El músculo esquelético (comúnmente denominado músculo ) es uno de los tres tipos de tejido muscular de los vertebrados , siendo los otros el músculo cardíaco y el músculo liso . Forman parte del sistema muscular voluntario [1] y normalmente están unidos por tendones a los huesos de un esqueleto . [2] [3] Las células del músculo esquelético son mucho más largas que en los otros tipos de tejido muscular y también se conocen como fibras musculares . [4] El tejido de un músculo esquelético es estriado , con una apariencia rayada debido a la disposición de los sarcómeros .
Un músculo esquelético contiene múltiples fascículos , haces de fibras musculares. Cada fibra individual y cada músculo está rodeado por un tipo de capa de tejido conectivo de fascia . Las fibras musculares se forman a partir de la fusión de mioblastos en desarrollo en un proceso conocido como miogénesis que da como resultado células multinucleadas largas . En estas células, los núcleos , denominados mionúcleos , se encuentran a lo largo del interior de la membrana celular . Las fibras musculares también tienen múltiples mitocondrias para satisfacer las necesidades energéticas.
Las fibras musculares están compuestas a su vez de miofibrillas . Las miofibrillas están compuestas de filamentos de actina y miosina llamados miofilamentos , repetidos en unidades llamadas sarcómeros, que son las unidades funcionales básicas y contráctiles de la fibra muscular necesarias para la contracción muscular . [5] Los músculos se alimentan predominantemente de la oxidación de grasas y carbohidratos , pero también se utilizan reacciones químicas anaeróbicas , particularmente por fibras de contracción rápida. Estas reacciones químicas producen moléculas de trifosfato de adenosina (ATP) que se utilizan para impulsar el movimiento de las cabezas de miosina . [6]
El músculo esquelético comprende aproximadamente el 35% del peso del cuerpo humano. [7] Las funciones del músculo esquelético incluyen producir movimiento, mantener la postura corporal, controlar la temperatura corporal y estabilizar las articulaciones. [8] El músculo esquelético también es un órgano endocrino . [9] [10] [11] En diferentes condiciones fisiológicas, se encuentran subconjuntos de 654 proteínas diferentes, así como lípidos, aminoácidos, metabolitos y ARN pequeños en el secretoma de los músculos esqueléticos. [12]
Los músculos esqueléticos están compuestos sustancialmente de fibras musculares contráctiles multinucleadas (miocitos). Sin embargo, también están presentes en ellos cantidades considerables de células mononucleares residentes e infiltrantes. [13] En términos de volumen, los miocitos constituyen la gran mayoría del músculo esquelético. Los miocitos del músculo esquelético suelen ser muy grandes, de unos 2 a 3 cm de largo y 100 μm de diámetro. [14] En comparación, las células mononucleares de los músculos son mucho más pequeñas. Algunas de las células mononucleares de los músculos [15] son células endoteliales (que miden unos 50 a 70 μm de largo, 10 a 30 μm de ancho y 0,1 a 10 μm de grosor), [16] macrófagos (21 μm de diámetro) y neutrófilos (12 a 15 μm de diámetro). [17] Sin embargo, en términos de núcleos presentes en el músculo esquelético, los núcleos de los miocitos pueden ser solo la mitad de los núcleos presentes, mientras que los núcleos de las células mononucleares residentes e infiltradas constituyen la otra mitad. [13]
Una parte considerable de la investigación sobre el músculo esquelético se centra en las células de las fibras musculares, los miocitos, como se analiza en detalle en las primeras secciones, a continuación. Sin embargo, recientemente, el interés también se ha centrado en los diferentes tipos de células mononucleares del músculo esquelético, así como en las funciones endocrinas del músculo, que se describen a continuación.
Hay más de 600 músculos esqueléticos en el cuerpo humano, que representan alrededor del 40% del peso corporal en adultos jóvenes sanos. [18] [19] [20] En las poblaciones occidentales, los hombres tienen en promedio alrededor de un 61% más de músculo esquelético que las mujeres. [21] La mayoría de los músculos se presentan en pares colocados bilateralmente para servir a ambos lados del cuerpo. Los músculos a menudo se clasifican como grupos de músculos que trabajan juntos para realizar una acción. En el torso hay varios grupos musculares principales , incluidos los músculos pectorales y abdominales ; los músculos intrínsecos y extrínsecos son subdivisiones de los grupos musculares de la mano , el pie , la lengua y los músculos extraoculares del ojo . Los músculos también se agrupan en compartimentos que incluyen cuatro grupos en el brazo y los cuatro grupos en la pierna .
Aparte de la parte contráctil de un músculo que consiste en sus fibras, un músculo contiene una parte no contráctil de tejido conectivo fibroso denso que forma el tendón en cada extremo. Los tendones unen los músculos a los huesos para dar movimiento esquelético. La longitud de un músculo incluye los tendones. El tejido conectivo está presente en todos los músculos como fascia profunda . La fascia profunda se especializa dentro de los músculos para encerrar cada fibra muscular como endomisio ; cada fascículo muscular como perimisio y cada músculo individual como epimisio . Juntas, estas capas se denominan misias . La fascia profunda también separa los grupos de músculos en compartimentos musculares.
Los dos tipos de receptores sensoriales que se encuentran en los músculos son los husos musculares y los órganos tendinosos de Golgi . Los husos musculares son receptores de estiramiento ubicados en el vientre muscular. Los órganos tendinosos de Golgi son propioceptores ubicados en la unión miotendinosa que informan sobre la tensión de un músculo .
Las células del músculo esquelético son las células contráctiles individuales dentro de un músculo y a menudo se las denomina fibras musculares . [3] Un solo músculo, como el bíceps de un hombre adulto joven, contiene alrededor de 253.000 fibras musculares. [22]
Las fibras musculares esqueléticas son multinucleadas y los núcleos se denominan a menudo mionúcleos . Esto ocurre durante la miogénesis con la fusión de mioblastos, cada uno de los cuales aporta un núcleo. [23] La fusión depende de proteínas específicas del músculo conocidas como fusógenos, llamadas miomarcadores y miomergentes . [24]
La célula muscular esquelética necesita muchos núcleos para producir grandes cantidades de proteínas y enzimas para el funcionamiento normal de la célula. Una sola fibra muscular puede contener de cientos a miles de núcleos. [25] Una fibra muscular, por ejemplo, en el bíceps humano con una longitud de 10 cm puede tener hasta 3000 núcleos. [25] A diferencia de una célula no muscular donde el núcleo está ubicado centralmente, el mionúcleo es alargado y está ubicado cerca del sarcolema . Los mionúcleos están dispuestos de manera bastante uniforme a lo largo de la fibra y cada núcleo tiene su propio dominio mionuclear , donde es responsable de soportar el volumen de citoplasma en esa sección particular de la miofibra. [24] [25]
Un grupo de células madre musculares conocidas como células miosatélites , también llamadas células satélite, se encuentran entre la membrana basal y el sarcolema de las fibras musculares. Estas células normalmente están inactivas, pero pueden activarse mediante el ejercicio o la patología para proporcionar mionúcleos adicionales para el crecimiento o la reparación muscular. [26]
Los músculos se unen a los tendones en una región de interfaz compleja conocida como unión musculotendinosa , también conocida como unión miotendinosa , un área especializada para la transmisión primaria de fuerza. [27] En la interfaz músculo-tendón, la fuerza se transmite desde los sarcómeros en las células musculares hasta el tendón. [5] Los músculos y los tendones se desarrollan en estrecha asociación y, después de su unión en la unión miotendinosa, constituyen una unidad dinámica para la transmisión de fuerza desde la contracción muscular hasta el sistema esquelético. [27]
La arquitectura muscular se refiere a la disposición de las fibras musculares en relación con el eje de generación de fuerza , que va desde el origen de un músculo hasta su inserción . Las disposiciones habituales son tipos de músculo paralelo y tipos de músculo pennado . En los músculos paralelos, los fascículos corren paralelos al eje de generación de fuerza, pero los fascículos pueden variar en su relación entre sí y con sus tendones. [28] Estas variaciones se ven en músculos fusiformes , en correa y convergentes . [4] Un músculo convergente tiene una forma triangular o de abanico ya que las fibras convergen en su inserción y se abren en abanico ampliamente en el origen. [28] Un ejemplo menos común de un músculo paralelo es un músculo circular como el orbicular de los ojos , en el que las fibras están dispuestas longitudinalmente, pero crean un círculo desde el origen hasta la inserción. [29] Estas diferentes arquitecturas pueden causar variaciones en la tensión que un músculo puede crear entre sus tendones.
