La contracción muscular es la activación de sitios generadores de tensión dentro de las células musculares . [1] [2] En fisiología , la contracción muscular no significa necesariamente un acortamiento muscular porque la tensión muscular se puede producir sin cambios en la longitud del músculo, como cuando se sostiene algo pesado en la misma posición. [1] La terminación de la contracción muscular es seguida por la relajación muscular , que es un retorno de las fibras musculares a su estado de baja generación de tensión. [1]
Para que se produzcan las contracciones, las células musculares deben depender del cambio de acción de dos tipos de filamentos: filamentos finos y gruesos.
El componente principal de los filamentos delgados es una cadena formada por el enrollamiento helicoidal de dos hebras de actina , y los filamentos gruesos consisten predominantemente en cadenas de la proteína motora miosina . Juntos, estos dos filamentos forman miofibrillas, los orgánulos funcionales básicos del sistema del músculo esquelético.
En los vertebrados , las contracciones del músculo esquelético son neurogénicas ya que requieren información sináptica de las neuronas motoras . Una sola neurona motora es capaz de inervar múltiples fibras musculares, lo que hace que las fibras se contraigan al mismo tiempo. Una vez inervados, los filamentos de proteína dentro de cada fibra del músculo esquelético se deslizan entre sí para producir una contracción, lo que se explica mediante la teoría del filamento deslizante . La contracción producida puede describirse como tic, sumatoria o tétanos, dependiendo de la frecuencia de los potenciales de acción . En los músculos esqueléticos, la tensión muscular es máxima cuando el músculo se estira hasta una longitud intermedia, como se describe por la relación longitud-tensión.
A diferencia del músculo esquelético, las contracciones de los músculos liso y cardíaco son miógenas (lo que significa que son iniciadas por las propias células del músculo liso o cardíaco en lugar de ser estimuladas por un evento externo como la estimulación nerviosa), aunque pueden ser moduladas por estímulos del sistema nervioso autónomo . Los mecanismos de contracción en estos tejidos musculares son similares a los de los tejidos del músculo esquelético.
La contracción muscular también se puede describir en términos de dos variables: longitud y tensión. [1] En los movimientos naturales que subyacen a la actividad locomotora , las contracciones musculares son multifacéticas, ya que pueden producir cambios de longitud y tensión de manera variable en el tiempo. [3] Por lo tanto, es probable que ni la longitud ni la tensión permanezcan iguales en los músculos esqueléticos que se contraen durante la locomoción. Las contracciones pueden describirse como isométricas si la tensión muscular cambia pero la longitud del músculo sigue siendo la misma. [1] [4] [5] [6] Por el contrario, una contracción muscular se describe como isotónica si la tensión muscular permanece igual durante toda la contracción. [1] [4] [5] [6] Si la longitud del músculo se acorta, la contracción es concéntrica; [1] [7] si la longitud del músculo se alarga, la contracción es excéntrica.
Las contracciones musculares se pueden describir en función de dos variables: fuerza y longitud. La fuerza en sí se puede diferenciar como tensión o carga. La tensión muscular es la fuerza que ejerce el músculo sobre un objeto, mientras que una carga es la fuerza que ejerce un objeto sobre el músculo. [1] Cuando la tensión muscular cambia sin ningún cambio correspondiente en la longitud del músculo, la contracción muscular se describe como isométrica. [1] [4] [5] [6] Si la longitud del músculo cambia mientras la tensión muscular permanece igual, entonces la contracción muscular es isotónica. [1] [4] [5] [6] En una contracción isotónica, la longitud del músculo puede acortarse para producir una contracción concéntrica o alargarse para producir una contracción excéntrica. [1] [7] En los movimientos naturales que subyacen a la actividad locomotora, las contracciones musculares son multifacéticas, ya que pueden producir cambios de longitud y tensión de manera variable en el tiempo. [3] Por lo tanto, es probable que ni la longitud ni la tensión permanezcan constantes cuando el músculo está activo durante la actividad locomotora.
Una contracción isométrica de un músculo genera tensión sin cambiar su longitud. [1] [4] [5] [6] Un ejemplo se puede encontrar cuando los músculos de la mano y el antebrazo agarran un objeto; las articulaciones de la mano no se mueven, pero los músculos generan fuerza suficiente para evitar que el objeto caiga.
En la contracción isotónica , la tensión en el músculo permanece constante a pesar de un cambio en la longitud del músculo. [1] [4] [5] [6] Esto ocurre cuando la fuerza de contracción de un músculo coincide con la carga total sobre el músculo.
En la contracción concéntrica, la tensión muscular es suficiente para superar la carga y el músculo se acorta a medida que se contrae. [8] Esto ocurre cuando la fuerza generada por el músculo excede la carga que se opone a su contracción.
