Geraldine Morgan

La comprensión de los eventos moleculares de la contracción muscular yace en el modelo de deslizamiento de la contracción. Este modelo se puede aplicar al músculo liso, esquelético, cardiaco y otros tipos de actividad contráctil incluyendo eventos quimicomecánicos como la locomoción de una célula individual y la endocitosis mediada por receptores. Debido a que la bioquímica de estos eventos es más clara para el músculo esquelético, esta discusión se va a enfocar en el músculo esquelético (aunque, cuando sea necesario, se señalará cuando existan diferencias entre otros tipos de músculos). Las características bioquímicas que diferencian las células de respuesta rápida y respuesta lenta en el tejido muscular y las bases bioquímicas de algunos estados patofisiológicos del músculo, incluyendo tétano, fatiga y rigor mortis serán también revisados.

El músculo esquelético comprende más o menos el 40% del peso corporal del cuerpo humano y se constituye de células largas multinucleadas y cilíndricas llamadas fibras musculares.

La membrana plasmática de las fibras musculares se denomina sarcolema. Cada músculo está conformado por fajos de estas fibras ó células integradas en una matriz de tejido conectivo conocido como el endomisio. Los paquetes de fibras con el endomisio están rodeadas de una vaina de tejido conectivo fibroso denominada perimisio. Un fascículo incluye el perimisio y todos sus contenidos. El músculo consiste de varios fascículos albergados en una capa externa de tejido conectivo conocida como la septa perimisial. El paso de la actividad contráctil de cada fibra individual a un movimiento anatómico se da a través de este sistema continuo de tejido conectivo y vainas que ultimadamente se convergen para formar los tendones.

Dentro del sarcolema existe el sarcoplasma que contiene todos los elementos subcelulares además de miofibrillas largas y prominentes. Cada miofibrilla está constituida de varias proteínas filamentosas contráctiles que pueden extenderse desde un extremo de la célula al otro. Las miofibrillas son el elemento más conspicuo en las miofibras esqueléticas y constituyen alrededor del 60% de la proteína de las miofibras. Una miofibrilla está compuesta de muchas unidades estructurales conocidas como sarcómeras las cuales están organizadas de manera continua de extremo a extremo. Las proteínas de unión entre los sarcómeros forman la línea Z y por ende una sarcómera se extiende a lo largo de una miofibrilla desde una línea Z hasta la siguiente línea Z. Los sarcómeros están compuestos principalmente de filamentos delgados de actina y filamentos gruesos de miosina y representan la unidad funcional del músculo. La acción contráctil del músculo esquelético resulta de la coordinación entre la contracción y elongación de millones de sarcómeras. La relación entre las proteínas musculares y los músculos se describen a continuación:

Organización de las Proteínas Contráctiles del Músculo
Filamentos Gruesos	Compuestos de cientos de moléculas largas y contráctiles de miosina organizadas en un complejo de manera secuencial una junto a otra
Filamentos Delgados	Compuestos de arreglos lineares de cientos de monómeros de actina globular organizados en forma de hélice doble
Sarcómera	La unidad contráctil básica de la miofibrilla compuesta principalmente de actina y miosina y extendiéndose de una línea Z a otra en una miofibrilla
Miofibrilla	Arreglos continuos de sarcómeras
Miofibra	Una célula muscular multinucleada que contiene todos los organelos y varias miofibrillas
Músculo	Una serie de fibras musculares ordenadas

