Fisiología. Tema 11: Músculo

Transcripción

1 Fisiología. Tema 11: Músculo 1. Tipos de músculo El músculo esquelético es un músculo estriado debido a sus bandas claras y oscuras alternantes bajo microscopía óptica. Es de contracción voluntaria y está controlado por el SN motor somático. Es responsable del 40% del peso corporal, así como de la posición y movimiento del esqueleto. El músculo cardíaco también es estriado, pero de contracción involuntaria, autónoma = miogénica. Por esto, está inervado por el SNA y endocrino. El músculo liso es el principal de los órganos y tubos internos, como el estómago, la vejiga y los vasos sanguíneos. Es de contracción involuntaria y miogénica, como el cardíaco, y está controlado por el SNA y endocrino también. Su función primaria es influir en el movimiento del material hacia el interior y exterior del cuerpo. 2. Músculo esquelético Cada fibra muscular tiene la longitud del músculo del que forma parte, por lo que son las células más grandes del cuerpo. La fibra muscular es la unidad más básica. Se recubre del endomisio para formar fascículos. Los fascículos, junto al perimisio, vasos y nervios = músculo. El músculo se rodea del epimisio y el tendón para formar la estructura completa Fibra muscular Toda fibra muscular tiene unos componentes principales: 1) Túbulos T Invaginación de la membrana plasmática (sarcolema), por lo que su luz es continuación del líquido extracelular. Su función es propagar el potencial de acción hacia el interior de la fibra. Sin ellos, el potencial solo alcanzaría el interior de la fibra por difusión (mucho más lento). El túbulo T junto con el retículo sarcoplásmico forman la tríada. 2) Retículo sarcoplásmico Es el retículo endoplasmático modificado. En el músculo, su función es la de almacenar y liberación iones calcio, necesarios para la contracción muscular. 3) Actina Proteína globular encadenada formando hebras entrelazadas, dando lugar a los filamentos delgados. El filamento se encuentra reforzado por la troponina, tropomiosina y nebulina. 4) Miosina Proteína motora de la miofibrilla, formando los filamentos gruesos. Existen distintas isoformas según el tipo de músculo, con distintas velocidades de contracción. Cada molécula de miosina son 2 proteínas entrelazadas con 2 cabeza y 2 colas entrecruzadas. Alrededor de 250 moléculas de miosina forman un filamento grueso. Las cabezas de la molécula tienen la característica de ser basculantes, para su acción en la contracción con la actina. 5) Sarcómero Unidad funcional y estructural del músculo. Son paquetes de actina y miosina asociadas, que en su conjunto forman las miofibrillas, y estas a su vez, fascículos. FISIOLOGÍA 1

2 6) Titina y nebulina Proteínas gigantes, que dan estabilidad. La titina es elástica (se encoge mientras el sarcómero se acorta y luego ayuda a que vuelva a su longitud inicial), ayudando la elasticidad y estabilidad de la miosina. La nebulina es inelástica y ayuda a alinear la actina Ciclo de los puentes cruzados Es el mecanismo por el cual se produce la contracción muscular, se repite muchas veces a medida que la fibra muscular se contrae. En el músculo vivo, el estado basal de rigidez es muy breve. Cuando el ATP se fija a la miosina, esta se desprende de la actina. La hidrólisis del ATP aporta energía para mover y cambiar la conformación de las cabezas de miosina y provocar de nuevo su unión a la actina. Por último, la liberación de Pi provoca el golpe de fuerza, donde la miosina rema y los filamentos de actina se mueven sobre la línea de la miosina. Cada molécula de miosina es una ATPasa que se une al ATP y lo hidroliza en ADP y Pi, liberando energía química, convertida en energía mecánica por la miosina Regulación de la troponina y tropomiosina Ambas moléculas tienen un papel regulador. Para que ocurra la contracción, la tropomiosina debe ser desplazada a una posición de encendido que deje expuesto el sitio de unión de la actina (a la miosina). Esto se consigue gracias a iones calcio. La tropomiosina es un polímero que envuelve el filamento de actina y bloque el sitio de unión a la miosina. La troponina (TN) es una proteína fijadora de calcio unida a la tropomiosina. La troponina C se une de forma reversible al calcio, cambia su conformación y tira de la tropomiosina para quitarla de en medio. Durante la relajación, las concentraciones de calcio en el citoplasma deben disminuir de modo que el calcio se separe de la troponina. Los filamentos del sarcómero se deslizan hacia sus posiciones originales con ayuda de la titina y tejidos conectivos elásticos dentro del músculo Fases de la contracción Los acontecimientos en la unión neuromuscular convierten una señal química de una neurona motora somática en una señal eléctrica en la fibra muscular. En este proceso, acaece la teoría de los filamentos deslizantes: los gruesos y delgados se deslizan unos sobre otros provocando el acortamiento del sarcómero en la contracción. El proceso de acoplamiento excitación-contracción es aquel donde los potenciales de acción en la fibra muscular activan un ciclo de contracción-relajación mediante el aumento del calcio libre intercelular. Los pasos que ocurren: 1) Liberación de ACh: se une a su receptor nicotínico y la entrada de Na + inicia un potencial de placa, el cual llega a su umbral y genera un potencial de acción. 2) El potencial viaja hasta los túbulos T. 3) Receptores de DHP sensibles a voltaje. 4) Apertura mecánica de los canales de calcio (RyR) del retículo sarcoplásmico. El calcio sale y aumenta su concentración citosólica. 5) El calcio se une a la troponina (TN). 6) Golpe de fuerza. 7) Deslizamiento del filamento de actina. En la relajación, se devuelve al retículo por Ca 2+ -ATPasas. FISIOLOGÍA 2