Durante una contracción concéntrica, se estimula un músculo para que se contraiga según la teoría del filamento deslizante . Esto ocurre a lo largo de todo el músculo, generando una fuerza en el origen e inserción, provocando que el músculo se acorte y cambiando el ángulo de la articulación. En relación con el codo , una contracción concéntrica del bíceps haría que el brazo se doblara a la altura del codo a medida que la mano se movía desde la pierna hasta el hombro (una flexión de bíceps ). Una contracción concéntrica del tríceps cambiaría el ángulo de la articulación en sentido contrario, estirando el brazo y moviendo la mano hacia la pierna.
En la contracción excéntrica, la tensión generada mientras es isométrica es insuficiente para superar la carga externa sobre el músculo y las fibras musculares se alargan a medida que se contraen. [9] En lugar de trabajar para tirar de una articulación en la dirección de la contracción muscular, el músculo actúa para desacelerar la articulación al final de un movimiento o controlar de otra manera el reposicionamiento de una carga. Esto puede ocurrir de forma involuntaria (p. ej., cuando se intenta mover un peso demasiado pesado para que el músculo lo levante) o voluntariamente (p. ej., cuando el músculo está "suavizando" un movimiento o resistiendo la gravedad, como al caminar cuesta abajo). A corto plazo, el entrenamiento de fuerza que involucra contracciones excéntricas y concéntricas parece aumentar la fuerza muscular más que el entrenamiento con contracciones concéntricas únicamente. [10] Sin embargo, el daño muscular inducido por el ejercicio también es mayor durante las contracciones de alargamiento. [11]
Durante una contracción excéntrica del músculo bíceps , el codo inicia el movimiento mientras está doblado y luego se endereza a medida que la mano se aleja del hombro . Durante una contracción excéntrica del músculo tríceps , el codo comienza el movimiento recto y luego se dobla a medida que la mano se mueve hacia el hombro. La desmina , la titina y otras proteínas de la línea z están involucradas en las contracciones excéntricas, pero su mecanismo no se comprende bien en comparación con el ciclo de puentes cruzados en las contracciones concéntricas. [9]
Aunque el músculo está realizando una cantidad negativa de trabajo mecánico (se realiza trabajo sobre el músculo), se consume energía química (de grasa o glucosa , o almacenada temporalmente en ATP ), aunque menos de la que se consumiría durante una contracción concéntrica. de la misma fuerza. Por ejemplo, uno gasta más energía subiendo un tramo de escaleras que bajando el mismo tramo.
Los músculos sometidos a cargas excéntricas intensas sufren un mayor daño cuando se sobrecargan (como durante el desarrollo muscular o el ejercicio de entrenamiento de fuerza ) en comparación con la carga concéntrica. Cuando se utilizan contracciones excéntricas en el entrenamiento con pesas, normalmente se denominan negativas . Durante una contracción concéntrica, los miofilamentos de miosina y actina del músculo contráctil se deslizan entre sí, juntando las líneas Z. Durante una contracción excéntrica, los miofilamentos se deslizan entre sí en sentido opuesto, aunque se desconoce el movimiento real de las cabezas de miosina durante una contracción excéntrica. El ejercicio con una carga excéntrica pesada en realidad puede soportar un mayor peso (los músculos son aproximadamente un 40% más fuertes durante las contracciones excéntricas que durante las concéntricas) y también produce un mayor daño muscular y dolor muscular de aparición tardía uno o dos días después del entrenamiento. El ejercicio que incorpora contracciones musculares excéntricas y concéntricas (es decir, que implica una contracción fuerte y una reducción controlada del peso) puede producir mayores ganancias de fuerza que las contracciones concéntricas solas. [10] [12] Si bien las contracciones excéntricas intensas y desacostumbradas pueden conducir fácilmente a un sobreentrenamiento , el entrenamiento moderado puede conferir protección contra lesiones. [10]
Las contracciones excéntricas normalmente ocurren como una fuerza de frenado en oposición a una contracción concéntrica para proteger las articulaciones del daño. Durante prácticamente cualquier movimiento de rutina, las contracciones excéntricas ayudan a mantener los movimientos suaves, pero también pueden ralentizar movimientos rápidos como un puñetazo o un lanzamiento. Parte del entrenamiento para movimientos rápidos como el lanzamiento durante el béisbol implica reducir el frenado excéntrico permitiendo desarrollar una mayor potencia durante todo el movimiento.
Se están investigando las contracciones excéntricas por su capacidad para acelerar la rehabilitación de tendones débiles o lesionados. Se ha demostrado que la tendinitis de Aquiles [13] [14] y la tendinitis rotuliana [15] (también conocida como rodilla de saltador o tendinosis rotuliana) se benefician de las contracciones excéntricas de alta carga.
