Una célula muscular , también conocida como miocito , es una célula contráctil madura en el músculo de un animal. [1] En humanos y otros vertebrados existen tres tipos: esqueléticos , lisos y cardíacos (cardiomiocitos). [2] Una célula del músculo esquelético es larga y filiforme con muchos núcleos y se llama fibra muscular . [3] Las células musculares se desarrollan a partir de células precursoras embrionarias llamadas mioblastos . [1]
Las células del músculo esquelético se forman mediante la fusión de mioblastos para producir células multinucleadas ( sincitios ) en un proceso conocido como miogénesis . [4] [5] Las células del músculo esquelético y las células del músculo cardíaco contienen miofibrillas y sarcómeros y forman un tejido muscular estriado . [6]
Las células del músculo cardíaco forman el músculo cardíaco en las paredes de las cámaras del corazón y tienen un único núcleo central . [7] Las células del músculo cardíaco están unidas a las células vecinas mediante discos intercalados , y cuando se unen en una unidad visible se describen como una fibra del músculo cardíaco . [8]
Las células del músculo liso controlan los movimientos involuntarios como las contracciones peristalticas en el esófago y el estómago . El músculo liso no tiene miofibrillas ni sarcómeros y, por tanto, no es estriado. Las células del músculo liso tienen un solo núcleo.
La inusual anatomía microscópica de una célula muscular dio lugar a su terminología. El citoplasma de una célula muscular se denomina sarcoplasma ; el retículo endoplásmico liso de una célula muscular se denomina retículo sarcoplásmico ; y la membrana celular de una célula muscular se denomina sarcolema . [9] El sarcolema recibe y conduce estímulos.
Las células del músculo esquelético son células contráctiles individuales dentro de un músculo y se conocen más comúnmente como fibras musculares debido a su apariencia filiforme más larga. [10] Un solo músculo, como el bíceps braquial en un hombre adulto joven, contiene alrededor de 253.000 fibras musculares. [11] Las fibras del músculo esquelético son las únicas células musculares que son multinucleadas y los núcleos generalmente se denominan mionúcleos . Esto ocurre durante la miogénesis con la fusión de mioblastos , cada uno de los cuales contribuye con un núcleo a la célula muscular o miotubo recién formado . [12] La fusión depende de proteínas específicas de los músculos conocidas como fusógenos llamadas myomaker y myomerger . [13]
Una fibra muscular estriada contiene miofibrillas que consisten en largas cadenas proteicas de miofilamentos . Hay tres tipos de miofilamentos: delgados, gruesos y elásticos que trabajan juntos para producir una contracción muscular . [14] Los miofilamentos delgados son filamentos principalmente de actina y los filamentos gruesos son principalmente de miosina y se deslizan uno sobre otro para acortar la longitud de la fibra en una contracción muscular. El tercer tipo de miofilamento es un filamento elástico compuesto por titina , una proteína de gran tamaño.
