Una célula muscular , también conocida como miocito , es una célula contráctil madura en el músculo de un animal. [1] En los humanos y otros vertebrados hay tres tipos: esquelética , lisa y cardíaca (cardiomiocitos). [2] Una célula muscular esquelética 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 por 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 por discos intercalados y cuando se unen en una unidad visible se describen como una fibra muscular cardíaca . [8]
Las células musculares lisas controlan los movimientos involuntarios, como las contracciones peristálticas en el esófago y el estómago . El músculo liso no tiene miofibrillas ni sarcómeros y, por lo tanto, no es estriado. Las células musculares lisas tienen un solo núcleo.
La inusual anatomía microscópica de una célula muscular dio origen a su terminología. El citoplasma de una célula muscular se denomina sarcoplasma ; el retículo endoplasmático 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 las células contráctiles individuales dentro de un músculo y generalmente se las conoce como fibras musculares debido a su apariencia filiforme más larga. [10] En términos generales, hay dos tipos de fibras musculares que actúan en la contracción muscular , ya sea como contracción lenta ( tipo I ) o contracción rápida ( tipo II ).
Un solo músculo, como el bíceps braquial de un hombre adulto joven, contiene alrededor de 253 000 fibras musculares. [11] Las fibras musculares esqueléticas son las únicas células musculares que son multinucleadas , con núcleos que suelen denominarse mionúcleos . Esto ocurre durante la miogénesis con la fusión de mioblastos, cada uno de los cuales aporta un núcleo a la célula muscular recién formada o miotubo . [12] La fusión depende de proteínas específicas del músculo 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: finos, gruesos y elásticos que trabajan juntos para producir una contracción muscular . [14] Los miofilamentos finos son filamentos de actina principalmente y los filamentos gruesos son de miosina principalmente y se deslizan uno sobre el otro para acortar la longitud de la fibra en una contracción muscular. El tercer tipo de miofilamento es un filamento elástico compuesto de titina , una proteína muy grande.
En las estrías de las bandas musculares , la miosina forma los filamentos oscuros que forman la banda A. Los filamentos delgados 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 repetitiva 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 el oxígeno hasta que se 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 está compuesta por agrupaciones de dos sacos terminales dilatados llamados cisternas terminales y un solo túbulo T (túbulo transversal), que perfora 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 la que cada túbulo T tiene dos cisternas terminales a cada lado. El retículo sarcoplásmico sirve como reservorio de iones de calcio, por lo que cuando un potencial de acción se propaga por el túbulo T, envía una señal al retículo sarcoplásmico para que libere iones de calcio de los canales de membrana cerrados 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 aplanados múltiples ; embriológicamente, esta condición multinucleada resulta de la fusión de múltiples mioblastos para producir cada fibra muscular, donde cada mioblasto contribuye con un núcleo. [14]
La membrana celular de una célula muscular cardíaca 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 se puede separar en dos capas: la lámina densa y la lámina lúcida . Entre estas dos capas puede haber varios tipos diferentes de iones, incluido el calcio . [18]
El músculo cardíaco, al igual que el músculo esquelético, también es estriado y sus células contienen miofibrillas, miofilamentos y sarcómeros, como las células del músculo esquelético. La membrana celular está anclada al citoesqueleto de la célula mediante fibras de anclaje de aproximadamente 10 nm de ancho. Estas fibras se ubican generalmente en las líneas Z, de modo que forman surcos y de ellos emanan túbulos transversales. En los miocitos cardíacos, esto forma una superficie festoneada. [18]
El citoesqueleto es el elemento que compone el resto de la célula y tiene dos funciones principales: la primera es estabilizar la topografía de los componentes intracelulares y la segunda 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 posibles propiedades eléctricas 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 musculares lisas se llaman así porque no tienen ni 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 reproductor . En los ojos , los músculos ciliares dilatan y contraen el iris y alteran la forma del cristalino . En la piel , las células musculares lisas, como las del erector del pelo, hacen que el cabello se erice en respuesta a la temperatura fría o al miedo . [19]
Las células musculares lisas tienen forma de huso, con el centro ancho y los extremos afilados. Tienen un solo núcleo y miden entre 30 y 200 micrómetros de longitud, miles de veces más cortas que las fibras musculares esqueléticas. El diámetro de sus células también es mucho menor, lo que elimina la necesidad de los túbulos T que se encuentran en las células musculares estriadas. Aunque las células musculares lisas carecen de sarcómeros y miofibrillas, sí contienen grandes cantidades de las proteínas contráctiles actina y miosina. Los filamentos de actina están anclados por cuerpos densos (similares a los discos Z en los sarcómeros) al sarcolema. [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 los miocitos. [22]
Las fibras musculares esqueléticas 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 único mioblasto. La fusión de mioblastos es específica del músculo esquelético, y no del músculo cardíaco o del músculo liso .