La organización de las proteínas contráctiles que conforman el sarcómero es una característica clave del modelo de deslizamiento de filamentos "sliding filament model". Cada sarcómero está compuesto de cientos de agregados de proteínas filamentosas cada una conocida como un miofilamento. Existen dos clases de miofilamentos que se identifican en base a su diámetro y composición protéica (ver imagen arriba). Los miofilamentos gruesos son compuestos de cientos de moléculas de una proteína fibrosa denominada miosina. Los miofilamentos delgados están compuestos de dos polímeros lineales de una proteína globular denominada actina organizados en forma de doble hélice. Los filamentos gruesos y delgados también contienen proteínas accesorias, descritas a continuación. Las proteínas de la línea Z, incluyendo a la α-actinina, funcionan como una matriz o sitio de unión para uno de los dos extremos de los filamentos delgados, los cuales se extienden desde cada línea Z hacia el centro del sarcómero. A menudo, las proteínas de la línea Z aparecen de manera continua a través del ancho de la fibra muscular y al parecer actúan para mantener las miofibrillas organizadas dentro de una miofibra. El extremo distal de cada filamento delgado está libre dentro del sarcoplasma y tiene a su extremo una proteína conocida como β-actinina.

Como se puede observar en la imagen previa, existe otro agregado de proteína en forma de disco, la línea M la cual está localizada en el centro de los sarcómeros. Al igual que la proteína de la línea Z, el agregado de la proteína de la línea M actúa como una matriz en la cual se pueden integrar los filamentos gruesos de miosina. Los filamentos gruesos se extienden desde su punto de anclaje a ambos lados de la línea M hacia las dos líneas Z que definen el sarcómero.

Dentro del sarcómero, los filamentos gruesos y delgados están interdigitados de tal manera que en un corte transversal se observan en una estructura hexagonal en la cual 6 filamentos delgados están posicionados alrededor de cada filamento grueso. Los filamentos gruesos también están organizados hexagonalmente el uno de otro. Durante la contracción y la relajación, la distancia entre las líneas Z varía, disminuyendo durante la contracción e incrementando durante la relajación mientras que la línea M, unida a los filamentos gruesos, permanece centralmente posicionada dentro del sarcómero Los filamentos gruesos y delgados mantienen su estructura lineal y extendida excepto en situaciones extremas. Cambios en la longitud del sarcómero se deben a que los filamentos delgados están siendo deslizados a lo largo de los filamentos gruesos hacia la dirección de la línea M.

Las bases bioquímicas de la actividad muscular están relacionadas a las propiedades enzimáticas y físicas de la actina, la miosina y las proteínas accesorias que constituyen a los filamentos gruesos y delgados. La siguiente sección resume los componentes proteicos cruciales de los miofilamentos y sus interacciones ATP-dependientes que resultan en la contracción muscular.

Las proteínas de los filamentos gruesos y delgados pueden ser clasificadas en actina, miosina y 6 proteínas accesorias. Las proteínas accesorias son α-actinina, β-actinina, tropomiosina, troponina, proteína C, y la proteína de la línea M. Las moléculas de miosina solubles son proteínas largas, delgadas y fibrosas con un peso molecular de alrededor de 500,000 Daltons.

Cada molécula está compuesta de 6 subunidades, 2 grandes cadenas pesadas (HC) y 4 pequeñas cadenas livianas (LC). En una fibra muscular las 2 grandes subunidades son idénticas, sin embargo existen diferentes isoformas de cadenas pesadas en diferentes tipos de fibras musculares. Las cadenas pesadas contienen un dominio de hélice α (de 1,300 amino ácidos) en la C-terminal y un dominio N-terminal, prominente y globular, de más o menos 800 amino ácidos. Los dos dominios α- helicales de las HC están entrelazados de tal manera que forman una estructura superhelicoidal rígida y larga con 2 cabezas globulares. Una molécula completa de miosina también contiene 4 proteínas relativamente pequeñas que están asociadas a las cabezas globulares. Estas proteínas pequeñas de peso molecular entre 16,000 a 24,000 Daltons se conocen como cadenas livianas alcalinas "alkali light chains" (LC1 o LC3) y cadenas livianas DTNB (LC2). Cada molécula de miosina contiene 2 subunidades de LC2, cada una asociada con un dominio globular de la CP. Cada dominio globular también contiene una subunidad LC1 ó LC3 pero las proporciones de LC1 y LC3 varían dependiendo si se trata de músculo cardiaco, esquelético, embrionario o liso. Todas las cadenas livianas se unen al Ca²⁺con gran afinidad, son fosforiladas por la cinasa de la cadena liviana de la miosina “myosin light chain kinase” (MLCK) y generalmente desempeñan un papel en la regulación de la actividad de la ATPasa de la miosina y en su ensamblaje a filamentos gruesos.