En los animales vertebrados , existen tres tipos de tejidos musculares : esquelético, liso y cardíaco. El músculo esquelético constituye la mayor parte de la masa muscular del cuerpo y es responsable de la actividad locomotora. El músculo liso forma los vasos sanguíneos , el tracto gastrointestinal y otras áreas del cuerpo que producen contracciones sostenidas. El músculo cardíaco forma el corazón, que bombea sangre. Los músculos esqueléticos y cardíacos se denominan músculos estriados debido a su apariencia rayada bajo el microscopio, que se debe al patrón alterno altamente organizado de las bandas A y I.
Excluyendo los reflejos, todas las contracciones del músculo esquelético se producen como resultado de señales que se originan en el cerebro. El cerebro envía señales electroquímicas a través del sistema nervioso a la neurona motora que inerva varias fibras musculares. [16] En el caso de algunos reflejos , la señal de contracción puede originarse en la médula espinal a través de un circuito de retroalimentación con la materia gris. Otras acciones como la locomoción, la respiración y la masticación tienen un aspecto reflejo: las contracciones pueden iniciarse consciente o inconscientemente.
Una unión neuromuscular es una sinapsis química formada por el contacto entre una neurona motora y una fibra muscular . [17] Es el sitio en el que una neurona motora transmite una señal a una fibra muscular para iniciar la contracción muscular. La secuencia de eventos que resulta en la despolarización de la fibra muscular en la unión neuromuscular comienza cuando se inicia un potencial de acción en el cuerpo celular de una neurona motora, que luego se propaga por conducción saltatoria a lo largo de su axón hacia la unión neuromuscular. Una vez que llega al botón terminal , el potencial de acción provoca una Ca2+
Entrada de iones al terminal a través de canales de calcio dependientes de voltaje . el ca2+
El influjo hace que las vesículas sinápticas que contienen el neurotransmisor acetilcolina se fusionen con la membrana plasmática, liberando acetilcolina en la hendidura sináptica entre la terminal de la neurona motora y la unión neuromuscular de la fibra del músculo esquelético. La acetilcolina se difunde a través de la sinapsis y se une a los receptores nicotínicos de acetilcolina en la unión neuromuscular y los activa. La activación del receptor nicotínico abre su canal intrínseco de sodio / potasio , lo que hace que el sodio entre rápidamente y el potasio salga. Como resultado, el sarcolema invierte la polaridad y su voltaje salta rápidamente desde el potencial de membrana en reposo de -90 mV hasta +75 mV cuando entra sodio. Luego, el potencial de membrana se hiperpolariza cuando sale el potasio y luego se ajusta nuevamente al potencial de membrana en reposo. Esta rápida fluctuación se denomina potencial de placa terminal. [18] Los canales iónicos dependientes de voltaje del sarcolema junto a la placa terminal se abren en respuesta al potencial de la placa terminal. Son específicos de sodio y potasio y solo permiten el paso de uno. Esta onda de movimientos iónicos crea el potencial de acción que se propaga desde la placa terminal del motor en todas direcciones. [18] Si los potenciales de acción dejan de llegar, entonces la acetilcolina deja de liberarse del botón terminal. La acetilcolina restante en la hendidura sináptica es degradada por la acetilcolina esterasa activa o reabsorbida por el botón sináptico y no queda nada para reemplazar la acetilcolina degradada.
El acoplamiento excitación-contracción (ECC) es el proceso mediante el cual un potencial de acción muscular en la fibra muscular hace que las miofibrillas se contraigan. En los músculos esqueléticos, el acoplamiento excitación-contracción se basa en un acoplamiento directo entre dos proteínas clave, el canal de liberación de calcio del retículo sarcoplásmico (SR) identificado como el receptor de rianodina 1 (RYR1) y el canal de calcio tipo L dependiente de voltaje identificado 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 SR. La estrecha aposición de un túbulo transversal y dos regiones SR que contienen RyR se describe como una tríada y es predominantemente donde tiene lugar el acoplamiento excitación-contracción.
El acoplamiento excitación-contracción (ECC) ocurre cuando la despolarización de los músculos esqueléticos (generalmente a través de inervación neural) da como resultado un potencial de acción muscular. Este potencial de acción se extiende a través de la superficie del músculo y hacia la red de túbulos T de la fibra muscular , despolarizando la porción interna de la fibra muscular. Esto activa los receptores de dihidropiridina en las cisternas terminales , que están muy 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 en los pies (lo que implica cambios conformacionales que activan alostéricamente los receptores de rianodina). A medida que se abren los receptores de rianodina, el Ca 2+ se libera desde el retículo sarcoplásmico hacia el espacio de unión local y se difunde hacia el citoplasma en masa para provocar una chispa de calcio . [19] El potencial de acción crea una activación casi sincrónica de miles de chispas de calcio y provoca un aumento de calcio en toda la célula dando lugar al ascenso del transitorio de calcio. El Ca 2+ liberado en el citosol se une a la troponina C mediante los filamentos de actina . Este enlace permite que los filamentos de actina realicen ciclos de puentes cruzados , produciendo fuerza y, en algunas situaciones, movimiento.