En las estriaciones de las bandas musculares , la miosina forma los filamentos oscuros que forman la banda A. Los finos filamentos de actina son los filamentos ligeros que forman la banda I. La unidad contráctil más pequeña de la fibra se llama sarcómero, que es una unidad que se repite dentro de dos bandas Z. El sarcoplasma también contiene glucógeno , que proporciona energía a la célula durante el ejercicio intenso, y mioglobina , el pigmento rojo que almacena oxígeno hasta que lo necesita para la actividad muscular. [14]
El retículo sarcoplásmico , un tipo especializado de retículo endoplasmático liso , forma una red alrededor de cada miofibrilla de la fibra muscular. Esta red se compone de agrupaciones de dos sacos terminales dilatados llamados cisternas terminales y un único túbulo T (túbulo transversal), que atraviesa la célula y emerge por el otro lado; Juntos, estos tres componentes forman las tríadas que existen dentro de la red del retículo sarcoplásmico, en el que cada túbulo T tiene dos cisternas terminales a cada lado. El retículo sarcoplásmico sirve como reservorio de iones de calcio, de modo que cuando un potencial de acción se extiende sobre el túbulo T, le indica al retículo sarcoplásmico que libere iones de calcio de los canales cerrados de la membrana para estimular la contracción muscular. [14] [15]
En el músculo esquelético, al final de cada fibra muscular, la capa externa del sarcolema se combina con fibras tendinosas en la unión miotendinosa . [16] [17] Dentro de la fibra muscular presionada contra el sarcolema hay núcleos múltiples aplanados ; embriológicamente, esta condición multinucleada resulta de la fusión de múltiples mioblastos para producir cada fibra muscular, donde cada mioblasto aporta un núcleo. [14]
La membrana celular de una célula del músculo cardíaco tiene varias regiones especializadas, que pueden incluir el disco intercalado y los túbulos transversales . La membrana celular está cubierta por una capa laminar de aproximadamente 50 nm de ancho. La capa laminar es separable en dos capas; la lámina densa y la lámina lúcida . Entre estas dos capas pueden haber varios tipos diferentes de iones, incluido el calcio . [18]
El músculo cardíaco, como el músculo esquelético, también es estriado y las células contienen miofibrillas, miofilamentos y sarcómeros como la célula del músculo esquelético. La membrana celular está anclada al citoesqueleto de la célula mediante fibras de anclaje de aproximadamente 10 nm de ancho. Estos generalmente se ubican en las líneas Z de modo que forman surcos y emanan túbulos transversales. En los miocitos cardíacos, esto forma una superficie festoneada. [18]
El citoesqueleto es a partir del cual se construye el resto de la célula y tiene dos propósitos principales; el primero es estabilizar la topografía de los componentes intracelulares y el segundo es ayudar a controlar el tamaño y la forma de la célula. Si bien la primera función es importante para los procesos bioquímicos, la segunda es crucial para definir la relación superficie-volumen de la célula. Esto influye en gran medida en las propiedades eléctricas potenciales de las células excitables . Además, la desviación de la forma y el tamaño estándar de la célula puede tener un impacto pronóstico negativo. [18]
Las células del músculo liso se llaman así porque no tienen miofibrillas ni sarcómeros y, por lo tanto, no tienen estrías . Se encuentran en las paredes de los órganos huecos , incluidos el estómago , los intestinos , la vejiga y el útero , en las paredes de los vasos sanguíneos y en los tractos de los sistemas respiratorio , urinario y reproductivo . En los ojos , los músculos ciliares dilatan y contraen el iris y alteran la forma del cristalino . En la piel , las células del músculo liso, como las del pelo erecto, hacen que el cabello se ponga erguido en respuesta al frío o al miedo . [19]
Las células del músculo liso tienen forma de huso con centros anchos y extremos ahusados. Tienen un solo núcleo y miden entre 30 y 200 micrómetros de longitud. Ésta es miles de veces más corta que las fibras del músculo esquelético. El diámetro de sus células también es mucho más pequeño, lo que elimina la necesidad de los túbulos T que se encuentran en las células del músculo estriado. Aunque las células del músculo liso carecen de sarcómeros y miofibrillas, contienen grandes cantidades de proteínas contráctiles actina y miosina. Los filamentos de actina están anclados al sarcolema mediante cuerpos densos (similares a los discos Z de los sarcómeros). [19]
Un mioblasto es una célula precursora embrionaria que se diferencia para dar lugar a los diferentes tipos de células musculares. [20] La diferenciación está regulada por factores reguladores miogénicos , incluidos MyoD , Myf5 , miogenina y MRF4 . [21] GATA4 y GATA6 también desempeñan un papel en la diferenciación de miocitos. [22]
Las fibras del músculo esquelético se forman cuando los mioblastos se fusionan; Por lo tanto, las fibras musculares son células con múltiples núcleos , conocidos como mionúcleos , y cada núcleo celular se origina a partir de un solo mioblasto. La fusión de mioblastos es específica del músculo esquelético, y no del músculo cardíaco ni del músculo liso .