Los mioblastos del músculo esquelético que no forman fibras musculares se desdiferencian y vuelven a convertirse en células miosatélites . Estas células satélite permanecen adyacentes a una fibra muscular esquelética, situada entre el sarcolema y la membrana basal [23] del endomisio (la envoltura de tejido conectivo que divide los fascículos musculares en fibras individuales). Para reactivar la miogénesis, las células satélite deben ser estimuladas para que se diferencien en nuevas fibras.
Los mioblastos y sus derivados, incluidas las células satélite, ahora se pueden generar in vitro a través de 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 delgados 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 se desencadena por el potencial de acción sobre la membrana celular del miocito. El potencial de acción utiliza túbulos transversales para llegar desde la superficie hasta el interior del miocito, que es continuo dentro de la membrana celular. Los retículos sarcoplásmicos son bolsas membranosas que los túbulos transversales tocan pero permanecen separados de ellas. Estos se envuelven alrededor de cada sarcómero y están llenos 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 única, 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+ de 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]
Existen cuatro tipos principales de contracción muscular : isométrica, isotónica, excéntrica y concéntrica. [29] Las contracciones isométricas son contracciones del músculo esquelético que no provocan movimiento del músculo, y las contracciones isotónicas son contracciones del músculo esquelético que sí provocan movimiento. La contracción excéntrica es cuando un músculo se mueve bajo una carga. La contracción concéntrica es cuando un músculo se acorta y genera fuerza.
Los cardiomiocitos especializados del 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 de los sistemas nerviosos 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 teoría sostiene que las células musculares evolucionaron una sola vez y, por lo tanto, todas ellas tienen un único ancestro común. Otra teoría sostiene que las células musculares evolucionaron más de una vez y que cualquier similitud morfológica o estructural se debe a una evolución convergente y al desarrollo de genes compartidos que anteceden a la evolución del músculo, incluso al mesodermo (el mesodermo es la capa germinal que da origen a las células musculares en los vertebrados).
Schmid y Seipel (2005) [30] 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 están presentes las células musculares. Argumentan que las similitudes moleculares y morfológicas entre las células musculares en Cnidaria y Ctenophora son lo suficientemente similares a las de los bilaterales como para que haya un ancestro en los metazoos del que derivan las células musculares. En este caso, Schmid y Seipel argumentan que el último ancestro común de Bilateria, Ctenophora y Cnidaria, fue un triploblasto (un organismo que tiene tres capas germinales), y que la diploblastia , es decir, un organismo con dos capas germinales, evolucionó de manera 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 los ctenóforos con la de los bilaterales, Schmid y Seipel pudieron concluir que existían 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 colegas, 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 los ctenóforos a menudo son objeto de controversia debido a que el origen de estas células musculares es el ectodermo en lugar del mesodermo o el mesendodermo.
