3 Contracción

del músculo esquelético

GoNZALO CosTA BUITRAGO

Introducción. Organización funcional del músculo esquelético. Meca­nismo de la contracción muscular. Control de la actividad muscular. Fuentes de energia para la contracción. Tipos de fibras musculares.

INTRODUCCION

En los mamíferos, los músculos comprenden conjuntos de células altamente especializadas que transforman energía química en mecánica como respuesta a acontecimientos excitadores que ocurren en la membrana celular. Esta ca­racterística básica determina que los músculos se contraigan generando tensión y producien­do movimiento, lo que permite al animal reali­zar actividades tan opuestas como estar para­do o correr, así como sustentar la función de los diferentes sistemas orgánicos.

En los animales domésticos existen dos tipos de músculo: estriado y liso. El músculo estria­do recibe su nombre de la presencia en sus células de bandas o estriaciones transversales visibles a l microscopio. Se encuentra, bien in­sertándose a través de tendones en las estruc­turas óseas, músculo esquelético, o bien for­mando parte del corazón, músculo cardíaco. El músculo liso no presenta estriaciones, y forma parte de la pared de muchos órganos y de los vasos sanguíneos.

En el presente tema se estudia el fenómeno contráctil que lleva a la producción de fuerza en el músculo esquelético. El músculo esquelé­tico está inervado por motoneuronas que esta­blecen conexiones con él a través de uniones neuromuscula res, lo que permite su control

por el sistema nervioso central. La contracción del músculo esquelético es un proceso comple­jo que se inicia con la producción de un poten­cial de acción en la motoneurona, que determina la liberación de un neurotransmisor, acetilcoli­na, en la unión neuromuscular. La acetilcolina, a su vez, provoca un potencial de acción en la fibra muscular que es, en último término, el determinante de la contracción.

ORGANIZACION FUNCIONAL DEL MUSCULO ESOUELETICO

El músculo esquelético se organiza como un conjunto que agrupa a un número variable de células ( 100-1 O 000) denominadas fibras muscu­lares (10-100 11m de diámetro), las cuales se extienden a lo largo del músculo desde un ten­dón a otro (fig. 3-1 }. Las fibras musculares son multinucleadas, ya que cada una de ellas pro­viene de la unión de varias células más peque­ñas, denominadas mioblastos, que cuando se alinean y fusionan mantienen sus núcleos en la fibra adulta. Cada fibra muscular está formada por haces filamentosos, que la recorren en toda su longitud, denominados mioflbrillas (1 11m de diámetro). Las miofibrillas contienen los ele­mentos esenciales para la actividad contráctil del músculo, los filamentos contráctiles. Los fi-

41

42 Fisiología veterinaria

a) Músculo

~ ......

b) Fascículo

línea . ___ _ banda z banda banda-.. ___ _

Ó) JJ) )1J)i) 'l ti í

línea M _ .. -·--} .1>--. _ d) Miofibrílla _ ... / Sarcómero ·-.. ___ _

3./ 1 lllf,E S::~~~,: ~ i ~---<. : ~ - : ·:>.::. : . . z

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f)

Cadenas ligeras

MML S-2 ~----~

MMP m) Molécula de m iosina

n Miosina en el filamento grueso

Puente de

k) Filamento grueso

Tropomiosina

J) Filamento fino

Figura 3-1. Representación esquemática de un músculo esquelético. a) Músculo. b) Fascículo, haz de libras musculares del músculo. e) Fibra muscular esquelética. d) Miolibrilla con su patrón de estriaciones. e) Sarcómero mostrando la distribución de los lilamentos linos y gruesos. fi) Secciones transversales que muestran el patrón hexagonal de distribución de los filamentos en diferentes lugares del sareómero.j) Filamento lino con sus componentes proteicos: actina (proteína contráctil) y tropomiosina y troponina (proteínas regula­doras). k) Filamento grueso con la disposición helicoidal de los puentes de unión. /) Disposición de la molécula de miosina en el filamento grueso. m) Estructura de la molécula de miosina mostrando las cadenas ligeras asociadas de dos en dos con el extremo globular de cada una de las cadenas pesadas. También se señalan las meromiosinas pesada (MMP) y ligera (MML), obtenidas por la acción de la tripsina, así como las fracciones S-I y S-2 que integran la meromiosina pesada (Modificado de Bloom, W.; Fawcett, D. W. «A Texbook of