Las fibras de los músculos pennados se extienden en un ángulo con respecto al eje de generación de fuerza. [29] Este ángulo de penación reduce la fuerza efectiva de cualquier fibra individual, ya que está tirando efectivamente fuera del eje. Sin embargo, debido a este ángulo, se pueden empaquetar más fibras en el mismo volumen muscular, lo que aumenta el área de sección transversal fisiológica (PCSA). Este efecto se conoce como empaquetamiento de fibras y, en términos de generación de fuerza, supera con creces la pérdida de eficiencia de la orientación fuera del eje. La compensación se produce en la velocidad general de acortamiento muscular y en la excursión total. La velocidad general de acortamiento muscular se reduce en comparación con la velocidad de acortamiento de la fibra, al igual que la distancia total de acortamiento. [29] Todos estos efectos se escalan con el ángulo de penación; los ángulos mayores conducen a una mayor fuerza debido al mayor empaquetamiento de fibras y PCSA, pero con mayores pérdidas en la velocidad de acortamiento y la excursión. Los tipos de músculo pennado son unipennado , bipennado y multipennado . Un músculo unipennado tiene fibras con ángulos similares que están en un lado de un tendón. Un músculo bipennativo tiene fibras en dos lados de un tendón. Los músculos multipennativo tienen fibras que están orientadas en múltiples ángulos a lo largo del eje generador de fuerza, y esta es la arquitectura más general y más común. [29]
Las fibras musculares crecen cuando se ejercitan y se encogen cuando no se utilizan. Esto se debe a que el ejercicio estimula el aumento de las miofibrillas, que aumentan el tamaño general de las células musculares. Los músculos bien ejercitados no solo pueden aumentar su tamaño, sino que también pueden desarrollar más mitocondrias , mioglobina , glucógeno y una mayor densidad de capilares . Sin embargo, las células musculares no pueden dividirse para producir nuevas células y, como resultado, hay menos células musculares en un adulto que en un recién nacido. [30]
Hay una serie de términos utilizados para nombrar los músculos, incluidos aquellos relacionados con el tamaño, la forma, la acción, la ubicación, su orientación y su número de cabezas.
En términos generales, existen dos tipos de fibras musculares: el tipo I , que es lento, y el tipo II , que es rápido. El tipo II tiene dos divisiones: el tipo IIA (oxidativo) y el tipo IIX (glucolítico), lo que da lugar a tres tipos principales de fibras. [33] Estas fibras tienen propiedades metabólicas, contráctiles y de unidad motora relativamente distintas . La siguiente tabla diferencia estos tipos de propiedades. Estos tipos de propiedades, si bien dependen en parte de las propiedades de las fibras individuales, tienden a ser relevantes y se miden a nivel de la unidad motora, en lugar de a nivel de la fibra individual. [34]
Las fibras oxidativas lentas (tipo I) se contraen con relativa lentitud y utilizan la respiración aeróbica para producir ATP. Las fibras oxidativas rápidas (tipo IIA) tienen contracciones rápidas y utilizan principalmente la respiración aeróbica, pero como pueden cambiar a la respiración anaeróbica (glucólisis), pueden fatigarse más rápidamente que las fibras oxidativas lentas. Las fibras glucolíticas rápidas (tipo IIX) tienen contracciones rápidas y utilizan principalmente la glucólisis anaeróbica. Las fibras FG se fatigan más rápidamente que las demás. La mayoría de los músculos esqueléticos de un ser humano contienen los tres tipos, aunque en proporciones variables. [35]
Tradicionalmente, las fibras se clasificaban según su color variable, que es un reflejo del contenido de mioglobina . Las fibras de tipo I aparecen rojas debido a los altos niveles de mioglobina. Las fibras musculares rojas tienden a tener más mitocondrias y una mayor densidad capilar local. Estas fibras son más adecuadas para la resistencia y se fatigan lentamente porque utilizan el metabolismo oxidativo para generar ATP ( trifosfato de adenosina ). Las fibras de tipo II menos oxidativas son blancas debido a la mioglobina relativamente baja y a la dependencia de las enzimas glucolíticas.
Las fibras también se pueden clasificar según su capacidad de contracción, en fibras de contracción rápida y fibras de contracción lenta. Estas características se superponen en gran medida, pero no por completo, con las clasificaciones basadas en el color, la ATPasa o la MHC ( cadena pesada de miosina ).
Algunos autores definen una fibra de contracción rápida como aquella en la que la miosina puede dividir el ATP muy rápidamente. Entre ellas se encuentran principalmente las fibras ATPasa tipo II y MHC tipo II. Sin embargo, las fibras de contracción rápida también demuestran una mayor capacidad de transmisión electroquímica de potenciales de acción y un rápido nivel de liberación y captación de calcio por el retículo sarcoplásmico. Las fibras de contracción rápida dependen de un sistema glucolítico anaeróbico de corto plazo bien desarrollado para la transferencia de energía y pueden contraerse y desarrollar tensión a una velocidad entre dos y tres veces superior a la de las fibras de contracción lenta. Los músculos de contracción rápida son mucho mejores para generar breves ráfagas de fuerza o velocidad que los músculos lentos, por lo que se fatigan más rápidamente. [36]
Las fibras de contracción lenta generan energía para la resíntesis de ATP mediante un sistema de transferencia de energía aeróbica a largo plazo . Entre ellas se encuentran principalmente las fibras ATPasa tipo I y MHC tipo I. Suelen tener un nivel bajo de actividad de ATPasa, una velocidad de contracción más lenta y una capacidad glucolítica menos desarrollada. [36] Las fibras que se vuelven de contracción lenta desarrollan un mayor número de mitocondrias y capilares, lo que las hace mejores para el trabajo prolongado. [37]
Los músculos individuales tienden a ser una mezcla de varios tipos de fibras, pero sus proporciones varían según las acciones de ese músculo. Por ejemplo, en los humanos, los músculos cuádriceps contienen aproximadamente un 52 % de fibras de tipo I, mientras que el sóleo contiene aproximadamente un 80 % de tipo I. [38] El músculo orbicular del ojo contiene solo aproximadamente un 15 % de tipo I. [38] Sin embargo, las unidades motoras dentro del músculo tienen una variación mínima entre las fibras de esa unidad. Es este hecho el que hace viable el principio del tamaño del reclutamiento de unidades motoras .
Tradicionalmente se ha pensado que el número total de fibras musculares esqueléticas no cambia. Se cree que no hay diferencias de sexo o edad en la distribución de las fibras; sin embargo, las proporciones de los tipos de fibras varían considerablemente de un músculo a otro y de una persona a otra. [ cita requerida ] Entre las diferentes especies hay mucha variación en las proporciones de los tipos de fibras musculares. [ 39 ]
Los hombres y mujeres sedentarios (así como los niños pequeños) tienen un 45% de fibras de tipo II y un 55% de tipo I. [ cita requerida ] Las personas que se encuentran en el extremo superior de cualquier deporte tienden a demostrar patrones de distribución de fibras, por ejemplo, los atletas de resistencia muestran un nivel más alto de fibras de tipo I. Los atletas de velocidad, por otro lado, requieren una gran cantidad de fibras de tipo IIX. Los atletas de eventos de media distancia muestran una distribución aproximadamente igual de los dos tipos. Este también suele ser el caso de los atletas de potencia, como los lanzadores y saltadores. Se ha sugerido que varios tipos de ejercicio pueden inducir cambios en las fibras de un músculo esquelético. [40]
Se cree que al realizar eventos de tipo resistencia durante un período de tiempo sostenido, algunas de las fibras de tipo IIX se transforman en fibras de tipo IIA. Sin embargo, no hay consenso sobre el tema. [ cita requerida ] Bien podría ser que las fibras de tipo IIX muestren mejoras de la capacidad oxidativa después del entrenamiento de resistencia de alta intensidad, lo que las lleva a un nivel en el que pueden realizar el metabolismo oxidativo con la misma eficacia que las fibras de contracción lenta de sujetos no entrenados. Esto se produciría por un aumento en el tamaño y número de mitocondrias y los cambios relacionados asociados, no por un cambio en el tipo de fibra.