3 El periodo de latencia es aquel entre el potencial de acción muscular y el comienzo del desarrollo de la tensión del músculo. Esta demora representa el tiempo necesario para que ocurra la excitacióncontracción. La tensión muscular crece constantemente hasta un valor máximo Energética de la contracción La fuente energética que usa el músculo es el ATP. Esta se suele obtener normalmente a partir de ATP libre, fosfocreatina, hidratos de carbono (glucolisis), ácidos grasos (beta-oxidación) y proteínas. La cantidad de ATP basal del músculo vale para 8 contracciones. En la fosfocreatina, el grupo P es transferido al ADP para formar ATP muy rápido (esfuerzos rápidos). El glucógeno es la forma de almacén de glucosa en el músculo. La glucolisis puede ser aerobia (30 ATP =eficiente) o anaerobia (2 ATP = muy rápida). La beta-oxidación requiere oxígeno y es un proceso lento, útil para ejercicios moderados y prolongados. La creatinquinasa o creatinfosfoquinasa (CPK) indica daño muscular cuando su concentración es alta. Los procesos musculares que requieren ATP son el ciclo de los puentes cruzados, el bombeo de calcio al retículo (Ca 2+ -ATPasa) y el restablecimiento de sodio y potasio entre compartimentos Fatiga Incluso el ejercicio intenso utiliza solo el 30% del ATP de una fibra muscular. La fatiga debe provenir de otros cambios durante el ejercicio y no de falta auténtica de ATP. Además, distinguimos 2 tipos de cansancio. El cansancio central es la sensación subjetiva de cansancio y el deseo de cesar la actividad. Normalmente precede al fisiológico y es un sentimiento protector. El cansancio periférico es el verdadero, por una falta en la disponibilidad de ACh en la neurona motora. Por tanto, el potencial de placa no alcanza el umbral. En ejercicios de larga duración, la disminución del glucógeno produce fatiga (teorías de depleción). En esfuerzos máximos de corta duración, es la acumulación de Pi lo que impide la liberación de nuevo Pi tras la lisis del ATP en la miosina, o altera la disponibilidad de calcio desde el retículo. El potasio acumulado en los túbulos T altera el potencial de membrana Tipos de fibras musculares Las fibras rojas son aquellas de menor tamaño, pero con mayor aporte de oxígeno (la mioglobina les da el tono rojizo). Son más resistentes y más lentas. = slow-twitch oxidative muscle fibers. Las fibras blancas son aquellas de mayor diámetro, color más páido. Son menos resistentes y más rápidas = fast-twitch glycolitic muscle fibers. La velocidad de contracción depende de la isoforma de la miosina ATPasa. La contracción en fibras tipo II es 10 veces más rápida (7,5 mseg) que en tipo I. La resistencia a la fatiga viene dada por la presencia de mioglobina, que transporta oxígeno a la fibra Relación longitud-tensión La tensión desarrollada durante la contracción depende directamente de la longitud de los sarcómeros individuales antes de comenzar la contracción. La longitud del sarcómero depende del grado de superposición entre los filamentos gruesos-delgados. La longitud del reposo normal de los músculos esqueléticos suele ser cercana a la longitud óptima, que es aquella a la cual el músculo genera la tensión más efectiva. FISIOLOGÍA 3