Cuando se logra el movimiento deseado, la relajación se puede lograr rápidamente a través de numerosas vías. La relajación se logra rápidamente a través de un tampón de Ca 2+ con varias proteínas citoplasmáticas que se unen al Ca 2+ con muy alta afinidad. [20] Estas proteínas citoplasmáticas permiten una relajación rápida en los músculos de contracción rápida. Aunque más lenta, la calcio-ATPasa del retículo sarco/endoplásmico (SERCA) bombea activamente Ca 2+ de regreso al retículo sarcoplásmico, lo que resulta en una relajación permanente hasta que llega el siguiente potencial de acción. [19]
Las mitocondrias también participan en la recaptación de Ca 2+ y, en última instancia, entregan el Ca 2+ recolectado a SERCA para su almacenamiento en el retículo sarcoplásmico. Algunos de los mecanismos de relajación (NCX, bombas de Ca2+ y canales de fuga de Ca2+) también sacan completamente el Ca2+ de las células. [21] A medida que la concentración de Ca 2+ disminuye a niveles de reposo, Ca2+ se libera de la troponina C, lo que impide el ciclo de puentes cruzados, lo que provoca que la fuerza disminuya y se produzca relajación. Una vez que se ha producido la relajación total, el músculo puede contraerse nuevamente, restableciendo así completamente el ciclo.
La teoría del filamento deslizante describe un proceso utilizado por los músculos para contraerse. Es un ciclo de eventos repetitivos que hacen que un filamento delgado se deslice sobre un filamento grueso y genere tensión en el músculo. [22] Fue desarrollado de forma independiente por Andrew Huxley y Rolf Niedergerke y por Hugh Huxley y Jean Hanson en 1954. [23] [24] Fisiológicamente, esta contracción no es uniforme en todo el sarcómero; la posición central de los filamentos gruesos se vuelve inestable y puede desplazarse durante la contracción, pero esto se contrarresta con las acciones del miofilamento elástico de titina . Este fino miofilamento mantiene una tensión uniforme a través del sarcómero tirando del filamento grueso hacia una posición central. [25]
El ciclo de puentes cruzados es una secuencia de eventos moleculares que subyace a la teoría del filamento deslizante. Un puente cruzado es una proyección de miosina, que consta de dos cabezas de miosina, que se extiende desde los filamentos gruesos. [1] Cada cabeza de miosina tiene dos sitios de unión: uno para el trifosfato de adenosina (ATP) y otro para la actina. La unión del ATP a una cabeza de miosina separa la miosina de la actina , permitiendo así que la miosina se una a otra molécula de actina. Una vez adherido, el ATP es hidrolizado por la miosina, que utiliza la energía liberada para pasar a la "posición amartillada", mediante la cual se une débilmente a una parte del sitio de unión de actina. El resto del sitio de unión de actina está bloqueado por la tropomiosina . [26] Con el ATP hidrolizado, la cabeza de miosina ladeada ahora contiene difosfato de adenosina ( ADP) + Pi . dos ca2+
Los iones se unen a la troponina C en los filamentos de actina. La troponina- Ca2+
El complejo hace que la tropomiosina se deslice y desbloquee el resto del sitio de unión de actina. Desbloquear el resto de los sitios de unión de actina permite que las dos cabezas de miosina se cierren y la miosina se una fuertemente a la actina. [26] La cabeza de miosina luego libera el fosfato inorgánico e inicia un golpe de potencia, que genera una fuerza de 2 pN. El golpe de fuerza mueve el filamento de actina hacia adentro, acortando así el sarcómero . Luego, la miosina libera ADP pero aún permanece estrechamente unida a la actina. Al final del golpe de potencia, se libera ADP de la cabeza de miosina, dejando la miosina unida a la actina en un estado de rigor hasta que otro ATP se une a la miosina. La falta de ATP daría como resultado el estado de rigor característico del rigor mortis . Una vez que otro ATP se une a la miosina, la cabeza de miosina se desprenderá nuevamente de la actina y se producirá otro ciclo de puentes cruzados.
El ciclo de puentes cruzados puede continuar siempre que haya cantidades suficientes de ATP y Ca2+
en el citoplasma. [26] La terminación del ciclo de puentes cruzados puede ocurrir cuando Ca2+
es bombeado activamente de regreso al retículo sarcoplásmico. cuando ca2+
ya no está presente en el filamento delgado, la tropomiosina cambia su conformación a su estado anterior para bloquear nuevamente los sitios de unión. La miosina deja de unirse al filamento delgado y el músculo se relaja. el ca2+
Los iones abandonan la molécula de troponina para mantener el Ca.2+
Concentración de iones en el sarcoplasma. El bombeo activo de Ca2+
iones en el retículo sarcoplásmico crea una deficiencia en el líquido alrededor de las miofibrillas. Esto provoca la eliminación de Ca.2+
iones de la troponina. Por tanto, el complejo tropomiosina-troponina vuelve a cubrir los sitios de unión de los filamentos de actina y cesa la contracción.
