Fisiología Detallada de la Contracción del Músculo Esquelético

Estructura del Músculo Esquelético

La comprensión de la contracción muscular requiere conocer su organización estructural a diferentes niveles:

• Fibras Musculares: Son células únicas, largas y multinucleadas, rodeadas por una membrana plasmática especializada llamada sarcolema.
• Miofibrillas: Son los elementos contráctiles cilíndricos que ocupan la mayor parte del volumen de la fibra muscular. Están rodeadas por el sarcoplasma (el citoplasma de la fibra muscular).
• Orgánulos Celulares: Diversos orgánulos, como mitocondrias (para la producción de ATP) y el retículo sarcoplásmico (almacén de Ca²⁺), se encuentran estratégicamente situados entre las miofibrillas.
• Miofilamentos: Son las estructuras proteicas dentro de las miofibrillas responsables de la contracción. Se organizan principalmente en:
  • Filamento grueso: Compuesto principalmente por la proteína miosina.
  • Filamento delgado: Compuesto principalmente por la proteína actina, junto con la tropomiosina y la troponina.
  • Proteínas estructurales: Como la Titina (una proteína elástica gigante que ancla los filamentos gruesos al disco Z y contribuye a la elasticidad pasiva) y la Nebulina (una proteína asociada al filamento delgado que regula su longitud, aproximadamente 1 µm de largo).

El Filamento Delgado (Actina)

Está formado por varios componentes proteicos:

• Actina F (filamentosa): Es el eje principal del filamento delgado. Consiste en una doble hélice formada por la polimerización de monómeros de Actina G (globular). Cada molécula de Actina G posee un sitio activo (normalmente unido a ADP) al que se pueden unir las cabezas de miosina durante la contracción.
• Tropomiosina: Proteína filamentosa que se dispone a lo largo del surco de la doble hélice de actina F. En estado de reposo, la tropomiosina cubre los sitios activos de la actina, impidiendo la interacción con las cabezas de miosina.
• Troponina: Es un complejo de tres proteínas globulares unido a la tropomiosina:
  • Troponina I (TnI): Se une a la actina, inhibiendo la interacción actina-miosina.
  • Troponina T (TnT): Se une a la tropomiosina, anclando el complejo de troponina.
  • Troponina C (TnC): Se une a los iones de calcio (Ca²⁺). Esta unión es el evento clave que inicia la contracción.

La Molécula de Miosina (Filamento Grueso)

Cada molécula de miosina es una proteína compleja con la siguiente estructura:

• Cadenas Pesadas: Dos cadenas polipeptídicas largas (Masa Molecular ≈ 200,000 Da cada una) que se entrelazan para formar una cola helicoidal y dos cabezas globulares. La cola forma el eje del filamento grueso, mientras que las cabezas se proyectan hacia los filamentos delgados.
• Cadenas Ligeras: Cuatro cadenas polipeptídicas más pequeñas (Masa Molecular ≈ 20,000 Da cada una) asociadas a las cabezas de miosina. Ayudan a regular la actividad ATPasa de las cabezas.
• Cabezas de Miosina: Poseen actividad ATPasa (hidrolizan ATP para obtener energía) y sitios de unión para la actina. Forman los puentes cruzados durante la contracción.

Sarcómeras: La Unidad Funcional

Las miofibrillas de las fibras musculares esqueléticas y cardíacas están organizadas longitudinalmente en unidades repetitivas llamadas sarcómeras. La sarcómera es la unidad contráctil básica del músculo, delimitada por los discos Z, y su acortamiento produce la contracción muscular.

Mecanismo de la Contracción Muscular (Teoría del Filamento Deslizante)

La contracción ocurre cuando los filamentos delgados se deslizan sobre los filamentos gruesos, acercando los discos Z y acortando la sarcómera. Este proceso es impulsado por la interacción cíclica de los puentes cruzados (cabezas de miosina) con los filamentos de actina.

Rol del Calcio:

El enlace de los iones Ca²⁺ a la Troponina C induce un cambio conformacional en el complejo troponina-tropomiosina. Este cambio desplaza a la tropomiosina, exponiendo los sitios activos en las moléculas de actina. Una vez expuestos, las cabezas de miosina (previamente activadas por la hidrólisis de ATP) pueden unirse a la actina, formando los puentes cruzados e iniciando el ciclo de contracción.

Acoplamiento Excitación-Contracción (AEC)

Es el proceso mediante el cual una señal eléctrica (potencial de acción) en el sarcolema de la fibra muscular desencadena la contracción mecánica.

Elemento Clave: El ion Calcio (Ca²⁺).

Estructuras Clave: Túbulos Transversos y Retículo Sarcoplásmico

Túbulos Transversos (Túbulos T):

• Son invaginaciones tubulares del sarcolema que penetran profundamente en la fibra muscular, ramificándose entre las miofibrillas.
• Están llenos de fluido extracelular.
• Su función principal es transmitir rápidamente los potenciales de acción (PA) desde la superficie celular hacia el interior de la fibra, asegurando una activación casi simultánea de todas las miofibrillas.