Existen numerosos métodos empleados para la tipificación de fibras, y la confusión entre los métodos es común entre los no expertos. Dos métodos comúnmente confundidos son la tinción histoquímica para la actividad ATPasa de miosina y la tinción inmunohistoquímica para el tipo de cadena pesada de miosina (MHC). La actividad ATPasa de miosina se conoce comúnmente, y correctamente, simplemente como "tipo de fibra", y resulta del ensayo directo de la actividad ATPasa en varias condiciones (p. ej., pH ). [34] La tinción de la cadena pesada de miosina se conoce con mayor precisión como "tipo de fibra MHC", p. ej., "fibras MHC IIa", y resulta de la determinación de diferentes isoformas MHC . [34] Estos métodos están estrechamente relacionados fisiológicamente, ya que el tipo MHC es el determinante principal de la actividad ATPasa. Sin embargo, ninguno de estos métodos de tipificación es directamente de naturaleza metabólica; no abordan directamente la capacidad oxidativa o glucolítica de la fibra.
Cuando se hace referencia a fibras "tipo I" o "tipo II" de manera genérica, esto se refiere con mayor precisión a la suma de tipos de fibras numéricas (I vs. II) según se evalúa mediante tinción de actividad de ATPasa de miosina (por ejemplo, fibras "tipo II" se refieren a tipo IIA + tipo IIAX + tipo IIXA... etc.).
A continuación se muestra una tabla que muestra la relación entre estos dos métodos, limitada a los tipos de fibra que se encuentran en los humanos. La capitalización de los subtipos se utiliza en la tipificación de fibras frente a la tipificación de MHC, y algunos tipos de ATPasa en realidad contienen múltiples tipos de MHC. Además, un subtipo B o b no se expresa en humanos por ninguno de los métodos . [41] Los primeros investigadores creían que los humanos expresaban un MHC IIb, lo que llevó a la clasificación de ATPasa de IIB. Sin embargo, investigaciones posteriores mostraron que el MHC IIb humano era de hecho IIx, [41] lo que indica que el IIB se llama mejor IIX. IIb se expresa en otros mamíferos, por lo que todavía se ve con precisión (junto con IIB) en la literatura. Los tipos de fibras no humanas incluyen fibras IIb verdaderas, IIc, IId, etc.
Otros métodos de tipificación de fibras están menos formalmente delineados y existen en un espectro más amplio. Tienden a centrarse más en las capacidades metabólicas y funcionales (es decir, oxidativa vs. glucolítica , tiempo de contracción rápida vs. lenta). Como se señaló anteriormente, la tipificación de fibras por ATPasa o MHC no mide ni dicta directamente estos parámetros. Sin embargo, muchos de los diversos métodos están vinculados mecanísticamente, mientras que otros están correlacionados in vivo . [44] [45] Por ejemplo, el tipo de fibra ATPasa está relacionado con la velocidad de contracción, porque la alta actividad de ATPasa permite un ciclo de puente cruzado más rápido . [34] Si bien la actividad de ATPasa es solo un componente de la velocidad de contracción, las fibras de Tipo I son "lentas", en parte, porque tienen bajas velocidades de actividad de ATPasa en comparación con las fibras de Tipo II. Sin embargo, medir la velocidad de contracción no es lo mismo que la tipificación de fibras ATPasa.
Casi todos los animales multicelulares dependen de los músculos para moverse. [46] En general, los sistemas musculares de la mayoría de los animales multicelulares comprenden fibras musculares de contracción lenta y rápida, aunque las proporciones de cada tipo de fibra pueden variar entre organismos y entornos. La capacidad de cambiar las proporciones de sus tipos de fibras fenotípicas mediante el entrenamiento y la respuesta al entorno ha sido útil para los organismos cuando se los coloca en entornos cambiantes que requieren movimientos explosivos cortos (mayor proporción de contracción rápida) o una larga duración de movimiento (mayor proporción de contracción lenta) para sobrevivir. [47] El culturismo ha demostrado que los cambios en la masa muscular y la producción de fuerza pueden cambiar en cuestión de meses. [48] A continuación se describen algunos ejemplos de esta variación. [49]
La langosta americana , Homarus americanus , tiene tres tipos de fibras: fibras de contracción rápida, fibras de contracción lenta y fibras tónicas lentas. [50] Las fibras tónicas lentas son fibras de contracción lenta que pueden sostener contracciones más prolongadas ( tónicas ). [51] [52] En las langostas, los músculos de diferentes partes del cuerpo varían en las proporciones del tipo de fibra muscular según el propósito del grupo muscular. [50]
En el desarrollo temprano de los embriones de vertebrados, el crecimiento y la formación de músculo se producen en oleadas o fases sucesivas de miogénesis . El isotipo de la cadena pesada de miosina es un determinante principal del tipo específico de fibra. En los embriones de pez cebra , las primeras fibras musculares que se forman son las fibras de contracción lenta. Estas células experimentarán una migración desde su ubicación original para formar una monocapa de fibras musculares de contracción lenta. Estas fibras musculares experimentan una mayor diferenciación a medida que el embrión madura. [53]
En animales más grandes, los diferentes grupos musculares requerirán cada vez más proporciones de tipos de fibras diferentes dentro del músculo para diferentes propósitos. Las tortugas , como Trachemys scripta elegans , tienen músculos complementarios dentro del cuello que muestran una posible tendencia inversa de los porcentajes de tipos de fibras (un músculo tiene un alto porcentaje de fibras de contracción rápida, mientras que el músculo complementario tendrá un mayor porcentaje de fibras de contracción lenta). Los músculos complementarios de las tortugas tenían porcentajes similares de tipos de fibras. [51]
Los músculos de los chimpancés están compuestos en un 67% por fibras de contracción rápida y tienen una fuerza dinámica máxima y una potencia de salida 1,35 veces mayor que los músculos humanos de tamaño similar. Entre los mamíferos, hay un predominio de fibras de tipo II que utilizan el metabolismo glucolítico. Debido a la discrepancia en las fibras de contracción rápida en comparación con los humanos, los chimpancés superan a los humanos en pruebas relacionadas con la potencia. Los humanos, sin embargo, se desempeñan mejor en ejercicios de rango aeróbico que requieren grandes costos metabólicos, como caminar (bipedalismo). [54]
En las distintas especies, se han conservado ciertas secuencias genéticas, pero no siempre tienen el mismo propósito funcional. Dentro del embrión de pez cebra, el gen Prdm1 regula a la baja la formación de nuevas fibras de contracción lenta a través de mecanismos directos e indirectos como Sox6 (indirecto). En ratones, el gen Prdm1 está presente pero no controla los genes de los músculos lentos en ratones a través de Sox6 . [55]
Además de tener una base genética, la composición de los tipos de fibras musculares es flexible y puede variar en función de diversos factores ambientales. Esta plasticidad puede ser, sin duda, la mayor ventaja evolutiva entre los organismos con músculos.
En los peces, los diferentes tipos de fibras se expresan a diferentes temperaturas del agua. [53] Las temperaturas frías requieren un metabolismo más eficiente dentro del músculo y la resistencia a la fatiga es importante. Mientras que en ambientes más tropicales, los movimientos rápidos y potentes (de proporciones más altas de contracción rápida) pueden resultar más beneficiosos a largo plazo. [56]
En roedores como las ratas, la naturaleza transitoria de su músculo es muy frecuente. Tienen un alto porcentaje de fibras musculares híbridas y hasta un 60% de músculo de transformación rápida a lenta. [48]
Las influencias ambientales, como la dieta, el ejercicio y el estilo de vida, tienen un papel fundamental en las proporciones de los tipos de fibras en los seres humanos. El ejercicio aeróbico cambiará las proporciones hacia las fibras de contracción lenta, mientras que el levantamiento de pesas explosivo y el sprint harán que las fibras pasen a ser de contracción rápida. [47] En los animales, el "entrenamiento físico" se parecerá más a la necesidad de realizar movimientos de larga duración o breves movimientos explosivos para escapar de los depredadores o atrapar presas. [57]
El músculo esquelético exhibe un patrón de bandas distintivo cuando se observa bajo el microscopio debido a la disposición de dos proteínas contráctiles, miosina y actina , que son dos de los miofilamentos en las miofibrillas . La miosina forma los filamentos gruesos y la actina forma los filamentos delgados, y están dispuestos en unidades repetidas llamadas sarcómeros . La interacción de ambas proteínas da como resultado la contracción muscular.