La fuerza de las contracciones del músculo esquelético se puede dividir en términos generales en contracción , sumación y tétanos . Una contracción es un ciclo único de contracción y relajación producido por un potencial de acción dentro de la propia fibra muscular. [27] El tiempo entre un estímulo al nervio motor y la contracción posterior del músculo inervado se llama período latente , que generalmente toma alrededor de 10 ms y es causado por el tiempo que tarda el potencial de acción del nervio en propagarse, el tiempo para que se produzca la reacción química. transmisión en la unión neuromuscular, luego los pasos posteriores en el acoplamiento excitación-contracción. [28]
Si se produjera otro potencial de acción muscular antes de la relajación completa de una contracción muscular, entonces la siguiente contracción simplemente se sumará a la contracción anterior, produciendo así una suma . [29] La suma se puede lograr de dos maneras: [30] suma de frecuencia y suma de múltiples fibras . En la suma de frecuencias , la fuerza ejercida por el músculo esquelético se controla variando la frecuencia con la que se envían los potenciales de acción a las fibras musculares. Los potenciales de acción no llegan a los músculos de forma sincrónica y, durante una contracción, una fracción de las fibras del músculo se activará en un momento dado. En una circunstancia típica, cuando los humanos ejercitan sus músculos tan fuerte como pueden conscientemente, aproximadamente un tercio de las fibras de cada uno de esos músculos se activarán a la vez [ cita requerida ] , aunque esta proporción puede verse afectada por diversos factores fisiológicos y factores psicológicos (incluidos los órganos tendinosos de Golgi y las células de Renshaw ). Este nivel "bajo" de contracción es un mecanismo de protección para prevenir la avulsión del tendón: la fuerza generada por una contracción del 95% de todas las fibras es suficiente para dañar el cuerpo. En la suma de múltiples fibras , si el sistema nervioso central envía una señal débil para contraer un músculo, las unidades motoras más pequeñas , al ser más excitables que las más grandes, se estimulan primero. A medida que aumenta la intensidad de la señal , se excitan más unidades motoras además de las más grandes, y las unidades motoras más grandes tienen hasta 50 veces la fuerza contráctil que las más pequeñas. A medida que se activan más unidades motoras y de mayor tamaño, la fuerza de contracción muscular se vuelve progresivamente más fuerte. Un concepto conocido como principio de tamaño permite que se produzca una gradación de la fuerza muscular durante la contracción débil en pequeños pasos, que luego se vuelven progresivamente más grandes cuando se requieren mayores cantidades de fuerza.
Finalmente, si la frecuencia de los potenciales de acción muscular aumenta de tal manera que la contracción muscular alcanza su fuerza máxima y se estabiliza en este nivel, entonces la contracción es un tétanos .
La relación longitud-tensión relaciona la fuerza de una contracción isométrica con la longitud del músculo en el que se produce la contracción. Los músculos operan con mayor tensión activa cuando están cerca de una longitud ideal (a menudo su longitud en reposo). Cuando se estira o acorta más allá de esto (ya sea debido a la acción del propio músculo o por una fuerza externa), la tensión activa máxima generada disminuye. [31] Esta disminución es mínima para pequeñas desviaciones, pero la tensión cae rápidamente a medida que la longitud se desvía más del ideal. Debido a la presencia de proteínas elásticas dentro de una célula muscular (como la titina ) y la matriz extracelular, cuando el músculo se estira más allá de una longitud determinada, se produce una tensión completamente pasiva, que se opone al alargamiento. Combinados, existe una fuerte resistencia a alargar un músculo activo mucho más allá del pico de tensión activa.
La relación fuerza-velocidad relaciona la velocidad a la que un músculo cambia su longitud (generalmente regulada por fuerzas externas, como la carga u otros músculos) con la cantidad de fuerza que genera. La fuerza disminuye de forma hiperbólica en relación con la fuerza isométrica a medida que aumenta la velocidad de acortamiento, llegando finalmente a cero en una velocidad máxima. Lo contrario ocurre cuando se estira el músculo: la fuerza aumenta por encima del máximo isométrico, hasta alcanzar finalmente un máximo absoluto. Esta propiedad intrínseca del tejido muscular activo desempeña un papel en la amortiguación activa de las articulaciones que son accionadas por músculos opuestos simultáneamente activos. En tales casos, el perfil fuerza-velocidad aumenta la fuerza producida por el músculo que se alarga a expensas del músculo que se acorta. Esta preferencia por cualquier músculo que devuelva el equilibrio a la articulación aumenta efectivamente la amortiguación de la articulación. Además, la fuerza de la amortiguación aumenta con la fuerza muscular. De este modo, el sistema motor puede controlar activamente la amortiguación de las articulaciones mediante la contracción simultánea (co-contracción) de grupos de músculos opuestos. [32]
Los músculos lisos se pueden dividir en dos subgrupos: unitarios y multiunitarios . Las células de músculo liso unitarias se pueden encontrar en el intestino y los vasos sanguíneos. Debido a que estas células están unidas entre sí por uniones comunicantes, pueden contraerse como un sincitio funcional . Las células del músculo liso unitarias se contraen de forma miógena, lo que puede ser modulado por el sistema nervioso autónomo.