Histology», IO'h cd., W. B. Saunders Co., Philadelphia, 1975).

lamentos son de dos tipos: gruesos (10-13 nm de diámetro y 1,6 ttm de longitud) y finos (5-7 nm de diámetro y 11-1m de longitud). A lo largo de las miofibrillas, orientadas transversalmente y a in tervalos regulares (2-2,5 ttm), se encuen­tran unas formaciones reticulares de natu rale­za proteica, discos Z, que están integradas por e<-actinina. Cuando estos discos se observan lateralmente, aparecen como líneas estrechas, densas y en zig-zag, denominadas líneas Z. La separación entre dos líneas Z consecutivas

constituye la unidad funcional contráctil del músculo, el sarcómero. Así mismo, existen tam­bién unos filamentos intermedios que conectan los discos Z de las miofibrillas adyacentes den­tro de las fibras musculares.

Los fi lamentos finos se unen a ambos lados de la línea Z y, colocados entre ellos, se sitúan Jos filamentos gruesos, ocupando la zona cen­tral del sarcómero. Esta disposición determina que el espacio ocupado exclusivamente por los fi lamentos finos a los lados de la línea Z apa-

rezca como una zona clara (isotrópica a la luz polarizada) llamada banda f . El sarcómero pre­senta también una zona oscura, anisotrópica a la luz polarizada, que abarca la longitud de los filamentos gruesos y que está integrada por éstos y por los extremos de los filamentos fi­nos. Esta zona, banda A, presenta una parte central más clara, zona H, que contiene la por­ción de los fi lamentos gruesos que no se sola­pan con los finos. En el centro del sarcómero aparece una línea más densa, línea M, que co­rresponde a la zona de unión de los filamentos gruesos a través de una proteína estructural denominada miomesina. La alternancia de ban­das claras y oscuras otorga el aspecto estriado al músculo esquelético. La regularidad estruc­tural del sarcómero en los vertebrados es muy grande. Una sección transversal de la zona donde los filamentos gruesos y finos se solapan muestra cómo los filamentos se disponen en una red hexagonal, de manera que cada fila­mento fino está rodeado por tres gruesos y cada filamento grueso por seis finos (fig. 3-1).

Características de los filamentos contráctiles

Los filamentos que integran las miofibri llas son los elementos decisivos en la contracción muscular, ya que poseen las proteínas funda­mentales (actina y miosina) para el desarrollo de este proceso (fig. 3-1). Los fi lamentos grue­sos están integrados mayoritariamente por miosina (200 moléculas por filamento). Además de ésta, existen otras proteínas, como la conec­tina, que une el filamento grueso a la línea Z colaborando de esta forma al mantenimiento de una disposición ordenada de los filamentos, y la proteína C, cuya función no está clarifica­da. La miosina representa el 44 por 100 del componente proteico total de la miofibrilla. Es una proteína compleja (480 000 de peso mole­cular) formada por seis cadenas polipeptídicas: dos cadenas pesadas y cuatro cadenas ligeras. Cada cadena pesada presenta una estructura e~-helicoidal que termina en un extremo globu­lar. Las dos cadenas pesadas se entrelazan for­mando una espiral en uno de cuyos extremos, proyectándose lateralmente, se encuentra la doble cabeza globular. Las cadenas ligeras se asocian de dos en dos con el extremo globular de cada cadena pesada (fig. 3-1 ). Cuando la molécula de miosina es sometida a la acción de la enzima proteolítica tripsina , se obtienen la