El sarcómero se une a otros orgánulos, como las mitocondrias, mediante filamentos intermedios en el citoesqueleto. El costámero une el sarcómero al sarcolema. [5]
Cada uno de los orgánulos y macromoléculas de una fibra muscular está organizado para garantizar que cumpla con las funciones deseadas. La membrana celular se llama sarcolema y el citoplasma se conoce como sarcoplasma . En el sarcoplasma se encuentran las miofibrillas. Las miofibrillas son haces largos de proteínas de aproximadamente un micrómetro de diámetro. Presionados contra el interior del sarcolema se encuentran los inusuales mionúcleos aplanados. Entre las miofibrillas se encuentran las mitocondrias .
Si bien la fibra muscular no tiene cisternas endoplasmáticas lisas, contiene retículo sarcoplásmico . El retículo sarcoplásmico rodea las miofibrillas y contiene una reserva de iones de calcio necesarios para provocar una contracción muscular. Periódicamente, tiene sacos terminales dilatados conocidos como cisternas terminales . Estos cruzan la fibra muscular de un lado al otro. Entre dos cisternas terminales hay un pliegue tubular llamado túbulo transversal (túbulo T). Los túbulos T son las vías por las que los potenciales de acción envían señales al retículo sarcoplásmico para que libere calcio, lo que provoca una contracción muscular. Juntos, dos cisternas terminales y un túbulo transversal forman una tríada . [58]
Todos los músculos se derivan del mesodermo paraxial . Durante el desarrollo embrionario en el proceso de somitogénesis, el mesodermo paraxial se divide a lo largo de la longitud del embrión para formar somitas , que corresponden a la segmentación del cuerpo que se ve más obviamente en la columna vertebral . [59] Cada somita tiene tres divisiones, esclerotomo (que forma las vértebras ), dermatoma (que forma la piel) y miotoma (que forma el músculo). El miotoma se divide en dos secciones, el epímero y el hipómero, que forman los músculos epaxiales e hipaxiales , respectivamente. Los únicos músculos epaxiales en los humanos son el erector de la columna y los músculos vertebrales pequeños, y están inervados por las ramas dorsales de los nervios espinales . Todos los demás músculos, incluidos los de las extremidades, son hipaxiales y están inervados por las ramas ventrales de los nervios espinales. [59]
Durante el desarrollo, los mioblastos (células progenitoras musculares) permanecen en el somita para formar los músculos asociados con la columna vertebral o migran hacia el exterior del cuerpo para formar todos los demás músculos. La migración de los mioblastos está precedida por la formación de estructuras de tejido conectivo , generalmente formadas a partir del mesodermo de la placa lateral somática . Los mioblastos siguen señales químicas hasta las ubicaciones apropiadas, donde se fusionan en células musculares esqueléticas multinucleadas alargadas. [59]
Entre la décima y la decimoctava semana de gestación, todas las células musculares tienen cadenas pesadas de miosina rápidas; en el feto en desarrollo se distinguen dos tipos de miotubos : ambos expresan cadenas rápidas, pero uno expresa cadenas rápidas y lentas. Entre el 10 y el 40 por ciento de las fibras expresan la cadena de miosina lenta. [60]
Los tipos de fibras se establecen durante el desarrollo embrionario y se remodelan más tarde en el adulto por influencias neuronales y hormonales. [39] La población de células satélite presentes debajo de la lámina basal es necesaria para el desarrollo postnatal de las células musculares. [61]
La función principal del músculo es la contracción . [3] Después de la contracción, el músculo esquelético funciona como un órgano endocrino al secretar mioquinas , una amplia gama de citoquinas y otros péptidos que actúan como moléculas de señalización. [62] Se cree que las mioquinas, a su vez, median los beneficios para la salud del ejercicio . [63] Las mioquinas se secretan en el torrente sanguíneo después de la contracción muscular. La interleucina 6 (IL-6) es la mioquina más estudiada, otras mioquinas inducidas por la contracción muscular incluyen BDNF , FGF21 y SPARC . [64]
Los músculos también funcionan para producir calor corporal. La contracción muscular es responsable de producir el 85% del calor corporal. [65] Este calor producido es un subproducto de la actividad muscular y en su mayor parte se desperdicia. Como respuesta homeostática al frío extremo, los músculos reciben señales para que desencadenen contracciones de escalofríos para generar calor. [66]
La contracción se logra mediante la unidad estructural del músculo, la fibra muscular, y mediante su unidad funcional, la unidad motora . [4] Las fibras musculares son células excitables estimuladas por neuronas motoras . La unidad motora consta de una neurona motora y las muchas fibras con las que entra en contacto. Un solo músculo es estimulado por muchas unidades motoras. Las fibras musculares están sujetas a despolarización por el neurotransmisor acetilcolina , liberado por las neuronas motoras en las uniones neuromusculares . [67]
Además de los miofilamentos de actina y miosina en las miofibrillas que forman los sarcómeros contráctiles , hay otras dos proteínas reguladoras importantes, la troponina y la tropomiosina , que hacen posible la contracción muscular. Estas proteínas están asociadas con la actina y cooperan para evitar su interacción con la miosina. Una vez que una célula está suficientemente estimulada, el retículo sarcoplásmico de la célula libera calcio iónico (Ca 2+ ), que luego interactúa con la proteína reguladora troponina. La troponina unida al calcio sufre un cambio conformacional que conduce al movimiento de la tropomiosina, exponiendo posteriormente los sitios de unión de la miosina en la actina. Esto permite el ciclo de puente cruzado dependiente de ATP de la miosina y la actina y el acortamiento del músculo.
El acoplamiento excitación-contracción es el proceso por el cual un potencial de acción muscular en la fibra muscular hace que las miofibrillas se contraigan. Este proceso se basa en un acoplamiento directo entre el canal de liberación de calcio del retículo sarcoplásmico RYR1 (receptor de rianodina 1) y los canales de calcio de tipo L dependientes del voltaje (identificados como receptores de dihidropiridina, DHPR). Los DHPR se encuentran en el sarcolema (que incluye el sarcolema superficial y los túbulos transversales ), mientras que los RyR residen a través de la membrana del SR. La aposición cercana de un túbulo transversal y dos regiones del SR que contienen RyR se describe como una tríada y es predominantemente donde tiene lugar el acoplamiento excitación-contracción. El acoplamiento excitación-contracción ocurre cuando la despolarización de la célula del músculo esquelético da como resultado un potencial de acción muscular, que se propaga a través de la superficie celular y hacia la red de túbulos T de la fibra muscular , despolarizando así la porción interna de la fibra muscular. La despolarización de las porciones internas activa los receptores de dihidropiridina en las cisternas terminales, que están cerca de los receptores de rianodina en el retículo sarcoplásmico adyacente . Los receptores de dihidropiridina activados interactúan físicamente con los receptores de rianodina para activarlos a través de procesos de pie (que implican cambios conformacionales que activan alostéricamente los receptores de rianodina). A medida que los receptores de rianodina se abren, Ca2+
El calcio se libera del retículo sarcoplásmico al espacio de unión local y se difunde al citoplasma en masa para provocar una chispa de calcio . El retículo sarcoplásmico tiene una gran capacidad de amortiguación del calcio, en parte debido a una proteína de unión al calcio llamada calsecuestrina . La activación casi sincrónica de miles de chispas de calcio por el potencial de acción provoca un aumento de calcio en toda la célula que da lugar al ascenso del transitorio de calcio. El calcio2+
La troponina C liberada en el citosol se une a la troponina C por los filamentos de actina para permitir el ciclo de puente cruzado, lo que produce fuerza y, en algunas situaciones, movimiento. La calcio-ATPasa del retículo sarcoplasmático (SERCA) bombea activamente Ca2+
de nuevo al retículo sarcoplásmico. Como Ca2+
disminuye nuevamente a niveles de reposo, la fuerza disminuye y se produce la relajación. [68]
La rama eferente del sistema nervioso periférico es responsable de transmitir órdenes a los músculos y glándulas, y es en última instancia responsable del movimiento voluntario. Los nervios mueven los músculos en respuesta a señales voluntarias y autónomas (involuntarias) del cerebro . Los músculos profundos, los músculos superficiales, los músculos de la cara y los músculos internos se corresponden con regiones dedicadas en la corteza motora primaria del cerebro , directamente anterior al surco central que divide los lóbulos frontal y parietal.