Los mioblastos del músculo esquelético que no forman fibras musculares se desdiferencian nuevamente en células miosatélites . Estas células satélite permanecen adyacentes a una fibra de músculo esquelético, situada entre el sarcolema y la membrana basal [23] del endomisio (la inversión de tejido conectivo que divide los fascículos musculares en fibras individuales). Para reactivar la miogénesis, se debe estimular las células satélite para que se diferencien en nuevas fibras.
Ahora se pueden generar mioblastos y sus derivados, incluidas las células satélite, in vitro mediante la diferenciación dirigida de células madre pluripotentes . [24]
Kindlin-2 juega un papel en el alargamiento del desarrollo durante la miogénesis. [25]
Al contraerse , los filamentos finos y gruesos se deslizan entre sí mediante el uso de trifosfato de adenosina . Esto acerca los discos Z en un proceso llamado mecanismo de filamento deslizante. La contracción de todos los sarcómeros da como resultado la contracción de toda la fibra muscular. Esta contracción del miocito es provocada por el potencial de acción sobre la membrana celular del miocito. El potencial de acción utiliza túbulos transversales para llegar desde la superficie al interior del miocito, que es continuo dentro de la membrana celular. Los retículos sarcoplásmicos son bolsas membranosas que los túbulos transversales se tocan pero permanecen separados. Estos se envuelven alrededor de cada sarcómero y se llenan de Ca 2+ . [26]
La excitación de un miocito provoca la despolarización en sus sinapsis, las uniones neuromusculares , lo que desencadena un potencial de acción. Con una unión neuromuscular singular, cada fibra muscular recibe información de una sola neurona eferente somática. El potencial de acción en una neurona eferente somática provoca la liberación del neurotransmisor acetilcolina . [27]
Cuando se libera acetilcolina, se difunde a través de la sinapsis y se une a un receptor en el sarcolema , un término exclusivo de las células musculares que se refiere a la membrana celular. Esto inicia un impulso que viaja a través del sarcolema. [28]
Cuando el potencial de acción alcanza el retículo sarcoplásmico, desencadena la liberación de Ca 2+ desde los canales de Ca 2+ . El Ca 2+ fluye desde el retículo sarcoplásmico hacia el sarcómero con ambos filamentos. Esto hace que los filamentos comiencen a deslizarse y los sarcómeros se acorten. Esto requiere una gran cantidad de ATP, ya que se utiliza tanto en la unión como en la liberación de cada cabeza de miosina . Muy rápidamente, el Ca 2+ se transporta activamente de regreso al retículo sarcoplásmico, lo que bloquea la interacción entre el filamento delgado y el grueso. Esto a su vez hace que la célula muscular se relaje. [28]
Hay cuatro tipos principales de contracción muscular: contracción nerviosa, trepé, tétánica e isométrica/isotónica. La contracción nerviosa es el proceso en el que un único estímulo señala una única contracción. En la contracción nerviosa, la duración de la contracción puede variar según el tamaño de la célula muscular. Durante la contracción trepada (o sumatoria), los músculos no comienzan con la máxima eficiencia; en cambio, logran una mayor fuerza de contracción debido a estímulos repetidos. El tétanos implica una contracción sostenida de los músculos debido a una serie de estímulos rápidos, que pueden continuar hasta que los músculos se fatigan. Las contracciones isométricas son contracciones del músculo esquelético que no provocan movimiento del músculo. Sin embargo, las contracciones isotónicas son contracciones del músculo esquelético que sí provocan movimiento. [28]
Los cardiomiocitos especializados en el nódulo sinoauricular generan impulsos eléctricos que controlan la frecuencia cardíaca . Estos impulsos eléctricos coordinan la contracción en todo el músculo cardíaco restante a través del sistema de conducción eléctrica del corazón . La actividad del nódulo sinoauricular está modulada, a su vez, por fibras nerviosas del sistema nervioso simpático y parasimpático . Estos sistemas actúan para aumentar y disminuir, respectivamente, la tasa de producción de impulsos eléctricos por parte del nódulo sinoauricular.