En la molécula de miosina existen varios puntos funcionalmente importantes, por ejemplo, cerca del punto medio de la región superhelicoidal existe un sitio que se define por su susceptibilidad a ser digerido por la tripsina. La tripsina rompe a la miosina en 2 porciones: 1 contiene las cabezas globulares y parte de la región superhelicoidal y la otra consiste de la región superhelicoidal restante en la C-terminal. La porción que contiene las cabezas globulares se conoce como meromiosina pesada (MMP; peso molecular 350,000). El fragmento que contiene la C-terminal se conoce como meromiosina liviana (MML; peso molecular 125,000).

La importancia de este sitio susceptible a la actividad proteolítica de la tripsina es que refleja una interrupción en la estructura rígida superhelicoidal, lo cual permite a este sitio servir de bisagra y además está involucrado en convertir la energía química del ATP a eventos mecánicos tales como la contracción y la relajación. Un segundo sitio de importancia con susceptibilidad a la acción proteolítica de la papaína también puede servir de bisagra. La papaína digiere este sitio ubicado cerca de las cabezas globulares, dividiéndolo en 2 subfragmentos, conocidas como SF-1 (subfragmento 1). La porción restante de la molécula, la porción superhelicoidal se conoce como SF-2. La actividad de la ATPasa de la miosina está asociada a la unidad SF-1.

Un filamento grueso está compuesto de aproximadamente 400 moléculas de miosina con 200 ubicadas a cada lado de la línea M. Estas moléculas se mantienen ordenadas en paquetes gracias a la proteína C (proteína de sujeción), las proteínas de la línea M y las interacciones hidrofóbicas entre las moléculas de miosina. En las porciones de MML es donde las moléculas de miosina se encuentran más apretadamente empaquetadas.

En el sitio que sirve de bisagra, susceptible a la tripsina, la meromiosina pesada se proyecta hacia fuera desde el filamento grueso. Esta extensión de la meromiosina pesada hacia la porción externa del filamento grueso ayuda a que las cabezas globulares entren en proximidad con los filamentos delgados de actina, los cuales están ubicados entre los filamentos gruesos. El evento molecular que regula la contracción muscular es la unión de las cabezas de la miosina a los filamentos delgados de actina, seguido por un rápido cambio en la conformación de la miosina en donde se encuentran los puntos de bisagra y se une la actina la cual es finalmente deslizada hacia la línea M.

Los filamentos delgados están compuestos de varias subunidades de la proteína globular G-actina (42 kD) y varias proteínas accesorias. En los filamentos delgados, la G-actina es polimerizada para formar largas hebras fibrosas conocidas como F-actina. Un par de estas hebras lineales de F-actina se enrollan para formar la estructura helicoidal que será un filamento delgado.

Cada subunidad de G-actina tiene 1 sitio de unión para el ADP/ATP el cual se presume que está involucrado en la polimerización del filamento delgado. Una vez polimerizada, la actina se recubre y el filamento delgado se estabiliza por una proteína llamada β-actinina. Además de tener un sitio de unión para nucleótidos, la molécula de G-actina tiene un sitio de unión de alta afinidad para las cabezas globulares de la miosina. En el músculo esquelético y el cardiaco las proteínas accesorias del filamento delgado (descritas a continuación) físicamente regulan la disponibilidad de este sitio para unirse a la miosina. Por ende, las proteínas accesorias controlan la contracción.