Además, los músculos reaccionan a estímulos nerviosos reflejos que no siempre envían señales hasta el cerebro. En este caso, la señal de la fibra aferente no llega al cerebro, sino que produce el movimiento reflejo mediante conexiones directas con los nervios eferentes de la columna vertebral . Sin embargo, la mayor parte de la actividad muscular es voluntaria y el resultado de interacciones complejas entre varias áreas del cerebro.
Los nervios que controlan los músculos esqueléticos en los mamíferos se corresponden con grupos de neuronas a lo largo de la corteza motora primaria de la corteza cerebral del cerebro . Las órdenes se envían a través de los ganglios basales y se modifican mediante la entrada del cerebelo antes de ser transmitidas a través del tracto piramidal a la médula espinal y desde allí a la placa motora terminal en los músculos. A lo largo del camino, la retroalimentación, como la del sistema extrapiramidal, contribuye con señales que influyen en el tono y la respuesta muscular.
Los músculos más profundos, como los que intervienen en la postura, a menudo están controlados desde núcleos del tronco encefálico y los ganglios basales.
En los músculos esqueléticos, los husos musculares transmiten información sobre el grado de longitud y estiramiento muscular al sistema nervioso central para ayudar a mantener la postura y la posición de las articulaciones. La sensación de dónde se encuentra nuestro cuerpo en el espacio se llama propiocepción , la percepción de la conciencia corporal, la conciencia "inconsciente" de dónde se encuentran las distintas regiones del cuerpo en un momento dado. Varias áreas del cerebro coordinan el movimiento y la posición con la información de retroalimentación obtenida de la propiocepción. El cerebelo y el núcleo rojo , en particular, toman muestras de la posición de forma continua en función del movimiento y realizan pequeñas correcciones para garantizar un movimiento suave. [ cita requerida ]
La actividad muscular es responsable de gran parte del consumo de energía del cuerpo . Todas las células musculares producen moléculas de trifosfato de adenosina (ATP) que se utilizan para impulsar el movimiento de las cabezas de miosina . Los músculos tienen una reserva de energía a corto plazo en forma de fosfato de creatina que se genera a partir de ATP y puede regenerar ATP cuando sea necesario con la creatina quinasa . Los músculos también mantienen una forma de almacenamiento de glucosa en forma de glucógeno . El glucógeno se puede convertir rápidamente en glucosa cuando se requiere energía para contracciones sostenidas y potentes. Dentro de los músculos esqueléticos voluntarios, la molécula de glucosa se puede metabolizar anaeróbicamente en un proceso llamado glucólisis que produce dos moléculas de ATP y dos de ácido láctico en el proceso (en condiciones aeróbicas, no se forma lactato; en su lugar, se forma piruvato y se transmite a través del ciclo del ácido cítrico ). Las células musculares también contienen glóbulos de grasa, que se utilizan para obtener energía durante el ejercicio aeróbico . Los sistemas de energía aeróbica tardan más en producir ATP y alcanzar su máxima eficiencia, y requieren muchos más pasos bioquímicos, pero producen significativamente más ATP que la glucólisis anaeróbica. El músculo cardíaco, por otra parte, puede consumir fácilmente cualquiera de los tres macronutrientes (proteínas, glucosa y grasas) de forma aeróbica sin un período de "calentamiento" y siempre extrae el máximo rendimiento de ATP de cualquier molécula involucrada. El corazón, el hígado y los glóbulos rojos también consumen ácido láctico producido y excretado por los músculos esqueléticos durante el ejercicio.
El músculo esquelético consume más calorías que otros órganos. [69] En reposo, consume 54,4 kJ/kg (13,0 kcal/kg) por día. Esta cantidad es mayor que la del tejido adiposo (grasa), que consume 18,8 kJ/kg (4,5 kcal/kg), y la del hueso, que consume 9,6 kJ/kg (2,3 kcal/kg). [70]
La eficiencia del músculo humano se ha medido (en el contexto del remo y el ciclismo ) en un 18% a 26%. La eficiencia se define como la relación entre el trabajo mecánico realizado y el coste metabólico total , tal como se puede calcular a partir del consumo de oxígeno. Esta baja eficiencia es el resultado de una eficiencia de alrededor del 40% en la generación de ATP a partir de la energía de los alimentos , pérdidas en la conversión de energía del ATP en trabajo mecánico dentro del músculo y pérdidas mecánicas dentro del cuerpo. Las dos últimas pérdidas dependen del tipo de ejercicio y del tipo de fibras musculares que se utilicen (de contracción rápida o de contracción lenta). Para una eficiencia general del 20 por ciento, un vatio de potencia mecánica equivale a 4,3 kcal por hora. Por ejemplo, un fabricante de equipos de remo calibra su ergómetro de remo para que cuente las calorías quemadas como equivalentes a cuatro veces el trabajo mecánico real, más 300 kcal por hora, lo que equivale a una eficiencia de alrededor del 20 por ciento a 250 vatios de producción mecánica. La producción de energía mecánica de una contracción cíclica puede depender de muchos factores, entre ellos el momento de activación, la trayectoria de la tensión muscular y las tasas de aumento y disminución de la fuerza. Estos factores se pueden sintetizar experimentalmente mediante el análisis del ciclo de trabajo .
La fuerza muscular es el resultado de tres factores superpuestos: fuerza fisiológica (tamaño del músculo, área de la sección transversal, puentes cruzados disponibles, respuestas al entrenamiento), fuerza neurológica (qué tan fuerte o débil es la señal que le dice al músculo que se contraiga) y fuerza mecánica (ángulo de fuerza del músculo en la palanca, longitud del brazo del momento, capacidades de la articulación). [ cita requerida ]
El músculo de los vertebrados produce típicamente aproximadamente 25–33 N (5,6–7,4 lb ·f ) de fuerza por centímetro cuadrado de área transversal muscular cuando es isométrico y tiene una longitud óptima. [71] Algunos músculos de invertebrados , como en las pinzas de cangrejo, tienen sarcómeros mucho más largos que los vertebrados, lo que resulta en muchos más sitios para que la actina y la miosina se unan y, por lo tanto, una fuerza mucho mayor por centímetro cuadrado a costa de una velocidad mucho más lenta. La fuerza generada por una contracción se puede medir de forma no invasiva utilizando mecanomiografía o fonomiografía , se puede medir in vivo utilizando la tensión del tendón (si hay un tendón prominente) o se puede medir directamente utilizando métodos más invasivos.
La fuerza de un músculo determinado, en términos de fuerza ejercida sobre el esqueleto, depende de la longitud, la velocidad de acortamiento , el área de la sección transversal, la penenación , la longitud del sarcómero , las isoformas de miosina y la activación neural de las unidades motoras . Las reducciones significativas en la fuerza muscular pueden indicar una patología subyacente; el gráfico de la derecha se utiliza como guía.
El tiempo máximo de retención de un músculo contraído depende de su suministro de energía y, según la ley de Rohmert, disminuye exponencialmente desde el comienzo del esfuerzo.
Dado que tres factores afectan la fuerza muscular simultáneamente y los músculos nunca trabajan individualmente, es engañoso comparar la fuerza de músculos individuales y afirmar que uno es el "más fuerte". Pero a continuación se presentan varios músculos cuya fuerza es notable por diferentes razones.
La fuerza muscular es proporcional al área transversal fisiológica (PCSA), y la velocidad muscular es proporcional a la longitud de la fibra muscular. [72] Sin embargo, el torque alrededor de una articulación está determinado por una serie de parámetros biomecánicos, incluyendo la distancia entre las inserciones musculares y los puntos de pivote, el tamaño muscular y la relación de transmisión arquitectónica . Los músculos normalmente están dispuestos en oposición de modo que cuando un grupo de músculos se contrae, otro grupo se relaja o se alarga. [73] El antagonismo en la transmisión de impulsos nerviosos a los músculos significa que es imposible estimular completamente la contracción de dos músculos antagonistas en un momento dado. Durante movimientos balísticos como el lanzamiento, los músculos antagonistas actúan para "frenar" a los músculos agonistas durante toda la contracción, particularmente al final del movimiento. En el ejemplo del lanzamiento, el pecho y la parte delantera del hombro (deltoides anterior) se contraen para tirar del brazo hacia delante, mientras que los músculos de la parte trasera y trasera del hombro (deltoides posterior) también se contraen y experimentan una contracción excéntrica para ralentizar el movimiento y evitar lesiones. Parte del proceso de entrenamiento es aprender a relajar los músculos antagonistas para aumentar la entrada de fuerza del pecho y del hombro anterior.