El origen evolutivo de las células musculares en los animales es muy debatido: una opinión es que las células musculares evolucionaron una vez y, por lo tanto, todas las células musculares tienen un único ancestro común. Otro punto de vista es que las células musculares evolucionaron más de una vez, y cualquier similitud morfológica o estructural se debe a una evolución convergente y al desarrollo de genes compartidos que son anteriores a la evolución del músculo, incluso el mesodermo (el mesodermo es la capa germinal que da lugar a células musculares en vertebrados).
Schmid y Seipel (2005) [29] sostienen que el origen de las células musculares es un rasgo monofilético que ocurrió simultáneamente con el desarrollo de los sistemas digestivo y nervioso de todos los animales, y que este origen se puede rastrear hasta un único ancestro metazoario en el que Las células musculares están presentes. Argumentan que las similitudes moleculares y morfológicas entre las células musculares de Cnidaria y Ctenophora son lo suficientemente similares a las de los bilaterales como para que hubiera un ancestro en los metazoos del que derivan las células musculares. En este caso, Schmid y Seipel sostienen que el último ancestro común de Bilateria, Ctenophora y Cnidaria, era un triploblasto (un organismo que tiene tres capas germinales), y que la diploblastia , es decir, un organismo con dos capas germinales, evolucionó de forma secundaria, debido a su observación de la falta de mesodermo o músculo que se encuentra en la mayoría de los cnidarios y ctenóforos. Al comparar la morfología de los cnidarios y ctenóforos con la de los bilaterales, Schmid y Seipel pudieron concluir que había estructuras similares a mioblastos en los tentáculos y el intestino de algunas especies de cnidarios y en los tentáculos de los ctenóforos. Dado que se trata de una estructura exclusiva de las células musculares, estos científicos determinaron, basándose en los datos recopilados por sus pares, que se trata de un marcador de músculos estriados similar al observado en los bilaterales. Los autores también señalan que las células musculares que se encuentran en los cnidarios y ctenóforos a menudo son cuestionadas debido a que el origen de estas células musculares es el ectodermo en lugar del mesodermo o mesendodermo.
Otros autores sostienen que el origen de las verdaderas células musculares es la porción endodermo del mesodermo y el endodermo. Sin embargo, Schmid y Seipel (2005) [29] contrarrestan el escepticismo (sobre si las células musculares encontradas en los ctenóforos y los cnidarios son células musculares "verdaderas") al considerar que los cnidarios se desarrollan a través de una etapa de medusa y una etapa de pólipo. Señalan que en la etapa medusa de los hidrozoos, hay una capa de células que se separan del lado distal del ectodermo, que forma las células del músculo estriado de forma similar a la del mesodermo; A esta tercera capa separada de células la llaman ectocodón . Schmid y Seipel sostienen que incluso en los bilaterales, no todas las células musculares se derivan del mesendodermo: sus ejemplos clave son que tanto en los músculos oculares de los vertebrados como en los músculos de los espiralianos, estas células derivan del mesodermo ectodérmico, en lugar del endodérmico. mesodermo. Además, argumentan que, dado que la miogénesis ocurre en los cnidarios con la ayuda de los mismos elementos reguladores moleculares que se encuentran en la especificación de las células musculares en los bilaterales, existe evidencia de un origen único para el músculo estriado. [29]
