EFECTUAN A CABO FUNCIONES CLAVES EN EL MUSCULO ESTRIADO En el músculo estriado hay otras cuatro proteínas que se consideran menores en términos de su contribución a la masa, pero importantes en términos de su función. La tropomiosina es una molécula fibrosa que consta de dos cadenas, alfa y beta, que se adhiere a la F – actina en el surco entre los dos polímeros. La tropomiosina está presente en todos los músculos y estructuras similares. El complejo de la troponina es exclusivo del músculo estriado y está constituido pro tres proteínas separadas. La troponina T (TpT) se une a la tropomiosina así como a los otros dos componentes tropónicos. La troponina I (TpI) inhibe la interacción F-actina miosina y también se une a los otros dos componentes de troponina. La troponina C (TpC) es una proteína fijadora de calcio que tiene estructura primaria y secundaria así como una función bastante parecida a la de la calmodulina, proteína ampliamente esparcida en la naturaleza. Por cada molécula de troponina C o de calmodulina, se fijan cuatro molécula de troponina C o de calmodulina, se fijan cuatro moléculas del ion calcio, y ambas moléculas proteínicas tienen una masa molecular de 17 kDa.
EL Ca2+ REGULA TAMBIEN LA CONTRACCIÓN DEL MUSCULO LISO Aunque los músculos contienen actina, miosina y tropomiosina, únicamente los músculos estriados de los vertebrados contienen el sistema de la tropina. De ahí que el mecanismo que regula la contracción debe diferir en varios sistemas de contracción.
Los músculos lisos tienen estructuras moleculares muy semejantes a los del músculo estriado pero los sarcómeros no están alineados de la manera en que están los de la apariencia estriada. Los músculos lisos contienen moléculas de alfa actina y tropomiosina, como el músculo esquelético. No tienen el sistema de troponina y las cadenas ligeras de las moléculas de miosina difieren de las de la miosina del músculo estriado. No obstante, al igual que en el músculo estriado, la contracción del músculo lisos es regulada por el Ca2+.
LA FOSFORILACIÓN DE LAS CADENAS P LIGERAS DE MIOSINA INICIA LA CONTRACCIÓN DEL MUSCULO LISO Cuando la miosina del músculo liso se une a la F – actina en ausencia de otras proteínas musculares como la tropomiosina, no se detecta actividad de la ATPasa. Esta ausencia de ATPasa hace bastante diferente la situación en relación a la descrita para la miosina y la F – actina del músculo estriado que tienen una abundante actividad de ATPasa. La miosina del músculo liso contiene una cadena ligera (cadena ligera p) que impide la fijación de la cabeza de miosina a la F-actina. La cadena ligera p debe ser fosforilada antes de permitir a la F-actina que active a la miosina ATPasa. La actividad que se obtiene de ATPasa hidroliza el ATP alrededor de 10 veces más lenta que la actividad correspondiente en el músculo esquelético. El fosfato de la miosina de la cadena ligera puede quedarse con el Ca2+ fijado al complejo tropomiosina TpC – actina, lo cual incrementa la velocidad de la formación de puentes cruzados entre las cabezas de miosina y actina. La fosforilación de la cadena ligera p inicia el ciclo de la contracción de adherencia y separación del músculo liso.
LA REGULACION BASADA EN LA ACTINA TIENE LUGAR EN EL MUSCULO ESTRIADO Esta regulación se presenta en los músculos esqueléticos y cardiaco de los vertebrados ambos estriados. En el mecanismo general antes descrito, el único factor potencialmente limitante en el ciclo de la contracción muscular podría ser el ATP. El sistema muscular esquelético está inhibido en reposos y es desinhibido para la contracción activa. El inhibidor del músculo estriado es el sistema de la troponina, el cual se une a la tropomiosina y a la F-actina en el filamento delgado. En el músculo estriado, no hay control de la contracción, a menos que los sistemas tropomiosina – troponina estén presentes junto con los filamentos de actina y miosina. Como se indicó, la tropomiosina yace a lo largo del surco de la F-actina y los tres componentes de la troponina -TpT, TpI y TpC están unidos al complejo F – actina tropomiosina. La TpL impide la fijación de la cabeza de miosina a su sitio de adherencia en la F-actina ya sea por alterar la conformación de ésta con ayuda de las moléculas de tropomiosina, o simplemente por enrollamiento de la tropomiosina en una posición que bloquea directamente los sitios en la F-actina a los cuales se adhieren las cabezas de miosina. Cualquiera de las formas impide la aceleración de la ATPasa de la miosina que es mediada por la fijación de la cabeza de miosina a la F-actina. Por tanto, el sistema TpI bloquea el ciclo de la contracción en el paso. Esto da razón del estado inhibido del músculo estriado relajado.