Los músculos que se contraen producen vibración y sonido. [74] Las fibras de contracción lenta producen de 10 a 30 contracciones por segundo (10 a 30 Hz). Las fibras de contracción rápida producen de 30 a 70 contracciones por segundo (30 a 70 Hz). [75] La vibración se puede observar y sentir al tensar fuertemente los músculos, como cuando se cierra el puño con fuerza. El sonido se puede escuchar al presionar un músculo muy tenso contra el oído; nuevamente, un puño firme es un buen ejemplo. El sonido generalmente se describe como un sonido retumbante. Algunas personas pueden producir voluntariamente este sonido retumbante al contraer el músculo tensor del tímpano del oído medio. El sonido retumbante también se puede escuchar cuando los músculos del cuello o la mandíbula están muy tensos. [ cita requerida ]
El fenotipo de tipo de fibra del músculo esquelético en animales adultos está regulado por varias vías de señalización independientes. Estas incluyen vías involucradas con la vía Ras /proteína quinasa activada por mitógeno ( MAPK ), calcineurina, proteína quinasa IV dependiente de calcio/calmodulina y el coactivador 1 del proliferador de peroxisoma γ (PGC-1). La vía de señalización Ras/MAPK vincula las neuronas motoras y los sistemas de señalización, acoplando la excitación y la regulación de la transcripción para promover la inducción dependiente de los nervios del programa lento en la regeneración muscular. La calcineurina , una fosfatasa activada por Ca 2+ / calmodulina implicada en la especificación del tipo de fibra dependiente de la actividad nerviosa en el músculo esquelético, controla directamente el estado de fosforilación del factor de transcripción NFAT , lo que permite su translocación al núcleo y conduce a la activación de proteínas musculares de tipo lento en cooperación con las proteínas del factor potenciador de miocitos 2 ( MEF2 ) y otras proteínas reguladoras. La actividad de la proteína quinasa dependiente de Ca2+/calmodulina también se regula positivamente por la actividad de la neurona motora lenta, posiblemente porque amplifica las respuestas generadas por la calcineurina de tipo lento al promover las funciones transactivadoras de MEF2 y mejorar la capacidad oxidativa a través de la estimulación de la biogénesis mitocondrial .
Los cambios inducidos por la contracción en el calcio intracelular o en las especies reactivas de oxígeno proporcionan señales a diversas vías que incluyen las MAPK, la calcineurina y la proteína quinasa IV dependiente de calcio/calmodulina para activar factores de transcripción que regulan la expresión genética y la actividad enzimática en el músculo esquelético.
PGC1-α ( PPARGC1A ), un coactivador transcripcional de receptores nucleares importantes para la regulación de una serie de genes mitocondriales implicados en el metabolismo oxidativo, interactúa directamente con MEF2 para activar sinérgicamente genes musculares de contracción lenta (ST) selectivos y también sirve como diana para la señalización de calcineurina. Una vía transcripcional mediada por el receptor activado por el proliferador de peroxisomas δ ( PPARδ ) está implicada en la regulación del fenotipo de la fibra muscular esquelética. Los ratones que albergan una forma activada de PPARδ muestran un fenotipo de "resistencia", con un aumento coordinado de las enzimas oxidativas y la biogénesis mitocondrial y una mayor proporción de fibras ST. Por tanto, a través de la genómica funcional, la calcineurina, la quinasa dependiente de calmodulina, PGC-1α y el PPARδ activado forman la base de una red de señalización que controla la transformación del tipo de fibra muscular esquelética y los perfiles metabólicos que protegen contra la resistencia a la insulina y la obesidad.
La transición del metabolismo aeróbico al anaeróbico durante el trabajo intenso requiere que se activen rápidamente varios sistemas para garantizar un suministro constante de ATP para los músculos que trabajan. Estos incluyen un cambio de combustibles basados en grasas a basados en carbohidratos, una redistribución del flujo sanguíneo de los músculos que no trabajan a los que se ejercitan y la eliminación de varios de los subproductos del metabolismo anaeróbico, como el dióxido de carbono y el ácido láctico. Algunas de estas respuestas están gobernadas por el control transcripcional del fenotipo glucolítico de contracción rápida (FT). Por ejemplo, la reprogramación del músculo esquelético de un fenotipo glucolítico ST a un fenotipo glucolítico FT involucra al complejo Six1/Eya1, compuesto por miembros de la familia de proteínas Six. Además, el factor inducible por hipoxia 1-α ( HIF1A ) ha sido identificado como un regulador maestro para la expresión de genes involucrados en respuestas hipóxicas esenciales que mantienen los niveles de ATP en las células. La ablación de HIF-1α en el músculo esquelético se asoció con un aumento de la actividad de las enzimas limitantes de la velocidad de las mitocondrias, lo que indica que el ciclo del ácido cítrico y el aumento de la oxidación de los ácidos grasos pueden estar compensando la disminución del flujo a través de la vía glucolítica en estos animales. Sin embargo, las respuestas de HIF-1α mediadas por la hipoxia también están vinculadas a la regulación de la disfunción mitocondrial a través de la formación de especies reactivas de oxígeno excesivas en las mitocondrias.
Existen otras vías que también influyen en el carácter muscular adulto. Por ejemplo, la fuerza física ejercida dentro de una fibra muscular puede liberar el factor de transcripción factor de respuesta sérica de la proteína estructural titina, lo que provoca una alteración del crecimiento muscular.
El ejercicio físico se recomienda a menudo como un medio para mejorar las habilidades motoras , la aptitud física , la fuerza muscular y ósea y la función de las articulaciones. El ejercicio tiene varios efectos sobre los músculos, el tejido conectivo , los huesos y los nervios que estimulan los músculos. Uno de estos efectos es la hipertrofia muscular , un aumento en el tamaño del músculo debido a un aumento en el número de fibras musculares o el área transversal de las miofibrillas. [76] Los cambios musculares dependen del tipo de ejercicio utilizado.
Generalmente, hay dos tipos de regímenes de ejercicio, aeróbico y anaeróbico. El ejercicio aeróbico (por ejemplo, maratones) implica actividades de baja intensidad pero de larga duración, durante las cuales los músculos utilizados están por debajo de su fuerza de contracción máxima. Las actividades aeróbicas dependen de la respiración aeróbica (es decir, el ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones) para la energía metabólica mediante el consumo de grasa, proteínas, carbohidratos y oxígeno. Los músculos involucrados en ejercicios aeróbicos contienen un mayor porcentaje de fibras musculares de tipo I (o de contracción lenta), que contienen principalmente enzimas mitocondriales y de oxidación asociadas con la respiración aeróbica. [77] [78] Por el contrario, el ejercicio anaeróbico se asocia con actividades de alta intensidad pero de corta duración, como el sprint o el levantamiento de pesas . Las actividades anaeróbicas utilizan predominantemente fibras musculares de tipo II, de contracción rápida. [79] Las fibras musculares de tipo II dependen de la glucogénesis para obtener energía durante el ejercicio anaeróbico. [80] Durante el ejercicio anaeróbico, las fibras de tipo II consumen poco oxígeno, proteínas y grasas, producen grandes cantidades de ácido láctico y son fatigables. Muchos ejercicios son parcialmente aeróbicos y anaeróbicos; por ejemplo, el fútbol y la escalada en roca .
La presencia de ácido láctico tiene un efecto inhibidor sobre la generación de ATP dentro del músculo. Incluso puede detener la producción de ATP si la concentración intracelular se vuelve demasiado alta. Sin embargo, el entrenamiento de resistencia mitiga la acumulación de ácido láctico a través del aumento de la capilarización y la mioglobina. [81] Esto aumenta la capacidad de eliminar productos de desecho, como el ácido láctico, de los músculos para no perjudicar la función muscular. Una vez eliminado de los músculos, el ácido láctico puede ser utilizado por otros músculos o tejidos corporales como fuente de energía, o transportado al hígado donde se convierte nuevamente en piruvato . Además de aumentar el nivel de ácido láctico, el ejercicio extenuante da como resultado la pérdida de iones de potasio en el músculo. Esto puede facilitar la recuperación de la función muscular al proteger contra la fatiga. [82]
El dolor muscular de aparición tardía es un dolor o malestar que puede sentirse entre uno y tres días después de hacer ejercicio y que generalmente desaparece entre dos y tres días después. Antes se pensaba que se debía a la acumulación de ácido láctico, pero una teoría más reciente sostiene que se debe a pequeños desgarros en las fibras musculares causados por una contracción excéntrica o por niveles de entrenamiento no acostumbrados. Dado que el ácido láctico se dispersa con bastante rapidez, no podría explicar el dolor que se experimenta días después del ejercicio. [83]
Las enfermedades del músculo esquelético se denominan miopatías , mientras que las enfermedades de los nervios se denominan neuropatías . Ambas pueden afectar la función muscular o causar dolor muscular, y se incluyen en el grupo de enfermedades neuromusculares . La causa de muchas miopatías se atribuye a mutaciones en las diversas proteínas musculares asociadas. [5] [84] Algunas miopatías inflamatorias incluyen polimiositis y miositis por cuerpos de inclusión.