Otros autores sostienen que el origen de las células musculares verdaderas es la porción endodérmica del mesodermo y el endodermo. Sin embargo, Schmid y Seipel (2005) [30] contrarrestan el escepticismo – sobre si las células musculares que se encuentran en los ctenóforos y cnidarios son células musculares “verdaderas” – al considerar que los cnidarios se desarrollan a través de una etapa de medusa y una etapa de pólipo. Observan que en la etapa de medusa de los hidrozoos, hay una capa de células que se separan del lado distal del ectodermo, que forma las células musculares estriadas de una manera similar a la del mesodermo; llaman a esta tercera capa separada de células el ectocodón . Schmid y Seipel sostienen que, incluso en los bilaterales, no todas las células musculares 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 mesodermo endodérmico. Además, sostienen 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. [30]
En contraste con este argumento de un único origen de las células musculares, Steinmetz, Kraus, et al . (2012) [31] sostienen que los marcadores moleculares como la proteína miosina II utilizada para determinar este único origen del músculo estriado son anteriores a la formación de las células musculares. Utilizan un ejemplo de los elementos contráctiles presentes en los poríferos, 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 musculares estriadas a través de su análisis de marcadores morfológicos y moleculares que están presentes en bilaterales y ausentes en cnidarios, ctenóforos y bilaterales. Steinmetz, Kraus, et al . demostraron 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 células musculares. 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 o no lo suficientemente similares a las células musculares de los bilaterales 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 ocurrieron 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, et al . También se demostró que la localización de este conjunto duplicado de genes que cumplen tanto la función de facilitar la formación de genes de músculo estriado como la regulación celular y los genes de movimiento, ya estaban separados en MHC estriado y no muscular. Esta separación del conjunto duplicado de genes se muestra a través de la localización del mucho estriado en la vacuola contráctil en esponjas, mientras que el mucho no muscular se expresó de manera más difusa durante el desarrollo de la forma y el cambio celular. Steinmetz, Kraus, et al . encontraron un patrón similar de localización en cnidarios excepto con el cnidario N. vectensis.que este marcador de músculo estriado está presente en el músculo liso del tracto digestivo. Por lo tanto, sostienen que el rasgo pleisiomórfico de los ortólogos separados de much 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 fundamentalmente diferente de desarrollo y estructura de las células musculares en los cnidarios. [31]
Steinmetz, Kraus, et al . (2012) [31] argumentan además a favor de múltiples orígenes del músculo estriado en los metazoos al explicar que un conjunto clave de genes utilizados para formar el complejo de troponina para la regulación y formación muscular en bilaterales falta en los cnidarios y ctenóforos, y 47 proteínas estructurales y reguladoras observadas, Steinmetz, Kraus, et al . no pudieron encontrar ni siquiera una proteína celular de músculo estriado única 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 gran 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 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. A través de pruebas de marcadores moleculares adicionales, Steinmetz et al. observan que los no bilaterales carecen de muchos componentes reguladores y estructurales necesarios para la formación del músculo bilateral y no encuentran ningún conjunto único de proteínas tanto para los bilaterales como para los cnidarios y los 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 ser de un origen diferente con un conjunto diferente de proteínas reguladoras y estructurales. [31]
En otra interpretación del argumento, Andrikou y Arnone (2015) [32] 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 tisular divergen y son similares entre los primeros deuteróstomos y protóstomos. Al comprender no solo qué genes están presentes en todos los bilaterales, sino también el momento y el lugar de despliegue de estos genes, Andrikou y Arnone discuten una comprensión más profunda de la evolución de la miogénesis. [32]
En su artículo, Andrikou y Arnone (2015) [32] 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. Argumentan que tener este circuito regulador general común permitió un alto grado de divergencia a partir de una única red que funcionara bien. Andrikou y Arnone descubrieron que los ortólogos de los genes encontrados en vertebrados habían cambiado a través de diferentes tipos de mutaciones estructurales en los deuteróstomos y protóstomos invertebrados, y argumentan que estos cambios estructurales en los genes permitieron una gran divergencia de la función muscular y la formación muscular en estas especies. Andrikou y Arnone fueron capaces de reconocer no sólo cualquier diferencia debida a la mutación en los genes encontrados en vertebrados e invertebrados, sino también la integración de genes específicos de especies que también podrían causar divergencia de la función original de la red reguladora de genes. Así, aunque se ha determinado un sistema de patrón muscular común, argumentan que esto podría deberse a una red reguladora de genes más ancestral que se ha cooptado varias veces a través de linajes con genes y mutaciones adicionales que causan un desarrollo muy divergente de los músculos. Así, parece que el marco de patrón miogénico puede ser un rasgo ancestral. Sin embargo, Andrikou y 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 espacio en la red, lo que podría mostrar un alto grado de divergencia en la formación de células musculares. A través de este análisis, parece que la GRN miogénica es una GRN ancestral con cambios reales en la función y estructura miogénicas posiblemente vinculados a cooptaciones posteriores de genes en diferentes momentos y lugares. [32]
Evolutivamente, las formas especializadas de músculos esqueléticos y cardíacos fueron anteriores a la divergencia de la línea evolutiva vertebrados / artrópodos . [33] 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 había evolucionado independientemente de los tipos de músculos esqueléticos y cardíacos.
Las propiedades utilizadas para distinguir las fibras musculares rápidas, intermedias y lentas pueden ser diferentes para los músculos de vuelo y salto de los invertebrados. [34] 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 tsé-tsé con el ejercicio y la edad. [35]
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