Contracción del músculo esquelético 43

meromiosina ligera, que representa a la cola de la molécula, y la meromiosina pesada, que co­rresponde a la doble cabeza y a la zona de unión de ésta con la cola de la molécula. La acción de la enzima papaína sobre la meromio­sina pesada permite obtener dos productos: S-1 y S-2. La fracción S-1 corresponde a la doble cabeza y la S-2 a la zona de unión con la cola (fig. 3-1). La miosina tiene gran capacidad de hidrólisis del adenosintrifosfato (ATP), produ­ciendo energía (actividad ATP-asa), y una gran afinidad por la actina (consti tuyente de los fi la­mentos finos). Estas características residen en la doble cabeza (fracción S-1) de la miosina.

Las moléculas de miosina se polimerizan de una manera muy específica en el citoplasma para formar el filamento grueso. Las moléculas se orientan en direcciones opuestas, - orienta­ción bipolar- , uniéndose, a través de sus colas (porción de la meromiosina ligera), mientras que las zonas que engloban a la doble cabeza y a la unión con la cola se proyectan lateralmen­te. El resultado fmal es un filamento (grueso) con una serie de prominencias laterales y una zona central desnuda que carece de ellas. Las prominencias laterales tienen la capacidad de articularse y se denominan puentes de unión, ya que a través de ellos los filamentos gruesos se unen a los filamentos finos. Los puentes de unión se disponen helicoidalmente proyectán­dose hacia los seis filamentos finos que rodean cada filamento grueso (fig. 3-1).

Los filamentos finos están integrados por una proteína contráctil, actina, y dos proteínas reguladoras, tropomiosina y troponina (fig. 3-1 ). La actina que forma parte de los filamentos finos, actina F (actina filamentosa), es una pro­teína dispuesta en una doble cadena enrollada helicoidalmente de 1 11m de longitud. Se origi­na por la polimerización en el citoplasma de monómeros de actina G (actina globular), los cuales se disponen de tal manera que cada banda de la hélice integra a catorce monóme­ros. Cada monómero de actina G presenta un lugar de unión activo a través del cual los puentes de unión de los filamentos gruesos in­teractúan con los fi lamentos finos. La actina se caracteriza por unirse estrechamente a la mio­sina. La tropomiosina es una proteína alarga­da (40 nm de longitud) que está formada por dos cadenas polipeptídicas de estructura e~-he­licoidal enrolladas entre sí. En el filamento fino, la tropomiosina se coloca a lo largo del surco que forman las cadenas que integran la actina F, extendiéndose el espacio comprendí-

44 Fisiología veterinaria

do por siete monómeros de actina G. Cuando el músculo está en reposo, la disposición de la tropomiosina en el fi lamento fino impide la interacción de la actina y la miosina. La tropo­nina es una proteína globular que está integra­da por tres subunidades: T, C, e I. La molécula de troponina se sitúa sobre la de tropomiosina, uniéndose a ésta a través de la subunidad T. La troponina C, colocada entre las subunida­des T e I, tiene la capacidad de unirse con el calcio, de tal manera que puede captar cuatro iones, aunque dos de los lugares de unión pue­den ser también ocupados por el magnesio (que en esos lugares compite con el calcio). La troponina I (troponina inhibitoria) actúa en reposo inhibiendo la unión de la actina con los puentes de unión de la miosina, debido a que impide a la tropomiosina dejar libres los luga­res de unión de la actina.