Retículo Sarcoplásmico (RS):

• Es una extensa red de túbulos y sacos membranosos intracelulares (similar al retículo endoplásmico liso) que rodea cada miofibrilla.
• Posee túbulos longitudinales y expansiones llamadas cisternas terminales, que se encuentran en estrecha aposición con los túbulos T.
• Funciona como el principal reservorio intracelular de Ca²⁺, almacenándolo en altas concentraciones gracias a proteínas de unión como la calsecuestrina.
• La combinación de un túbulo T flanqueado por dos cisternas terminales se denomina tríada, una estructura crucial para el AEC en el músculo esquelético.

Localización de los Túbulos T (Comparación)

Músculo Esquelético (Vertebrados):

• Generalmente, hay dos túbulos T por sarcómera.
• Se localizan en las uniones entre las bandas A y las bandas I.
• Forman tríadas con las cisternas terminales del RS.

Músculo Cardíaco (y Músculo Esquelético en algunos invertebrados):

• Generalmente, hay un túbulo T por sarcómera.
• Se localiza a nivel del disco Z.
• Forman díadas (un túbulo T asociado a una cisterna terminal) con el RS.

Secuencia de Eventos en el AEC (Músculo Esquelético)

1. Un potencial de acción (PA) generado en la unión neuromuscular viaja por el sarcolema y se propaga hacia el interior de la fibra a través de los túbulos T.
2. El cambio de voltaje en la membrana del túbulo T es detectado por los receptores de dihidropiridina (DHPR), que son canales de Ca²⁺ tipo L sensibles al voltaje.
3. En el músculo esquelético, los DHPR están acoplados mecánicamente a los receptores de rianodina (RyR1), que son canales de liberación de Ca²⁺ situados en la membrana del RS. La activación conformacional del DHPR por el cambio de voltaje provoca la apertura directa del canal RyR1. Este mecanismo se denomina Liberación de Calcio Acoplada por Voltaje (VACR).
4. La apertura de los canales RyR1 libera masivamente Ca²⁺ desde el RS hacia el sarcoplasma, aumentando drásticamente su concentración citosólica.
5. El Ca²⁺ liberado se une a la Troponina C en los filamentos delgados.
6. Esta unión provoca el desplazamiento de la tropomiosina, exponiendo los sitios activos de la actina.
7. Las cabezas de miosina se unen a la actina y comienza el ciclo de puentes cruzados, resultando en la contracción muscular.
8. La relajación ocurre cuando cesa la estimulación nerviosa. El Ca²⁺ es activamente bombeado desde el sarcoplasma de vuelta al interior del RS por la bomba SERCA (Ca²⁺-ATPasa del Retículo Sarcoplásmico/Endoplásmico). Este proceso requiere ATP.
9. Dentro del RS, el Ca²⁺ se une a la calsecuestrina, lo que facilita su almacenamiento a altas concentraciones.
10. Al disminuir la concentración de Ca²⁺ en el sarcoplasma por debajo del umbral crítico, el Ca²⁺ se disocia de la Troponina C.
11. La tropomiosina vuelve a cubrir los sitios activos de la actina, impidiendo la formación de puentes cruzados, y la contracción termina (el músculo se relaja).

Secuencia de Eventos en el AEC (Músculo Cardíaco - Diferencias Clave)

Aunque comparte elementos básicos, el AEC en el músculo cardíaco difiere significativamente, dependiendo de la entrada de Ca²⁺ extracelular:

1. Un PA viaja por el sarcolema y los túbulos T.
2. El cambio de voltaje abre los receptores de dihidropiridina (DHPR) (canales de Ca²⁺ tipo L), permitiendo la entrada de una pequeña cantidad de Ca²⁺ desde el espacio extracelular al sarcoplasma.
3. Este Ca²⁺ entrante (Ca²⁺ "disparador") se une a los receptores de rianodina (RyR2) en la membrana del RS.
4. La unión del Ca²⁺ a los RyR2 provoca su apertura, liberando una gran cantidad de Ca²⁺ desde el RS al sarcoplasma. Este mecanismo se conoce como Liberación de Calcio Inducida por Calcio (CICR).
5. El aumento de Ca²⁺ sarcoplásmico se une a la Troponina C, iniciando la contracción muscular.
6. Para la relajación, el Ca²⁺ es eliminado del sarcoplasma principalmente por:
   • La bomba SERCA, que lo devuelve al RS (requiere ATP).
   • El intercambiador sodio-calcio (NCX) en el sarcolema, que saca Ca²⁺ de la célula a cambio de Na⁺.
   • La bomba de Ca²⁺ del sarcolema (PMCA) (contribución menor).
7. Al disminuir la concentración de Ca²⁺ sarcoplásmico, la contracción termina.