Las principales proteínas accesorias del filamento delgado son la tropomiosina y la troponina. La tropomiosina es un heterodímero organizado en forma αβ helicoidal, largo y tubular que recorre la longitud de 7 residuos de G-actina. A lo largo del filamento delgado, un par de moléculas de tropomiosina están asociadas a cada 7 pares de residuos de G-actina y 1 molécula de tropomiosina por cada surco de la hélice de F-actina. En el músculo relajado, cada molécula de tropomiosina recubre los sitios de unión de la miosina de 7 residuos de G-actina, lo cual previene la interacción entre la actina y la miosina y así se mantiene el estado de relajación muscular. Para iniciar la actividad contráctil, la troponina, la segunda molécula accesoria de los filamentos delgados, debe activarse. La troponina es un heterotrímero que está unida a un extremo de cada molécula de tropomiosina y a la actina. Esta posición une físicamente la tropomiosina a la actina.

Los cambios conformacionales en la troponina son los responsables de movilizar a la tropomiosina para descubrir o recubrir los sitios de unión de la miosina, ubicados en la actina, y así regular la contracción muscular. Una de las subunidades de la troponina, la troponina C (Tn-C) es una proteína similar a la calmodulina que se une al calcio. Cuando la Tn-C se une al calcio sufre un cambio conformacional que mueve a la tropomiosina, dejando los sitios de unión de la miosina descubiertos. Este evento permite que las cabezas de la miosina interactúen con sus sitios de unión, ubicados en la actina, y así acontece la actividad contráctil.

Los eventos de los filamentos delgados pueden ser resumidos de la siguiente manera: antes de que haya la presencia de calcio libre en el sarcoplasma, la tropomiosina recubre los sitios de unión de la miosina ubicados en la actina. El calcio aparece en el sarcoplasma y se une a los sitios de unión del calcio ubicados en la Tn-C. Se dan cambios conformacionales en la troponina lo cual mueve a la molécula de tropomiosina hacia el surco entre la hélice de F-actina, lo cual descubre los sitios de unión de la miosina en las subunidades de G-actina. Los sitios de unión de la miosina ahora están expuestos y disponibles para interactuar con las cabezas de miosina. El retiro de calcio del sarcoplasma restablece los estados conformacionales iniciales de la troponina y la tropomiosina lo cual previene la interacción entre la actina y la miosina, resultando en un estado de relajación.

Los eventos que estimulan la actividad muscular al elevar el calcio sarcoplasmático empiezan con una excitación neuronal en la unión neuromuscular. La excitación induce despolarización local del sarcolema lo cual se difunde a través del sistema de túbulos T y hacia el interior de la miofibra. La despolarización del túbulo T se difunde al retículo sarcoplasmático (SR), lo cual causa que se abran los canales de calcio voltaje-dependientes localizados en las membranas del SR. A este evento le sigue un movimiento rápido y masivo de calcio desde las cisternas hasta el sarcoplasma el cual se encuentra cerca de las miofibrillas. Las concentraciones de calcio elevadas influyen en la subunidad Tn-C de la troponina lo cual resulta en múltiples power strokes las cuales se siguen dando siempre y cuando las concentraciones de calcio se mantengan sobre 1 a 5 micromolares.