MECANISMO DE LA CONTRACCION MUSCULAR

El mecanismo que subyace en el fenómeno de la contracción muscular constituye uno de los aspectos más atrayentes de la fisio logía y, por ello, está sujeto a diversas teorías que han pretendido explicarlo a lo largo del tiempo. En los últimos años se ha mantenido que la con­tracción muscular es el resultado de la interac­ción molecular que se produce entre las proteí­nas (actina y miosina) que forman los fi lamentos contráctiles, lo que lleva a un deslizamiento de los filamentos finos sobre los filamento grue­sos. La disposición de los filamentos finos, an­clados en las líneas Z, determina que su desli­zamiento se produzca hacia el centro del sa rcómero, aproximando las líneas Z y acor­tando la longitud sarcomérica (aproximada­mente 1 ¡tm) (fig. 3-2). Como cada miofibrilla está formada por numerosos sarcómeros, el re­sultado final de la contracción es el acorta­miento de las núofibrillas, la fibra muscular y el músculo.

El deslizamiento de unos filamentos sobre otros no modifica su longitud (fig. 3-2). C uan­do se produce la contracción, la banda A se mantiene constante mientras que las bandas 1 y H se estrechan, lo que indica que sólo se incrementa el grado de solapamiento entre los fi lamentos permaneciendo constante su longi­tud. El deslizamiento de los filamentos explica el acortamiento del sarcómero, pero ¿cómo se deslizan los filamentos? El movimiento de los

a)

1 A

z z

- -- -- -- -

b) 1 A

z z

- -- -- -- -

Figura 3-2. Ordenación de los filamentos gruesos y finos en el sarcómcro relajado a) y contraído b). La longitud de los filamentos no varía en ambas situacio­nes. Obsérvese el acortamiento de las bandas H e l.

filamentos finos hacia el centro del sarcómero se debe a q ue, entre las cabezas de los puentes de unión de la miosina (fracción S-1 de la me­ro miosina pesada) y la actina, se forman y se destruyen, de manera repetida, unas uniones denominadas enlaces cruzados. La cabeza de un puente de unión, una vez adosada a la actina, sufre un cambio de conformación (gira 45°) que empuja al filamento fino hacia el cen­tro del sarcómero. A continuación, el enlace cruzado se rompe, la cabeza recupera su confi­guración primaria, vuelve a unirse con la acti ­na en otro punto más a lejado de ella, y sufre un nuevo cambio de conformación empujan­do de nuevo al filamento fino más hacia el centro.

La energía para este proceso se obtiene de la hidrólisis del ATP (fig. 3-3a). El ATP se adhie­re a la doble cabeza, la cual, debido a su gran actividad A TP-asa, lo hidro liza en adenosindi­fosfato (ADP) y fósforo inorgánico (P;) (fig. 3-3b). El ADP y el P; permanecen unidos a la cabeza. La hidrólisis del ATP suministra ener­gía a la miosina transformándola en miosina «activada». En esta situación, la cabeza de la miosina se une perpendicularmente (90°) con la actina (fig. 3-3b). Como consecuencia de la

unión, la miosina sufre un cambio de confor­mación que se traduce en un giro de la cabeza (aproximadamente 45°), el cual crea un impul­so mecánico que tira del filamento de actina llevándolo hacia el centro del sarcómero, gene­rando una tensión o fuerza (fig. 3-3c). La ener­gía que produce el impulso es la que se encon­t raba almacenada en la cabeza, proveniente de la hidrólisis del ATP, y que como consecuencia de la unió n con la actina se libera. Así mismo, la unió n de la actina con la miosina produce la liberación del ADP y del P¡, que permanecían unidos a la cabeza de la miosina, permitiendo que una nueva molécula de ATP se adhiera a la cabeza (fig. 3-3d). La unión de ATP produce la rotura del enlace, separándose la acti na de la miosina y transformándose esta última en miosina «desactivada» (fig. 3-3e). Esta separa­ción permite que el ATP unido a la cabeza sea de nuevo hidrolizado, con lo cual la miosina

a) Lugares de unión z

Filamento f ino ___ /_1_\_'\-+------! (act ina)

Cabeza de miosina

(S-1)

Filamento grueso,-----'-----. (miosina)

e)

e)

Contracción del músculo esquelético 45

vuelve a «activarse» y a esta r dispuesta para unirse de nuevo a otro lugar de la actina más alejado del anterior, de este modo el ciclo vuelve a comenzar y el fi lamento fino es des­plazado nuevamente hacia el centro del sarcó­mero. La fuerza o tensión que desarrolla el músculo va a estar relacionada con el número de enlaces que se forman entre la actina y la miosina.