Las enfermedades neuromusculares afectan a los músculos y su control nervioso. En general, los problemas con el control nervioso pueden causar espasticidad o parálisis , dependiendo de la ubicación y la naturaleza del problema. Una serie de trastornos del movimiento son causados por trastornos neurológicos como la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Huntington , donde hay una disfunción del sistema nervioso central. [85]
Los síntomas de las enfermedades musculares pueden incluir debilidad , espasticidad, mioclono y mialgia . Los procedimientos de diagnóstico que pueden revelar trastornos musculares incluyen la prueba de los niveles de creatina quinasa en la sangre y la electromiografía (medición de la actividad eléctrica en los músculos). En algunos casos, se puede realizar una biopsia muscular para identificar una miopatía , así como pruebas genéticas para identificar anomalías del ADN asociadas con miopatías y distrofias específicas .
Se está experimentando una técnica de elastografía no invasiva que mide el ruido muscular para proporcionar una forma de monitorear la enfermedad neuromuscular. El sonido producido por un músculo proviene del acortamiento de los filamentos de actomiosina a lo largo del eje del músculo. Durante la contracción , el músculo se acorta a lo largo y se expande a lo ancho, produciendo vibraciones en la superficie. [86]
Independientemente de las medidas de fuerza y rendimiento, los músculos pueden ser inducidos a crecer más grandes por una serie de factores, incluyendo la señalización hormonal, factores de desarrollo, entrenamiento de fuerza y enfermedad. Contrariamente a la creencia popular, la cantidad de fibras musculares no puede aumentarse mediante el ejercicio . En cambio, los músculos crecen más grandes a través de una combinación de crecimiento de células musculares a medida que se agregan nuevos filamentos de proteína junto con masa adicional proporcionada por células satélite indiferenciadas junto con las células musculares existentes. [87]
Los factores biológicos como la edad y los niveles hormonales pueden afectar la hipertrofia muscular. Durante la pubertad en los hombres, la hipertrofia se produce a un ritmo acelerado a medida que aumentan los niveles de hormonas estimulantes del crecimiento producidas por el cuerpo. La hipertrofia natural normalmente se detiene en el crecimiento completo al final de la adolescencia. Como la testosterona es una de las principales hormonas de crecimiento del cuerpo, en promedio, a los hombres les resulta mucho más fácil lograr la hipertrofia que a las mujeres. Tomar testosterona adicional u otros esteroides anabólicos aumentará la hipertrofia muscular.
Los factores musculares, espinales y neurales afectan el desarrollo muscular. A veces, una persona puede notar un aumento de fuerza en un músculo determinado aunque solo se haya ejercitado el opuesto, como cuando un culturista descubre que su bíceps izquierdo está más fuerte después de completar un régimen centrado solo en el bíceps derecho. Este fenómeno se denomina educación cruzada . [ cita requerida ]
Cada día se degrada y reconstruye entre el uno y el dos por ciento del músculo. La inactividad , la desnutrición , las enfermedades y el envejecimiento pueden aumentar la degradación y provocar atrofia muscular o sarcopenia . La sarcopenia es un proceso comúnmente relacionado con la edad que puede causar fragilidad y sus consecuencias. [88] Una disminución de la masa muscular puede ir acompañada de una menor cantidad y tamaño de las células musculares, así como de un menor contenido proteico. [89]
Se sabe que los vuelos espaciales tripulados , que implican períodos prolongados de inmovilización y gravedad cero, provocan debilitamiento y atrofia muscular, lo que resulta en una pérdida de hasta un 30% de masa en algunos músculos. [90] [91] Estas consecuencias también se observan en algunos mamíferos después de la hibernación . [92]
Muchas enfermedades y afecciones, incluido el cáncer , el SIDA y la insuficiencia cardíaca , pueden causar pérdida muscular conocida como caquexia . [93]
Las miopatías se han modelado con sistemas de cultivo celular de músculo a partir de biopsias de tejido sano o enfermo . Otra fuente de músculo esquelético y progenitores la proporciona la diferenciación dirigida de células madre pluripotentes . [94]
La investigación sobre las propiedades del músculo esquelético utiliza muchas técnicas. La estimulación muscular eléctrica se utiliza para determinar la fuerza y la velocidad de contracción a diferentes frecuencias relacionadas con la composición y la combinación de tipos de fibras dentro de un grupo muscular individual. Las pruebas musculares in vitro se utilizan para una caracterización más completa de las propiedades musculares.
La actividad eléctrica asociada con la contracción muscular se mide mediante electromiografía (EMG). El músculo esquelético tiene dos respuestas fisiológicas: relajación y contracción. Los mecanismos por los cuales ocurren estas respuestas generan actividad eléctrica medida por EMG. Específicamente, EMG puede medir el potencial de acción de un músculo esquelético, que ocurre a partir de la hiperpolarización de los axones motores de los impulsos nerviosos enviados al músculo. EMG se utiliza en investigación para determinar si el músculo esquelético de interés está siendo activado, la cantidad de fuerza generada y un indicador de fatiga muscular . [95] Los dos tipos de EMG son EMG intramuscular y el más común, EMG de superficie. Las señales EMG son mucho mayores cuando un músculo esquelético se contrae en lugar de relajarse. Sin embargo, para músculos esqueléticos más pequeños y profundos, las señales EMG se reducen y, por lo tanto, se consideran una técnica menos valorada para medir la activación. [96] En las investigaciones que utilizan EMG, normalmente se realiza una contracción voluntaria máxima (MVC) en el músculo esquelético de interés, para tener datos de referencia para el resto de los registros de EMG durante las pruebas experimentales principales para ese mismo músculo esquelético. [97]
La investigación para el desarrollo de músculos artificiales incluye el uso de polímeros electroactivos .
Los núcleos presentes en el músculo esquelético son aproximadamente 50% núcleos de miocitos y 50% núcleos de células mononucleares. [13] Las células mononucleares encontradas en muestras de tejido del músculo esquelético de ratones y humanos [15] [99] [98] pueden identificarse mediante la transcripción del ARN mensajero de los marcadores del tipo celular. Cameron et al. [98] identificaron nueve tipos de células. Incluyen células endoteliales que recubren los capilares (45% de las células), progenitores fibroadipogénicos (FAP) (20%), [100] pericitos (14%) y pericitos similares al endotelio (4%). Otro 9% de las células mononucleares son células madre musculares , adyacentes a las células de las fibras musculares. Los tipos de células linfoides (como las células B y las células T) (3%) y las células mieloides como los macrófagos (2%) constituyeron la mayoría de las células mononucleares restantes del músculo esquelético. [98] Además, Cameron et al. [98] También se identificaron dos tipos de células miocíticas, Tipo I y Tipo II. Se descubrió que cada uno de los diferentes tipos de células del músculo esquelético expresaba diferentes conjuntos de genes. La mediana de la cantidad de genes expresados en cada uno de los nueve tipos de células diferentes fue de 1.331 genes. Sin embargo, cuando se toma una biopsia de un músculo del muslo, la biopsia contiene todos los diferentes tipos de células. Mezclados entre sí, en una biopsia de músculo esquelético del muslo humano, hay entre 13.026 y 13.108 genes con expresión detectada. [101] [102]
Como se señala en la Introducción de este artículo, en diferentes condiciones fisiológicas, subconjuntos de 654 proteínas diferentes, así como lípidos, aminoácidos, metabolitos y ARN pequeños se producen en el secretoma de los músculos esqueléticos. [12] Como se describe en el artículo de Wikipedia " Lista de órganos y acciones endocrinos humanos ", el músculo esquelético se identifica como un órgano endocrino debido a su secreción de citocinas y otros péptidos producidos por el músculo esquelético como moléculas de señalización. Iizuka et al., [9] indicó que el músculo esquelético es un órgano endocrino porque "sintetiza y secreta múltiples factores, y estos factores derivados del músculo ejercen efectos beneficiosos sobre los órganos periféricos y remotos". Los secretomas alterados después del entrenamiento de resistencia o entrenamiento de fuerza , así como el secretoma del músculo sedentario, parecen tener muchos efectos sobre los tejidos distantes.