Normalmente, cuando no hay actividad eléctrica en la unión mioneural, la actividad contráctil se detiene y sobreviene un estado de relajación. La membrana sarcoplasmática regresa a su potencial en reposo (más o menos 60 mV más positivo afuera de la célula), al igual que todo el sistema de túbulos T y la membrana del SR. Subsecuentemente, el calcio sarcoplasmático regresa a la cisterna del RS a través de una bomba de calcio ATP-dependiente, la cual es una de las proteínas más importantes de la membrana del RS. Por cada ATP hidrolizado, 2 iones de calcio son sacados del sarcoplasma hasta que finalmente los niveles de calcio caen a 0.1 micromolares ó 50 a 100 veces más bajos que el K_D necesario para que el calcio se pueda unir al Tn-C. La superficie de la cisterna de la membrana del RS también contiene cantidades altas de una glicoproteína conocida como calsecuestrina. La calsecuestrina se une al calcio con gran avidez lo cual disminuye las concentraciones de calcio en las cisternas y así favoreciendo la acumulación de calcio. También existen depósitos de calcio en la matriz mitocondrial ya que ésta tiene una bomba de calcio la cual es impulsada por un potencial quimiosmótico generado por el transporte de electrones. Bajo condiciones aeróbicas, esta bomba usa la energía del transporte de electrones para acumular calcio en la matriz mitocondrial, en vez de sintetizar ATP.

La tetania es una condición de hipercontracción muscular que se da después de un periodo prolongado de repetitiva estimulación muscular el cual es causado por una depleción de ATP u otros fosfatos de alta energía que ayudan a mantener los niveles de ATP apropiados. Estos fosfatos de alta energía incluyen otros nucleósidos trifosfatos (NTPs), creatina fosfato (CP) y ADP, como están ilustradas en las 3 ecuaciones a continuación. Las tres reacciones son realizadas por una difosfocinasa de nucleósido, creatina cinasa y adenilato cinasa, respectivamente.

Debido a que la estimulación tetánica incrementa el calcio sarcoplasmático y elimina el ATP, el resultado es un músculo altamente contraído con calcio unido al Tn-C y sin ATP que dirija el movimiento de calcio a la cisterna del RS o cause desunión de los puentes de actina-miosina. Bajo estas condiciones, la mitocondria va a preferentemente bombear el calcio a la matriz mitocondrial lo cual removerá el calcio unido al Tn-C, escondiendo ahora los sitios de unión de la miosina en los filamentos delgados y permitiendo que el músculo asuma un estado de flacidez. Sin embargo, la ausencia de ATP resulta en la mantención de la miosina en su estado conformacional de baja energía lo cual limitará la habilidad del músculo de generar actividad contráctil. Al estar en este estado fisiológico, los músculos se dicen que están fatigados.

En la muerte, todas las reacciones tienden hacia el equilibrio. Uno de los primeros procesos que sucede es el equilibrio iónico a través de todos los compartimentos del cuerpo como resultado de la falta de energía que requieren las bombas de iones para establecer y mantener una diferencia de concentraciones iónicas. En el caso del músculo, este proceso resulta en el movimiento de calcio desde las cisternas y del líquido extracelular hacia el sarcoplasma, en donde eleva las concentraciones de calcio. El calcio induce cambios conformacionales en el complejo troponina-tropomiosina, lo cual expone los sitios de unión de la miosina localizados en los filamentos delgados. Esto resulta en una actividad contráctil incontrolada lo cual sólo agota todo el suministro de ATP y todas o casi todas las moléculas de miosina acaban formando parte de los complejos actina-miosina. El estado rígido de los músculos que se desarrolla poco después de la muerte se debe a este estado en donde existen muchos complejos actina-miosina el cual también se conoce como rigor mortis.

Mientras que el modelo de deslizamiento de filamentos describe apropiadamente el mecanismo básico de contracción muscular y se puede aplicar a todos los tipos musculares, existen diferencias significativas entre el músculo esquelético y el músculo liso. Una apreciación de estas diferencias se basa en la observación que aunque el músculo liso no precisa de troponina, su actividad contráctil es regulada por niveles citoplasmáticos de calcio. Este concepto se explicó cuando se descubrió una proteína que se une al Ca²⁺/calmodulina (CaCM) conocida como caldesmon, estaba involucrada en regular el movimiento de la tropomiosina sobre la superficie del músculo liso; así descubriendo y ocultando los sitios de unión de la miosina localizados en los filamentos delgados. Posteriormente se observó que la elevación de los niveles de calcio en el citosol elevaban los niveles de CaCM la cual se unía al caldesmon y así removiéndola de su localización en los filamentos delgados. Concurrentemente, se observó que la tropomiosina cambia su ubicación en los surcos helicoidales de la F-actina y la actividad de la ATPasa del complejo actina-miosina es estimulada. Cuando el calcio se agota, el complejo CaCM se disocia y el caldesmón es liberado de su complejo con la calmodulina y se reasocia con los filamentos delgados. La actividad de la ATPasa del complejo actino miosina se inhibe. En esencia, el caldesmon remplaza a la troponina como regulador de la localización de la tropomiosina en los filamentos delgados.