En este esquema, el ATP desempeña un pa­pel crucial ya que, por un lado, con su disocia­ción proporciona la energía para el movimien­to del fi lamento fino y, por otro lado, provoca la ruptura de la unión actina-miosina. Ello de­termina q ue cuando el nivel de ATP en la célula desciende por debajo de un límite (muerte del animal), los enlaces cruzados se transforman en permanentes (hasta la autóli­sis) apareciendo la rigidez cadavérica o «rigor mortis>>.

b)

d)

ADP P,

Figura 3-3. Esq uema del mecanismo de deslizamiento de los filamentos finos sobre los gruesos, mostrando la formación y disolució n de los enlaces de unión entre la cabeza de la miosina y la actina.

46 Fisiología veterinaria

Regulación del mecanismo contráctJI

De lo expuesto anteriormente se desprende que la interacción de la actina y la miosina, es decir, el mecanismo de deslizamiento, se puede realizar siempre que haya ATP. Ahora bien, existe un control del mecanismo de desliza­miento que va a determinar su puesta en mar­cha únicamente cuando hay una demanda de contracción al músculo, ya que de lo contrario, la formación y disolución de enlaces cruzados entre actina y miosina sería continua. La llave controladora del mecanismo de deslizamiento es la concentración de calcio en el líquido in­tracelular. El incremento de la concentración de calcio hasta 10 11M o más determina el inicio y posterior desarrollo del mecanismo de deslizamiento. Por el contrario, la disminución de la concentración hasta 0,1 ¡tM provoca el cese de la interacción de la actina y la miosina, lo que lleva a la fibra muscular a su estado de reposo. El papel regulador del calcio se pone de manifiesto gracias a la capacidad que tiene este ion para activar un mecanismo molecular que, sin su presencia, impide la interacción de la actina y la miosina. El mecanismo que inhi­be la interacción de los filamentos está repre­sentado por las proteínas reguladoras tropo­miosina y troponina. Cuando los niveles de calcio intracelular son bajos (0,1 ¡.¿M) - la fibra está relajada-, la tropomiosina se coloca en el filamento fino de tal manera que bloquea los lugares de unión que tiene la actina, por lo que las cabezas de los puentes de unión de la mio­sina no pueden interactuar con ellos (fig. 3-4).

Lugar de/ unión

n Cabe~ade "m1osma

-Ca''

+Ca'·

En esta labor de bloqueo, la t ropomiosina es <<ayudada» por la troponina, la cual se dispone de tal forma que, a través de su fracción inhibi­toria (troponina 1), obliga a aquélla a mante­nerse sobre los lugares de unión de la actina. Cuando el calcio intracelular aumenta, los iones cálcicos se unen a la troponina C (fracción de la troponina unida al calcio). Esta unión determina un cambio de conformación en la molécula de la troponina de tal forma que deja de actuar sobre la tropomiosina, la cual se desli­za hacia el fondo del surco que fo rman las dos cadenas de polímeros de actina G, con lo que quedan al descubierto los lugares de unión de ésta; de este modo los puentes de unión de la miosina pueden unirse a ellos provocando el movimiento de los filamentos (fig. 3-4).