4 2.9. Sumación de contracciones Un potencial de acción muscular típico dura entre 1 y 3 ms, mientras que la contracción muscular dura unos 100 ms. Si el intervalo entre los PA se acorta, la contracción es mayor. Por tanto, la fuerza generada por la contracción de una fibra aumenta a medida que aumenta la frecuencia de PA. El tetanos es la tensión máxima que puede alcanzar un músculo. La curva fuerza-velocidad nos muestra la velocidad con la que se contrae un músculo, la cual depende de: Tipo de fibra (rápida o lenta). Carga que se está moviendo. Cantidad de unidades motoras reclutadas. Tipo de palanca ejercida por huesos y articulaciones Unidad motora-reclutamiento La unidad motora engloba una neurona motora somática y todas las fibras que inerva. Puede haber desde 3 a miles de fibras por unidad motora, y todas ellas se contraen a la vez. La fuerza de contracción en un músculo esquelético se puede aumentar reclutando unidades motoras adicionales. Los músculos con unidades motoras pequeñas consiguen graduaciones finas del movimiento. El reclutamiento sigue un orden: las primeras neuronas en activarse son las de umbral bajo que controlan fibras lentas resistentes al cansancio. Las contracciones máximas implican fibras rápidas que se fatigan pronto. Este es asincrónico cuando las unidades motoras mantienen una contracción submáxima. Todas las fibras de una unidad motora son del mismo tipo, determinado por la neurona motora por factores de crecimiento. La composición de fibras del músculo está sujeta a la herencia genética. Además, el entrenamiento de resistencia aumenta la capacidad aeróbica de fibras de contracción rápida, así como la vascularización y el número de miofibrillas/fibra Trastornos del músculo esquelético Los orígenes de estos problemas suelen yacer en disfunciones de la señal del SN, mala comunicación neuromuscular o defectos en el músculo. Distinguimos varios trastornos: 1) Calambre muscular Contracción dolorosa sostenida del músculo esquelético por hiperexcitabilidad de las neuronas motoras somáticas que controlan el músculo. El estiramiento envía información sensitiva al SNC que inhibe la neurona motora somática, aliviando el calambre. 2) Traumatismo muscular: el ejercicio excesivo produce un desgarro de las fibras, la vaina de tejido conectivo o la unión del músculo y el tendón. 3) Atrofia muscular Puede ocurrir por inactividad prolongada, disminuyendo el tamaño de las fibras y de la vascularización (recuperable si no dura más de 1 año). También, por disfunción de la neurona motora, paliándolo con estimulación eléctrica al músculo. 4) Infecciones y tóxicos: la gripe produce debilidad y dolor muscular. Además, la toxina botulínica inhibe la liberación de ACh y se usa en calambres y disminución de arrugas. 5) Enfermedades hereditarias a. Distrofia muscular de Duchenne: la proteína estructural distrofina, que une la actina con las proteínas de la membrana celular, está ausente y conduce a la degradación de la fibra y muerte por asfixia. b. Enfermedad de McArdle: carencia de una enzima (fosforilasa muscular) que impide usar el glucógeno como fuente de energía. FISIOLOGÍA 4