Una segunda diferencia importante entre el músculo liso y estriado es que el músculo liso contiene una subunidad llamada cadena-P liviana en la cadena liviana de la miosina. La cadena-P liviana existe en estados fosforilados y no fosforilados en el cual el fosforilado se determina por la actividad de otra proteína CaCM-dependiente conocida como cinasa de cadena liviana de miosina (MLCK). En ausencia de la CaCM los músculos lisos no proveen de actividad, la cinasa está inactiva y las cadenas-P livianas no están fosforiladas. Niveles elevados de CaCM inducen la actividad de MLCK, lo cual conduce a la fosforilación de las cadenas-P livianas y el inicio de la contracción. La fosforilación de las cadenas-P livianas y la eliminación de caldesmon de los filamentos delgados son dos eventos requeridos para la contracción del músculo liso. La regulación de esta vía a través de la fosforilación de enzimas en el músculo liso está ilustrada a continuación.

Diagrama de actividades enzimáticas durante la contracción del músculo liso. La elevación del calcio en el músculo liso a 10^-5M induce la formación del complejo Ca²⁺-calmodulina (CaCM) los cuales activan los filamentos delgados al unirse al caldesmon (Cald) y liberando los sitios de unión de miosina en los filamentos delgados. CaCM también se une y activa a la cinasa de la cadena liviana de la miosina (MLCK). La MLCK activa, fosforila a la cadena-P liviana de la miosina lo cual resulta en la activación de la actividad de la ATPasa en las cabezas de la miosina. Al unirse la epinefrina con receptores β-adrenérgicos incrementa el cAMP, activa la proteína cinasa cAMP-dependiente (PKA) la cual reduce la afinidad del MLCK por el CaCM y modula la fuerza de contracción generada por niveles de calcio elevados en el citosol.

Además de las transferencias del grupo fosforil, ya descritas en las 3 ecuaciones previas, el ATP del músculo también se genera a través de la glicólisis y fosforilación oxidativa. Los músculos que dependen de la fosforilación oxidativa como fuente de ATP requieren altos niveles de oxígeno. Para asegurar la disponibilidad de oxigeno, estos músculos almacenan oxígeno como oximioglobina. Músculos oxidativos con mioglobina son de color rojo debido a su alta cantidad de mioglobina. Los músculos glucolíticos no son tan ricos en mioglobina y por ende adoptan una apariencia blanca. Estos músculos generalmente almacenan glucógeno en grandes cantidades y generan la mayoría de su ATP a través de reacciones glucolíticas. Una de las diferencias funcionales más grandes entre las células musculares rojas y blancas es que las fibras blancas generan ATP a través de una corta vía entre sustratos (por ejemplo, glucosa) y la aparición de ATP, mientras que en el músculo rojo la vía entre el sustrato (por ejemplo, glucosa) y el ATP constituye de más pasos en la reacción (por ejemplo, glicólisis más ciclo tricarboxílico además del transporte de electrones) y corresponde a un proceso más largo. Consecuentemente, los músculos esqueléticos de acción rápida son compuestos predominantemente de fibras blancas glucolíticas mientras que los músculos de acción lenta, tales como los que mantienen el tono, generalmente son rojos y oxidativos.