En el músculo esquelético, el calcio que par­ticipa en el proceso contráctil proviene de un depósito intracelular denominado retículo sar­coplasmático, que se halla dispuesto como una red tubular membranosa rodeando cada sarcó­mero y cada miofibrilla, orientada longitudi­nalmente, y que en sus extremos presenta unas dilataciones en forma de saco, las cisternas ter­minales (fig. 3-5). El retículo sarcoplasmático almacena calcio en una concentración incluso 10 000 veces mayor que la del citoplasma. La mayor parte del calcio almacenado está débil­mente unido a la proteína calsecuestrina, que tiene la capacidad de unir 40 iones de calcio por molécula. La importancia funcional del re­tículo sarcoplasmático radica en que suminis­tra el calcio para la contracción (a través de canales de calcio de su membrana) y, cuando

Figura 3-4. Efecto de los iones de calcio en la interacción actina-miosina. La unión del calcio a la troponina C (TnC) modifica la disposición de la tropomiosina (Tm) sobre el filamento fino, permitiendo la unión de la

cabeza de la miosina con la actina (A). TnT, troponina T; TnJ, troponina inhibitoria.

ésta cesa, lo capta de nuevo a su interior. La la bor de recaptación del ion la realiza gracias a que posee una bomba de calcio en su membra­na que captura y transfiere al interior iones de calcio. La energía para su funcionamiento se la proporciona el A TP, del tal manera que la hidrólisis de una molécula de ATP sirve para transportar dos iones de calcio al interior. El importante papel del retículo sarcoplasmático como suministrador de calcio para la contrac­ción se pone de manifiesto por el hecho de que una fibra muscula r esquelética sumergida en una solución carente de ion puede contraerse varias veces, lo que indica que la fuente de calcio activador no proviene del espacio extra­celular de la fibra, sino de los depósitos intra­celulares, fundamentalmente del retículo sarco­plasmático.

El determinante fundamental de la libera­ción de calcio por el retículo sarcoplasmático lo constituye la génesis de un potencial de ac­ción en la fi bra muscular. El potencial de ac­ción del músculo tiene características similares al del nervio, a unque su duración (2-10 ms) y velocidad de conducción (2-5 m/s) son mayo­res que en las fibras nerviosas. Este potencial

A

Contracción del músculo esquelético 47

es el último eslabón en una cadena de aconte­cimientos eléctricos que se inician con la crea­ción de un potencial en la motoneurona que inerva la fibra muscular. La llegada del poten­cial de acción nervioso a la unión neuromuscu­lar provoca la liberación de acetilcolina, la cual a su vez origina un potencial de acción en la fibra muscular que induce la liberación de calcio del retículo sarcoplasmático, desenca­denándose el fenómeno contráctil. El sarcole­ma de la fibra muscular está relativamente alejado de las miofi brillas y por ello su despo­larización no es suficiente para provocar la contracción. ¿Cómo llega el potencial de ac­ción generado en el sarcolema a la profundi­dad de la fibra muscular? La respuesta está en unas invaginaciones estrechas del sarcolema denominadas túbulos transversos o tubos T, que en su conjunto forman el sistema tubular trans­verso (fig. 3-5). Los tubos T se proyectan desde el sarcolema al interior de la fi bra formando redes a través del citoplasma, de tal forma que rodean a las miofibrillas. En el músculo esque­lético de los mamíferos cada sarcómero contie­ne dos redes de tubos T situados cerca de los dos extremos de los filamentos de miosina. Los

Figura 3-5. Esquema de una fibra muscular esquelética de mamífero. (1) miofibrillas; (2) retículo sarcoplasmá­tico con sus cisternas terminales (3) rodeando cada miofibrilla; (4) tubos T situados entre las bandas A e I y formando, con la cisternas terminales del retículo sarcoplasmático, la tríada. (Modificado de Krstic, R. V.

<<Ultrastructure of The Mammalian Cell». Springer-Verlag, 1979).