En contraste con este argumento a favor de un origen único de las células musculares, Steinmetz, Kraus, et al . (2012) [30] sostienen que los marcadores moleculares como la proteína miosina II utilizada para determinar este origen único del músculo estriado son anteriores a la formación de células musculares. Ponen como ejemplo los elementos contráctiles presentes en las poríferas, o esponjas, que realmente carecen de este músculo estriado que contiene esta proteína. Además, Steinmetz, Kraus, et al . presentan evidencia de un origen polifilético del desarrollo de las células del músculo estriado a través de su análisis de marcadores morfológicos y moleculares que están presentes en los bilaterianos y ausentes en los cnidarios, ctenóforos y bilaterianos. Steinmetz, Kraus y col . demostró que los marcadores morfológicos y reguladores tradicionales como la actina , la capacidad de acoplar la fosforilación de las cadenas laterales de miosina a concentraciones más altas de las concentraciones positivas de calcio y otros elementos MyHC están presentes en todos los metazoos, no solo en los organismos que han demostrado tener músculo. células. Por lo tanto, el uso de cualquiera de estos elementos estructurales o reguladores para determinar si las células musculares de los cnidarios y ctenóforos son lo suficientemente similares a las células musculares de los bilaterianos para confirmar un solo linaje es cuestionable según Steinmetz, Kraus, et al . . Además, explican que los ortólogos de los genes Myc que se han utilizado para plantear la hipótesis del origen del músculo estriado se produjeron a través de un evento de duplicación genética que es anterior a las primeras células musculares verdaderas (es decir, músculo estriado), y muestran que los genes Myc están presentes. en las esponjas que tienen elementos contráctiles pero no células musculares verdaderas. Steinmetz, Kraus y col . También demostró que la localización de este conjunto duplicado de genes que cumplen la función de facilitar la formación de genes del músculo estriado y genes de regulación y movimiento celular, ya estaban separados en MHC mucho estriado y no muscular. Esta separación del conjunto duplicado de genes se muestra a través de la localización de la parte estriada en la vacuola contráctil en las esponjas, mientras que la parte no muscular se expresó de manera más difusa durante el desarrollo de la forma y el cambio de las células. Steinmetz, Kraus y col . encontró un patrón similar de localización en cnidarios excepto con el cnidario N. vectensisteniendo este marcador de músculo estriado presente en el músculo liso del tracto digestivo. Por lo tanto, argumentan que el rasgo pleisiomórfico de los ortólogos separados de muchos no se puede utilizar para determinar la monofilogenia del músculo y, además, sostienen que la presencia de un marcador de músculo estriado en el músculo liso de este cnidario muestra un mecanismo fundamental diferente de la célula muscular. Desarrollo y estructura en cnidarios. [30]
Steinmetz, Kraus y col . (2012) [30] defienden además los múltiples orígenes del músculo estriado en los metazoos al explicar que en los cnidarios y ctenóforos falta un conjunto clave de genes utilizados para formar el complejo de troponina para la regulación y formación muscular en los bilaterales, y 47 estructuras y proteínas reguladoras observadas, Steinmetz, Kraus, et al . no pudieron encontrar ni siquiera en la proteína única de las células del músculo estriado que se expresara tanto en cnidarios como en bilaterales. Además, el disco Z parecía haber evolucionado de manera diferente incluso dentro de los bilaterales y hay una gran diversidad de proteínas desarrolladas incluso entre este clado, lo que muestra un alto grado de radiación para las células musculares. A través de esta divergencia del disco Z , Steinmetz, Kraus, et al . argumentan que solo hay cuatro componentes proteicos comunes que estaban presentes en todos los ancestros musculares de los bilaterales y que de estos, para los componentes necesarios del disco Z, solo una proteína actina que ya han argumentado que es un marcador no informativo a través de su estado pleisiomórfico está presente en los cnidarios. Mediante pruebas adicionales de marcadores moleculares, Steinmetz et al. observe que los no bilaterales carecen de muchos componentes reguladores y estructurales necesarios para la formación de músculos bilaterales y no encuentran ningún conjunto único de proteínas tanto para los bilaterales como para los cnidarios y ctenóforos que no estén presentes en animales anteriores y más primitivos, como las esponjas y los amebozoos . A través de este análisis, los autores concluyen que debido a la falta de elementos de los que dependen los músculos bilaterales para su estructura y uso, los músculos no bilaterales deben tener un origen diferente con un conjunto diferente de proteínas reguladoras y estructurales. [30]