A diferencia de las células del músculo liso unitarias, las células del músculo liso multiunitarias se encuentran en el músculo del ojo y en la base de los folículos pilosos. Las células multiunitarias del músculo liso se contraen al ser estimuladas por separado por los nervios del sistema nervioso autónomo. Como tales, permiten un control fino y respuestas graduales, muy parecidas al reclutamiento de unidades motoras en el músculo esquelético.
La actividad contráctil de las células del músculo liso puede ser tónica (sostenida) o fásica (transitoria) [33] y está influenciada por múltiples aportes, como la actividad eléctrica espontánea, aportes neurales y hormonales, cambios locales en la composición química y estiramiento. [1] Esto contrasta con la actividad contráctil de las células del músculo esquelético, que depende de una única entrada neuronal. Algunos tipos de células del músculo liso son capaces de generar sus propios potenciales de acción de forma espontánea, que suelen producirse tras un potencial de marcapasos o un potencial de onda lenta . Estos potenciales de acción se generan por la entrada de Ca extracelular.2+
, y no Na+
. Al igual que los músculos esqueléticos, el Ca citosólico2+
Los iones también son necesarios para el ciclo de puentes cruzados en las células del músculo liso.
Las dos fuentes de Ca citosólico2+
En las células del músculo liso se encuentra el Ca extracelular.2+
entrando a través de los canales de calcio y el Ca2+
Iones que se liberan del retículo sarcoplásmico. La elevación del Ca citosólico2+
resulta en más Ca2+
unión a calmodulina , que luego se une y activa la quinasa de cadena ligera de miosina . El complejo quinasa de cadena ligera de calcio-calmodulina-miosina fosforila la miosina en las cadenas ligeras de miosina de 20 kilodalton (kDa) en el residuo de aminoácido serina 19, lo que permite la interacción molecular de la miosina y la actina, e inicia la contracción y activa la miosina ATPasa . A diferencia de las células del músculo esquelético, las células del músculo liso carecen de troponina, aunque contienen la proteína de filamento fino tropomiosina y otras proteínas notables: caldesmon y calponina. Por tanto, las contracciones del músculo liso son iniciadas por el Ca2+
-fosforilación activada de miosina en lugar de Ca2+
unión al complejo de troponina que regula los sitios de unión de miosina en la actina, como en los músculos esqueléticos y cardíacos.
La terminación del ciclo de puentes cruzados (y dejar el músculo en estado de cierre) ocurre cuando la fosfatasa de cadena ligera de miosina elimina los grupos fosfato de las cabezas de miosina. La fosforilación de las cadenas ligeras de miosina de 20 kDa se correlaciona bien con la velocidad de acortamiento del músculo liso. Durante este período, hay un rápido aumento en el uso de energía medido por el consumo de oxígeno. A los pocos minutos del inicio, el nivel de calcio disminuye notablemente, la fosforilación de las cadenas ligeras de miosina de 20 kDa disminuye y el uso de energía disminuye; sin embargo, se mantiene la fuerza en el músculo liso tónico. Durante la contracción del músculo, se forman puentes cruzados de ciclo rápido entre la actina activada y la miosina fosforilada, generando fuerza. Se plantea la hipótesis de que el mantenimiento de la fuerza resulta de "puentes de pestillo" desfosforilados que ciclan lentamente y mantienen la fuerza. Se cree que varias quinasas, como la rho quinasa , la DAPK3 y la proteína quinasa C, participan en la fase sostenida de la contracción, y el Ca2+
el flujo puede ser significativo.
Aunque las contracciones del músculo liso son miógenas, el sistema nervioso autónomo puede modular la velocidad y la fuerza de sus contracciones . Las fibras nerviosas posganglionares del sistema nervioso parasimpático liberan el neurotransmisor acetilcolina, que se une a los receptores muscarínicos de acetilcolina (mAChR) en las células del músculo liso. Estos receptores son metabotrópicos o receptores acoplados a proteína G que inician una cascada de segundos mensajeros. Por el contrario, las fibras nerviosas posganglionares del sistema nervioso simpático liberan los neurotransmisores epinefrina y noradrenalina, que se unen a receptores adrenérgicos que también son metabotrópicos. Los efectos exactos sobre el músculo liso dependen de las características específicas del receptor activado: tanto la entrada parasimpática como la simpática pueden ser excitatorias (contráctiles) o inhibidoras (relajantes).