EL RETICULO SARCOPLASMICO REGULA LAS CONCENTRACIONES INTRACELULARES DE Ca2+ EN EL MUSCULO ESQUELETICO En el sarcoplasma del músculo en reposo, la concentración de Ca2+ es de 10-8 mol/L. el estado de reposo se alcanza debido a que el Ca2+ se bombea hacia el retículo sarcoplásmico a través de la acción de un sistema de transporte activo denominado Ca2+ ATPasa lo que inicia la relajación. El retículo sarcoplásmico es una red de sacos de membrana fina; en su interior, el Ca2+ se fija a una proteína específica fijadora de Ca2+ llamada calsecuestrina. El sarcómero está rodeado por una membrana excitable (el sistema del túbulo T) compuesto de conductos transversos (T) estrechamente relacionados con el retículo sarcoplásmico.
Cuando el sarcolema se excita por un impulso nervioso, la señal se transmite hacia el sistema del túbulo T y el conducto liberador de Ca2+, localizado cerca del retículo sarcoplásmico dentro del sarcoplasma. La concentración de Ca2+ en éste se eleva pronto a 10-5 mol/L. los sitios de fijación de Ca2+ en la TpC del filamento delgado son rápidamente ocupados por este ion. El complejo TpC 4 Ca2+ interactúa con la TpI y la TpT para alterar su relación con la tropomiosina. En consecuencia, la tropomiosina simplemente se retira de su lugar o modifica la conformación de la F-actina permitiendo que el ADP y P de las cabezas de miosina interactúen con la F-actina para iniciar el ciclo de la contracción.
El conducto liberador del Ca2+ se conoce también como el receptor de rianodina (RYR). Hay dos isoformas de este receptor, RYRI y RYR2; el primero está presente en el músculo esquelético y el segundo, en el músculo cardiaco y encéfalo. La rianodina es un alcaloide vegetal que se une a RYR1 y RYR2 de manera específica y modula sus actividades. El conducto liberador del Ca2+ es un homotetrámero constituido por cuatro subunidades de 565 kDa. Tiene secuencias transmembrana en su terminal carboxilo y es probable que éstas formen el conducto para Ca2+. El resto de la proteína se proyecta en el citosol, formando un puente que salva el espacio entre el retículo sarcoplásmico y la membrana tubular transversa. El paso del conducto es accionado por Ca2+ y ATP que actúan de modo sinérgico, in vitro, aunque la manera en que operan in vivo no está clara.
La relajación tiene lugar cuando:
1) El Ca2+ del sarcoplasma baja a menos de 10-7 mol/L debido a su secuestro en el retículo sarcoplásmico por la Ca2+ ATPasa.
2) La TpC 4 Ca2+ pierde su Ca2+.
3) La troponina, por medio de su interacción con la tropomiosina inhibe ulteriormente la relación entre la cabeza de miosina y la F-actina.
4) En presencia de ATP, la cabeza de miosina se desprende de la F-actina para inducir la relajación. Así, el Ca2+ controla la contracción muscular por un mecanismo alostérico mediado en el músculo por TpC, TpI, TpT, tropomiosina y F-actina.
El decremento en la concentración de ATP en el sarcoplasma (por ejemplo, por el uso excesivo durante el ciclo de contracción – relajación o por síntesis escasa, como podría ocurrir en la isquemia) tiene dos efectos principales:
1) La Ca2+ ATPasa (bomba de calcio) e el retículo sarcoplásmico cesa de conservar la concentración baja sarcoplásmica de Ca2+. Por tanto se promueve la interacción de las cabezas de miosina con la F-actina.
2) La separación dependiente de ATP de las cabezas de miosina de la F-actina, no puede tener lugar y se presenta la rigidez (contracción). El rigor mortis, que sigue a la muerte, es una extensión de estos procesos.