En otra interpretación del argumento, Andrikou y Arnone (2015) [31] utilizan los datos recientemente disponibles sobre las redes reguladoras de genes para observar cómo la jerarquía de genes y morfógenos y otro mecanismo de especificación de tejidos divergen y son similares entre los primeros deuterostomos y protostomos. . Al comprender no sólo qué genes están presentes en todos los bilaterales sino también el momento y el lugar de despliegue de estos genes, Andrikou y Arnone analizan una comprensión más profunda de la evolución de la miogénesis. [31]
En su artículo, Andrikou y Arnone (2015) [31] sostienen que para comprender verdaderamente la evolución de las células musculares, la función de los reguladores transcripcionales debe entenderse en el contexto de otras interacciones externas e internas. A través de su análisis, Andrikou y Arnone descubrieron que había ortólogos conservados de la red reguladora de genes tanto en invertebrados bilaterales como en cnidarios. Sostienen que tener este circuito regulatorio general común permitió un alto grado de divergencia con respecto a una red única que funcionaba bien. Andrikou y Arnone descubrieron que los ortólogos de los genes encontrados en los vertebrados habían cambiado a través de diferentes tipos de mutaciones estructurales en los deuterostomos y protostomos de los invertebrados, y sostienen que estos cambios estructurales en los genes permitieron una gran divergencia en la función y la formación de los músculos en estas especies. Andrikou y Arnone pudieron reconocer no sólo cualquier diferencia debida a mutaciones en los genes encontrados en vertebrados e invertebrados, sino también la integración de genes específicos de especies que también podrían causar divergencias con respecto a la función de la red reguladora de genes original. Por lo tanto, aunque se ha determinado un sistema de patrones musculares común, argumentan que esto podría deberse a que una red reguladora de genes más ancestral fue cooptada varias veces a través de linajes con genes y mutaciones adicionales que causan un desarrollo muy divergente de los músculos. Por tanto, parece que el marco del patrón miogénico puede ser un rasgo ancestral. Sin embargo, Andrikou & Arnone explican que la estructura básica del patrón muscular también debe considerarse en combinación con los elementos reguladores cis presentes en diferentes momentos durante el desarrollo. En contraste con el alto nivel de estructura de los aparatos de la familia de genes, Andrikou y Arnone encontraron que los elementos reguladores cis no estaban bien conservados tanto en el tiempo como en el lugar en la red, lo que podría mostrar un gran grado de divergencia en la formación de células musculares. A través de este análisis, parece que el GRN miogénico es un GRN ancestral con cambios reales en la función y estructura miogénica posiblemente relacionados con cooptas de genes posteriores en diferentes momentos y lugares. [31]
Evolutivamente, las formas especializadas de los músculos esqueléticos y cardíacos son anteriores a la divergencia de la línea evolutiva vertebrados / artrópodos . [32] Esto indica que estos tipos de músculos se desarrollaron en un ancestro común en algún momento antes de hace 700 millones de años (mya) . Se descubrió que el músculo liso de los vertebrados evolucionó independientemente de los tipos de músculo esquelético y cardíaco.
Las propiedades utilizadas para distinguir las fibras musculares rápidas, intermedias y lentas pueden ser diferentes para los músculos de vuelo y de salto de los invertebrados. [33] Para complicar aún más este esquema de clasificación, el contenido mitocondrial y otras propiedades morfológicas dentro de una fibra muscular pueden cambiar en una mosca tsetsé con el ejercicio y la edad. [34]
Medios relacionados con los miocitos en Wikimedia Commons