Hay dos tipos de células del músculo cardíaco : autorrítmicas y contráctiles. Las células autorrítmicas no se contraen, sino que marcan el ritmo de contracción de otras células del músculo cardíaco, que puede ser modulado por el sistema nervioso autónomo. Por el contrario, las células musculares contráctiles (cardiomiocitos) constituyen la mayor parte del músculo cardíaco y pueden contraerse.
En el acoplamiento de excitación-contracción (CE) del músculo esquelético y cardíaco, se producen procesos de conducción de despolarización y liberación de Ca 2+ . Sin embargo, aunque las proteínas involucradas son similares, son distintas en estructura y regulación. Los receptores de dihidropiridina (DHPR) están codificados por diferentes genes y los receptores de rianodina (RyR) son isoformas distintas. Además, DHPR contacta con RyR1 (isoforma principal de RyR en el músculo esquelético) para regular la liberación de Ca 2+ en el músculo esquelético, mientras que el canal de calcio tipo L (DHPR en miocitos cardíacos) y RyR2 (isoforma principal de RyR en el músculo cardíaco) no están físicamente acoplados en el músculo cardíaco, pero enfrentados entre sí mediante un acoplamiento de unión. [34]
A diferencia del músculo esquelético, se cree que el acoplamiento de las CE en el músculo cardíaco depende principalmente de un mecanismo llamado liberación de calcio inducida por calcio , [35] que se basa en la estructura de unión entre el túbulo T y el retículo sarcoplásmico. La junctofilina-2 (JPH2) es esencial para mantener esta estructura, así como la integridad del túbulo T. [36] [37] [38] Otra proteína, la proteína accesoria del receptor 5 (REEP5), funciona para mantener la morfología normal del SR de unión. [39] Los defectos del acoplamiento de unión pueden resultar de deficiencias de cualquiera de las dos proteínas. Durante el proceso de liberación de calcio inducida por calcio, los RyR2 se activan mediante un desencadenante de calcio, que se produce por el flujo de Ca 2+ a través de los canales de calcio tipo L. Después de esto, el músculo cardíaco tiende a exhibir estructuras de diada , en lugar de tríadas .
El acoplamiento de excitación-contracción en las células del músculo cardíaco ocurre cuando las células marcapasos en el nódulo sinoauricular o el nódulo auriculoventricular inician un potencial de acción y lo conducen a todas las células del corazón a través de uniones comunicantes . El potencial de acción viaja a lo largo de la membrana superficial hasta los túbulos T (estos últimos no se observan en todos los tipos de células cardíacas) y la despolarización provoca Ca extracelular.2+
ingresar a la célula a través de canales de calcio tipo L y posiblemente intercambiador de sodio-calcio (NCX) durante la primera parte de la fase de meseta . Aunque este influjo de Ca 2+ sólo representa alrededor del 10% del Ca 2+ necesario para la activación, es relativamente mayor que el del músculo esquelético. este ca2+
La afluencia provoca un pequeño aumento local del Ca intracelular.2+
. El aumento de Ca intracelular2+
es detectado por RyR2 en la membrana del retículo sarcoplásmico, que libera Ca2+
en una respuesta fisiológica de retroalimentación positiva . Esta retroalimentación positiva se conoce como liberación de calcio inducida por calcio [35] y da lugar a chispas de calcio ( Ca2+
chispas [40] ). La suma espacial y temporal de ~30.000 Ca2+
Las chispas producen un aumento en toda la célula de la concentración de calcio citoplasmático. [41] El aumento del calcio citosólico tras el flujo de calcio a través de la membrana celular y el retículo sarcoplásmico está moderado por los tampones de calcio , que se unen a una gran proporción de calcio intracelular. Como resultado, un gran aumento del calcio total conduce a un aumento relativamente pequeño del Ca libre.2+
. [42]
El calcio citoplasmático se une a la troponina C, desplazando el complejo de tropomiosina fuera del sitio de unión de actina, permitiendo que la cabeza de miosina se una al filamento de actina. A partir de este momento, el mecanismo contráctil es esencialmente el mismo que el del músculo esquelético (arriba). Brevemente, mediante la hidrólisis de ATP, la cabeza de miosina tira del filamento de actina hacia el centro del sarcómero.