La contracción muscular es un equilibrio dinámico delicado de adhesión y separación de las cabezas de miosina a la F-actina. El sistema está sujeto a una regulación fina por medio del sistema nervioso.
MUSCULO Los músculos se clasifican en dos grupos, los estriados y lisos. Los estriados son los más estudiados y se les llama así porque bajo el microscopio de luz aparece como miofilamentos paralelos regulares, organizados en sarcómeras bandeadas. En los músculos lisos las células son elongadas y fusiformes con un solo núcleo, sus miofibrillas por lo general están alineadas longitudinalmente y al contraerse acortan y engruesan la célula. El músculo estriado es de origen sincicial; cada fibra se forma por repetidas divisiones celulares, hasta que finalmente desaparecen las membranas celulares de las células hijas, por lo que las células son multinucleadas.
El músculo liso se presenta en todos los animales con musculatura, formando capas longitudinales o circulares en la pared corporal o el tubo digestivo o paredes vasculares. El músculo estriado forma la musculatura esquelética, sea en la superficie interna del exoesqueleto o en la superficie externa del endoesqueleto.
En vertebrados solo los músculos estriados están bajo control voluntario.
Un músculo contiene muchas miofibrillas paralelas, cada una dividida en una serie de sarcómeras, el elemento contráctil base. Las sarcómeras contiene filamentos delgados y gruesos. Los filamentos delgados contienen actina están unidos al extremo del sarcómero (consiste en unidades cilíndricas repetidas, cada una es la unidad contráctil) y se extienden hacia el centro donde se interdigitan con los filamentos gruesos que son de miosina, en respuesta a un incremento en Ca2+ dentro de la fibra muscular los filamentos delgados se deslizan sobre los gruesos acortando el sarcómero.
En reposo la miosina no puede unirse a la actina porque la tropomiosina le estorba, cuando la fibra muscular se despolariza y los potencialisa de acción se propagan producen que se abran canales de calcio y se libere Ca2+ del retículo sarcoplásmico y se une con la troponina, una proteína que encuentra unida tanto a la actina como a la tropomiosina, al unirse el Ca2+ la troponina y la tropomiosina sufren un cambio conformacional y se liberan los sitios de unión a la miosina de la actina. Cuando la membrana se repolariza el retículo sarcoplásmico recaptura Ca2+ removiéndolo de la troponina causando que el músculo se relaje (mientras haya ATP). El músculo liso también requiere de Ca2+ pero el mecanismo es diferente al del músculo estriado.
El largo de un músculo determina la fuerza de la contracción debido al grado de sobrelapamiento entre los filamentos delgados y los gruesos, y la tensión ejercida por sus componentes elásticos. Dentro del intervalo normal de trabajo de un músculo la relación entre la fuerza y la longitud no es lineal y el control neural debe compensar esto para asegurarse que la fuerza de la contracción es apropiada para cualquier carga dada. La contracción muscular puede ser isométrica, cuando el largo permanece constante y la fuerza se incrementa hasta que iguala la de la carga que debe soportarse, o isotónica, cuando ejerce una fuerza constante para que el músculo se acorte hasta mover la carga.
La placa neuromuscular es la sinapsis entre una neurona motora y una fibra muscular. La acetilcolina (ACH) liberada por la terminal nerviosa activa receptores nicotínicos colinérgicos en la membrana muscular que hace que se despolarize. La secreción de ACH de una sola vesícula produce un potencial miniatura de la placa terminal de 0.4 mV. La liberación de ACH de varias vesículas en respuesta a la llegada de un potencial de acción en la terminal provoca la sumación de muchos potenciales miniatura que dan un potencial de placa terminal, una despolarización suficientemente grande para disparar potenciales de acción de las fibras musculares.