Un estudio realizado en Canadá puso a prueba el efecto de la masa muscular en las funciones mentales durante el envejecimiento. Una expectativa del estudio era que los componentes endocrinos del secretoma específico del músculo esquelético pudieran proteger las funciones cognitivas. Se midió la masa muscular esquelética de los brazos y las piernas de 8.279 canadienses mayores de 65 años y con una salud promedio al inicio y después de tres años. [103] De estos individuos, se consideró que 1.605 participantes (19,4%) tenían una masa muscular esquelética baja al inicio, con menos de 7,30 kg/m2 para los hombres y menos de 5,42 kg/m2 para las mujeres (niveles definidos como sarcopenia en Canadá).
La función mental ejecutiva , la memoria y la velocidad psicomotora se midieron al inicio y a los tres años. La función mental ejecutiva se midió con pruebas estándar, incluida la capacidad de decir la secuencia 1-A, 2-B, 3-C…, nombrar varios animales en un minuto y con la prueba de Stroop . [103] El estudio encontró que aquellos individuos con menor masa muscular esquelética al inicio del estudio declinaron en su función mental ejecutiva considerablemente más acentuadamente que aquellos con mayor masa muscular. La memoria, así como la velocidad psicomotora, por otro lado, no se correlacionaron con la masa muscular esquelética. [103] Por lo tanto, una mayor masa muscular, con un secretoma concomitantemente más grande, parecía tener la función endocrina de proteger la función mental ejecutiva de individuos mayores de 65 años.
Paluch et al. [104] compararon el número promedio de pasos caminados por día con el riesgo de mortalidad , tanto para adultos mayores de 60 años como para adultos menores de 60 años. El estudio fue un metaanálisis de 15 estudios que, combinados, evaluaron a 47.471 adultos durante un período de 7 años. Los individuos se dividieron en cuartiles aproximadamente iguales. El cuartil más bajo promedió 3.553 pasos/día, el segundo cuartil 5.801 pasos/día, el tercer cuartil 7.842 pasos/día y el cuarto cuartil 10.901 pasos/día. La rapidez de la caminata, ajustada por el volumen de la caminata, no afectó la mortalidad. Sin embargo, el número de pasos/día estaba claramente relacionado con la mortalidad. Cuando el riesgo de mortalidad para los mayores de 60 años se fijó en 1,0 para el cuartil más bajo de pasos/día, el riesgo relativo de mortalidad para los cuartiles segundo, tercero y cuarto fue de 0,56, 0,45 y 0,35, respectivamente. Para los menores de 60 años, los resultados fueron menos pronunciados. Para los menores de 60 años, con el riesgo de mortalidad del primer cuartil fijado en 1,0, los riesgos relativos de mortalidad del segundo, tercer y cuarto cuartiles fueron de 0,57, 0,42 y 0,53, respectivamente. Por lo tanto, el uso de los músculos esqueléticos al caminar tiene un gran efecto, especialmente entre los individuos de mayor edad, sobre la mortalidad.
Williams et al. [102] obtuvieron biopsias de un músculo esquelético del muslo (músculo vasto lateral) de ocho varones caucásicos de 23 años, originalmente sedentarios. Las biopsias se tomaron antes y después de un programa de entrenamiento de ejercicios de resistencia de seis semanas de duración. El ejercicio consistía en montar una bicicleta estática durante una hora, cinco días a la semana durante seis semanas.
De los 13.108 genes con expresión detectada en las biopsias musculares, 641 genes se regularon al alza después del entrenamiento de resistencia y 176 genes se regularon a la baja. De los 817 genes alterados en total, 531 fueron identificados como pertenecientes al secretoma por uno o ambos de Uniprot o Exocarta , o bien por estudios que investigan el secretoma de las células musculares. Debido a que muchos de los genes regulados por el ejercicio se identifican como secretados, esto indica que gran parte del efecto del ejercicio tiene una función endocrina en lugar de metabólica. [102] Las principales vías que se encontraron afectadas por las proteínas reguladas por el ejercicio secretadas estaban relacionadas con las funciones cardíaca , cognitiva , renal y plaquetaria .
Between 2012 and 2019, at least 25 reports indicated a major role of epigenetic mechanisms in skeletal muscle responses to exercise.[105] Epigenetic alterations often occur by adding methyl groups to cytosines in the DNA or removing methyl groups from the cytosines of DNA, especially at CpG sites. Methylations of cytosines can cause the DNA to be compacted into heterochromatin, thus inhibiting access of other molecules to the DNA.[106] Epigenetic alterations also often occur through acetylations or deacetylations of the histone tails within chromatin. DNA in the nucleus generally consists of segments of 146 base pairs of DNA wrapped around eight tightly connected histones (and each histone also has a loose tail) in a structure called a nucleosome and one segment of DNA is connected to an adjacent DNA segment on a nucleosome by linker DNA. When histone tails are acetylated, they usually cause loosening of the DNA around the nucleosome, leading to increased accessibility of the DNA.
Gene expression in muscle is largely regulated, as in tissues generally, by regulatory DNA sequences, especially enhancers. Enhancers are non-coding sequences in the genome that activate the expression of distant target genes,[107] by looping around and interacting with the promoters of their target genes[108] (see Figure "Regulation of transcription in mammals"). As reported by Williams et al.,[102] the average distance in the loop between the connected enhancers and promoters of genes is 239,000 nucleotide bases.
Endurance muscle training alters muscle gene expression by epigenetic DNA methylation or de-methylation of CpG sites within enhancers.[109]
In a study by Lindholm et al.,[109] twenty-three individuals who were about 27 years old and sedentary volunteered to have endurance training on only one leg during 3 months. The other leg was used as an untrained control leg. The training consisted of one-legged knee extension training for 3 month (45 min, 4 sessions per week). Skeletal muscle biopsies from the vastus lateralis (a thigh muscle) were taken both before training began and 24 hours after the last training session from each of the legs. The endurance-trained leg, compared to the untrained leg, had significant DNA methylation changes at 4,919 sites across the genome. The sites of altered DNA methylation were predominantly in enhancers. Transcriptional analysis, using RNA sequencing, identified 4,076 differentially expressed genes.
The transcriptionally upregulated genes were associated with enhancers that had a significant decrease in DNA methylation, while transcriptionally downregulated genes were associated with enhancers that had increased DNA methylation. Increased methylation was mainly associated with genes involved in structural remodeling of the muscle and glucose metabolism. Enhancers with decreased methylation were associated with genes functioning in inflammatory or immunological processes and in transcriptional regulation.
As indicated above, after exercise, epigenetic alterations to enhancers alter long-term expression of hundreds of muscle genes.[102] This includes genes producing proteins secreted into the systemic circulation, many of which may act as endocrine messengers.[102] Six sedentary, about 23 years old, Caucasian males provided vastus lateralis (a thigh muscle) biopsies before entering an exercise program (six weeks of 60-minute sessions of riding a stationary cycle, five days per week). Four days after this exercise program was completed, the expression of many genes was persistently epigentically altered. The alterations altered acetylations and deacetylations of the histone tails located in the enhancers controlling the genes with altered expression.[102]
Up-regulated genes were associated with epigenetic acetylations added at histone 3 lysine 27 (H3K27ac) of nucleosomes located at their enhancers. Down-regulated genes were associated with the removal of epigenetic acetylations at H3K27 in nucleosomes located at their enhancers (see Figure "A nucleosome with histone tails set for transcriptional activation"). Biopsies of the vastus lateralis muscle showed expression of 13,108 genes at baseline before the exercise training program. Four days after the exercise program was completed, biopsies of the same muscles showed altered gene expression, with 641 genes up-regulated and 176 genes down-regulated.[102] Williams et al. identified 599 enhancer-gene interactions, covering 491 enhancers and 268 genes (multiple enhancers were found connected to some genes), where both the enhancer and the connected target gene were coordinately either upregulated or downregulated after exercise training.[102]
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