Después de la sístole, el calcio intracelular es absorbido por la bomba ATPasa del retículo sarco/endoplásmico (SERCA) de regreso al retículo sarcoplásmico, listo para que comience el siguiente ciclo. El calcio también es expulsado de la célula principalmente por el intercambiador sodio-calcio (NCX) y, en menor medida, por una ATPasa cálcica de la membrana plasmática . Las mitocondrias también absorben algo de calcio. [43] Una enzima, el fosfolamban , sirve como freno para SERCA. A frecuencias cardíacas bajas, el fosfolambán está activo y ralentiza la actividad de la ATPasa para que Ca2+
No es necesario que abandone la celda por completo. A frecuencias cardíacas elevadas, el fosfolambano se fosforila y desactiva, absorbiendo así la mayor parte del Ca.2+
desde el citoplasma hasta el retículo sarcoplásmico. Una vez más, los buffers de calcio moderan esta caída de Ca2+
concentración, lo que permite una disminución relativamente pequeña del Ca libre2+
concentración en respuesta a un gran cambio en el calcio total. La caída de Ca2+
La concentración permite que el complejo de troponina se disocia del filamento de actina, finalizando así la contracción. El corazón se relaja, permitiendo que los ventrículos se llenen de sangre y comiencen nuevamente el ciclo cardíaco.
En los anélidos como las lombrices de tierra y las sanguijuelas , las células de los músculos circulares y longitudinales forman la pared corporal de estos animales y son responsables de su movimiento. [44] En una lombriz de tierra que se mueve a través del suelo, por ejemplo, las contracciones de los músculos circulares y longitudinales ocurren recíprocamente mientras que el fluido celómico sirve como hidroesqueleto al mantener la turgencia de la lombriz de tierra. [45] Cuando los músculos circulares de los segmentos anteriores se contraen, la porción anterior del cuerpo del animal comienza a contraerse radialmente, lo que empuja el líquido celómico incompresible hacia adelante y aumenta la longitud del animal. Como resultado, la parte delantera del animal avanza. A medida que el extremo frontal de la lombriz se ancla y los músculos circulares de los segmentos anteriores se relajan, una onda de contracciones musculares longitudinales pasa hacia atrás, lo que empuja el resto del cuerpo del animal hacia adelante. [44] [45] Estas ondas alternas de contracciones circulares y longitudinales se llaman peristalsis , que es la base del movimiento de arrastre de las lombrices de tierra.
Los invertebrados como los anélidos, los moluscos y los nematodos poseen músculos estriados oblicuamente, que contienen bandas de filamentos gruesos y delgados que están dispuestos en forma helicoidal en lugar de transversalmente, como en los músculos esqueléticos o cardíacos de los vertebrados. [46] En los bivalvos , los músculos oblicuamente estriados pueden mantener la tensión durante largos períodos sin utilizar demasiada energía. Los bivalvos utilizan estos músculos para mantener sus caparazones cerrados.
Los insectos avanzados como las avispas , las moscas , las abejas y los escarabajos poseen músculos asincrónicos que constituyen los músculos de vuelo en estos animales. [46] Estos músculos de vuelo a menudo se denominan músculos fibrilares porque contienen miofibrillas que son gruesas y llamativas. [47] Una característica notable de estos músculos es que no requieren estimulación para cada contracción muscular. Por lo tanto, se denominan músculos asincrónicos porque el número de contracciones en estos músculos no se corresponde (ni sincroniza) con el número de potenciales de acción. Por ejemplo, el músculo del ala de una mosca atada puede recibir potenciales de acción a una frecuencia de 3 Hz, pero es capaz de latir a una frecuencia de 120 Hz. [46] Los golpes de alta frecuencia son posibles porque los músculos están conectados a un sistema resonante , que es impulsado a una frecuencia natural de vibración.
En 1780, Luigi Galvani descubrió que los músculos de las ancas de ranas muertas se contraían cuando eran golpeados por una chispa eléctrica. [49] Esta fue una de las primeras incursiones en el estudio de la bioelectricidad , un campo que todavía estudia los patrones y señales eléctricos en tejidos como los nervios y los músculos.
En 1952, se acuñó el término acoplamiento excitación-contracción para describir el proceso fisiológico de convertir un estímulo eléctrico en una respuesta mecánica. [50] Este proceso es fundamental para la fisiología muscular, por lo que el estímulo eléctrico suele ser un potencial de acción y la respuesta mecánica es una contracción. El acoplamiento excitación-contracción puede estar desregulado en muchas enfermedades. Aunque el acoplamiento excitación-contracción se conoce desde hace más de medio siglo, sigue siendo un área activa de investigación biomédica. El esquema general es que llega un potencial de acción para despolarizar la membrana celular. Por mecanismos específicos del tipo de músculo, esta despolarización da como resultado un aumento del calcio citosólico que se denomina transitorio de calcio. Este aumento de calcio activa las proteínas contráctiles sensibles al calcio que luego utilizan el ATP para provocar el acortamiento celular.
El mecanismo de contracción muscular eludió a los científicos durante años y requiere investigación y actualización continuas. [51] La teoría del filamento deslizante fue desarrollada de forma independiente por Andrew F. Huxley y Rolf Niedergerke y por Hugh Huxley y Jean Hanson . Sus hallazgos se publicaron en dos artículos consecutivos en la edición del 22 de mayo de 1954 de Nature bajo el tema común "Cambios estructurales en el músculo durante la contracción". [23] [24]