Los potenciales de acción se propagan en invaginaciones de la membrana de la fibra muscular. Esta despolarización causa que se libere Ca2+ del retículo sarcoplásmico. El incremento intracelular de este ión dispara la contracción
El músculo estriado de los vertebrados consta de dos clases de filamentos proteicos que interaccionan entre sí. Los filamentos gruesos contienen miosina, mientras que los filamentos delgados contienen actina, tropomiosina y troponina. La hidrólisis del ATP unido a la miosina dirige el deslizamiento de estos filamentos unos sobre otros. La miosina es una proteína muy gran (52º kd) compuesta de dos cadenas pesadas y cuatro cadenas ligeras. Las cadenas pesadas están plegadas de manera que forman dos cabezas S1 alargadas unidas a una varilla (-hilicoidal de dobles hebras enrolladas. Dos cadenas ligeras se unen a cada cabeza S1 y su función es reguladora. Las cabezas S1 y parte de la varilla forman puentes cruzados que interaccionan con la actina para generar la fuerza contráctil. El resto de la molécula de miosina forma el esqueleto del filamento grueso. La actina es una proteína globular (42 kd) que se polimeriza para formar los filamentos delgados. Los filamentos delgados y gruesos tienen dirección, que se invierte a la mitad de camino entre las líneas Z.
La unión e hidrólisis del ATP dirige la formación y disociación cíclica de complejos entre los puentes cruzados de miosina de los filamentos gruesos y las unidades de actina de los filamentos delgados, acortando con ello la distancia entre las líneas Z. El golpe de potencia de la contracción muscular procede de cambios conformacionales que tienen lugar en las cabezas S1, que van acompañados de la disociación del ADP del centro de unión a nucleótidos. Las bisagras entre los diferentes dominios de la miosina son importantes porque permiten a las cabezas S1 unirse y liberarse reversiblemente de la actina y cambiar su orientación cuando están unidas. El movimiento dirigido por el ATP puede reconstruirse en sistemas sencillos y bien definidos. Esferas recubiertas de miosina se mueven unidireccionalmente sobre cables de actina. Experimentos de trampa ópica muestran que la distancia que recorre una única molécula de miosina en cada paso es de unos 11 nm. La contracción del músculo esquelético está regulada por el CA2+. La interacción de la actina y la miosina está inhibida por el complejo de la troponina y la tropomiosina cuando el nivel de Ca2+. Es bajo. El impulso nervioso provoca la liberación de Ca2+ del retículo sarcoplásmico. La unión del Ca2+ a la troponina C, un miembro de una familia de proteínas sensibles al Ca2+, llamada mano EF, altera la interacción de la tropomiosina con la actina, permitiendo a la miosina enlazar con la actina y generar la fuerza contráctil.
La actina y la miosina son proteínas antiguas, como lo demuestra su presencia en levaduras y mohos del limo. De hecho, estas proteinas ejercen funciones contráctiles en prácticamente todas las células eucarióticas. La actina, que es particularmente abundante, forma microfilamentos de 7 nm de diámetro. Los microfilamentos participan en una amplia gama de movimentos celulares, entre los que se cuentan la migración de las células durante el desarrollo, y el desplazamiento de los macrófagos hacia los tejidos dañados. Moléculas de miosina J con una sola cabeza transportan orgánulos rodeados de membrana a lo largo de filamentos de actina. En células no musculares, las diversas colas de las moléculas de miosina II, que costa de dos cabezas, especifican la mercancía que va a ser transportada mediante estos motores. Los citoesqueletos dinámicos de las células eucarióticas contienen también filamentos intermedios ((10 nm de diámetro) y microtúbulos ((30 nm de diámetro). Los filamentos intermedios están formados por proteínas que tienen en común una región central con (-helices superenrolladas pero el resto es variado. Los microtúbulos desempeñan múltiples funciones estructurales y contráctiles en prácticamente todas las células eucarióticas. Estas fibras huecas están formadas por subunidades globulares de ( y (-tubulina. La colchicina inhibe los movimientos mediados por los microtúbulos, al bloquear su polimerización. Cada cilio o flagelo de eucariota contiene nueve microtúbulos dobles alrededor de otros dos sencillos. Los dobletes externos están unidos transversalmente por la dineína, que es una ATPasa. El deslizamiento, inducido por la dineína, de un doblete respecto al contiguo produce una curvatura del cilio y origina sus oscilaciones. Los microtúbulos sirven tambi{en como guía o raíl para el movimiento de las vesículas y orgánulos. El rápido ensamblaje y disociación de los microtúbulos, dirigido por el GTP, es fundamental para su actividad durante el desarrollo celular; un ejemplo de ello es la formación del huso mitótico. Los microtúbulos se disocian de forma espontánea si no llegan a algún punto que estabilice sus extremos.
Autor:
Erika Geraldine Zarate Tinoco.
erikag19[arroba]terramail.com.pe
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