5 3. Músculo liso Se localiza en las paredes de órganos y tubos huecos. En el hombre, en vasos, tubo gastrointestinal, tracto urinario, vías aéreas, útero y ojo. Sus células son fusiformes y pequeñas, con un núcleo único al contrario que las grandes fibras multinucleadas esqueléticas. El neurotransmisor es liberado de las varicosidades neuronales autónomas próximas a la superficie de las fibras. La unión neuromuscular carece de placas terminales motoras propias del músculo esquelético, el NT simplemente difunde. Puede ser unidad única o múltiple. Este músculo utiliza menos energía para generar una cantidad dada de fuerza que el músculo esquelético. Tiene un bajo consumo de oxígeno y es muy resistente a la fatiga Estructura Las fibras contráctiles lisas están dispuestas en haces oblicuos más que en sarcómeros paralelos. Una contracción tira de la membrana celular en muchas direcciones a la vez. El patrón de bandas no es definido como en el estriado. Actina y miosina forman haces largos que se unen a los cuerpos densos y acaban en las placas de fijación de la membrana celular. La línea continua de las cabezas de miosina permite que la actina se deslice más a lo largo de esta Contracción La contracción ocurre mucho más lentamente que en el músculo esquelético o cardíaco. El liso puede mantener su fuerza durante periodos prolongados (vejiga y esfínteres esofágico y vesical). Una célula lisa puede generar su tensión máxima con solo el 25-30% de sus puentes cruzados activos. En comparación con el músculo esquelético: los filamentos de actina y miosina son más largos en el músculo liso. Existen isoformas distintas de la miosina, con actividad mucho más lenta. El ciclo de los puentes cruzados es más lento, pero la fase de contracción es más prolongada. No hay troponina (TN). El canal de liberación de calcio es un receptor IP3. En el músculo liso hay menos retículo sarcoplásmico, por lo que el calco se almacena también en caveolas. El mecanismo de contracción tiene estos pasos: 1) La concentración de calcio citosólico aumenta al liberarlo del retículo. 2) El calcio se une a la calmodulina (CaM). 3) Esta unión activa a la MLCK (quinasa de cadenas ligeras de miosina). 4) MCLK fosforila las cabezas de miosina y aumenta la acción ATPasa de las mismas. 5) Se activan los puentes cruzados y la miosina se desliza sobre la actina = contracción. El mecanismo de relajación tiene estos pasos: 1) El calcio se bombea de nuevo al retículo y desciende su concentración citosólica. 2) El calcio se separa de la calmodulina (CaM). 3) La miosina fosfatasa retira el P de la miosina (engatillada), disminuyendo su actividad ATPasa. 4) Menos miosina = menos tensión muscular = relajación Potenciales de membrana Existen distintos tipos de procesos: Potenciales de onda lenta: PMRs inestables y escalonados, dan lugar a ciclos de contracción. Potenciales marcapasos: despolarizaciones regulares crean ritmos regulares de contracción. FISIOLOGÍA 5

6 Acoplamiento farmacomecánico: señales químicas que producen contracción del músculo liso sin cambios en el potencial de membrana. La fase de despolarización se debe a la entrada de calcio más que al sodio. La repolarización es similar a la de las neuronas y el músculo esquelético, y se debe a la apertura de los canales de potasio Regulación de la contracción Además de por despolarización, la contracción del músculo liso está controlada por múltiples hormonas, sustancias paracrinas, NT y estiramiento mecánico. Estos factores regulan el calco actuando sobre canales dependientes de ligando, concentración o mecánicos; o receptores de membrana (acoplados a PKC-IP3). Puede haber inhibición o estimulación. Los neurotransmisores autónomos son aquellos que tienen distintas acciones según el receptor presente en el tejido. No solo ACh y noradrenalina tienen efectos, sino otros muchos NT. A diferencia del músculo esquelético, hormonas y sustancias paracrinas controlan al músculo liso. El asma se produce por liberación de histamina en las vías aéreas, produciendo vasoconstricción. El óxido nítrico relaja el músculo liso y regula el diámetro de los vasos sanguíneos. 4. Músculo cardíaco Comparte características con el liso y el esquelético. Son fibras estriadas y tienen una estructura de sarcómero. Son más cortas que las esqueléticas, ramificadas, y con un único núcleo. Están acopladas eléctricamente entre sí, como las del liso, mediante discos internodales/intercalares. Puede generar potenciales marcapasos y está bajo control simpático, parasimpático y hormonal Acoplamiento excitación-contracción El mecanismo de contracción tiene los siguientes pasos: 1) Llega el PA desde la célula adyacente. 2) Entra calcio al interior a través de canales sensibles a voltaje. 3) Sale calcio inducido por el propio calcio del retículo sarcoplásmico (RyR). 4) Aumenta la concentración de calcio citosólica. 5) Se une el calcio a la troponina (TN) y comienza la contracción. El mecanismo de relajación tiene los siguientes pasos: 1) El calcio se separa de la troponina (TN). 2) Regresa el calcio al retículo a través de Ca 2+ -ATPasas (SERCA). 3) En la membrana, sale calcio por el intercambiador Na + /Ca +. 4) La bomba Na+/K+ ATPasa mantiene las concentraciones de sodio. 5) Se une el calcio a la troponina (TN) y comienza la contracción. FISIOLOGÍA 6