48 Fisiología veterinaria

tubos T conducen el potencial de acción desde el sarcolema hacia el interior de la fibra ya que su luz es una cont inuación del espacio extrace­lular, y de esta forma la despolarización puede viajar alrededor de cada sarcómero. En el inte­rior de la fibra, los tubos T están en contacto cercano con el retículo sarcoplasmático a tra­vés de las cisternas terminales, las cuales se sitúan a ambos lados del tubo T constituyendo la tríada. A lo largo de la zona de contacto, las cisternas terminales emiten proyecciones o pies que aproximan todavía más ambas estructu­ras. Esta disposición determina que los aconte­cimientos eléctricos del tubo T sean los contro­ladores de los movimientos de calcio del retículo sarcoplasmático. Así pues, la despola­rización de la membrana del tubo T inicia la liberación de calcio y la repolarización la de­tiene. No obstante, el mecanismo exacto por el que el potencial de acción en los tubos T con­trola la liberación de calcio del retículo sarco­plasmático, acoplamiento electromecánico, per­manece sin acla ra r. Se han propuesto algunas hipótesis para explicarlo. En un principio se pensó que la liberación de calcio reticular esta­ba provocada por iones de calcio que entraban en la fibra a través de los tubos T como conse­cuencia de su despolarización, mecanismo de liberación de calcio inducido por calcio. Sin em­bargo, el hecho de que la fibra muscular esque­lética pueda contraerse en una solución caren­te de calcio, una situación en la que no hay ninguna entrada de calcio desde el exterior, dificulta la adscripción de este mecanismo a l músculo esquelético. La existencia de uniones estrechas, pies, entre las cisternas del retículo sarcoplasmático y los tubos T ha llevado a pensar en un acoplamiento eléctrico entre am­bos, de tal manera que la despolarización de la membrana del tubo se transmitiría a la cister­na reticular para desde allí extenderse al resto de la membrana del retículo sarcoplasmático y así abrir los canales de calcio allí existentes. Se ha planteado también la existencia de una ma­cromolécula en la membrana tubular que ac­tuando como un «sensor de voltaje» controla­ría la apertura y cierre del canal de liberación de calcio, bien a través de una unión con un pie de la cisterna, o bien mediante mensajeros químicos. Ahora bien, cualquiera que sea el mecanismo que acopla la despolarización tu­bular con la liberación de calcio reticular, en­tre embas estructuras tiene que <<pasar>> un mensaje q ue induzca al retículo sarcoplasmáti­co a liberar calcio. Como mensajero se ha pro-

puesto a l inositol 1,4,5-trifosfato (TP 3) formado en la membrana del tubo T por acción enzimá­tica. Sin embargo, su papel de mediador en la liberación de calcio es improbable, ya que su formación requiere más tiempo que el que pre­cisa el acoplamiento entre la despolarización y la liberación de calcio por el retículo sarco­plasmático.

La repolarización de la fibra trae consigo el cese de la contracción y la recaptación de los iones de calcio participantes por el retículo sar­coplasmático, debido a la actividad de la bom­ba de calcio de su membrana. El mantenimien­to de los niveles basales de calcio intracelular en estado de reposo (0,1 ¡.¡M) se debe a la bomba de calcio y al intercambiador Na + -Ca 2 + del sarcolema de la fibra muscular, que actúan bombeando calcio al exterior en contra de su gradiente de concentración. De esta forma, el sistema de almacenamiento reticular controla la distribución de calcio dent ro de la fibra, mientras que el contenido celular de calcio es regulado por los sistemas situados en el sarco­lema que determinan los niveles homeostáticos celulares del ion.

CONTROL DE LA ACTIVIDAD MUSCULAR

La función primaria de los músculos esque­léticos es la de contraerse, permitiendo a los animales realizar act ividades tan opuestas como moverse o permanecer quietos. Esta di­versidad requiere que la contracción pueda realizarse a diferente velocidad o nivel de fuer­za, en períodos cortos o largos, pero siempre con una precisión muy grande. Los músculos esqueléticos son entidades muy especia lizadas que están controladas por señales nerviosas hacia y desde el sistema nervioso central.

Los músculos esqueléticos están inervados por motoneuronas cuyos cuerpos celulares se encuentran localizados en la médula espinal, de tal manera que cada una de ellas establece contacto con varias fibras musculares, a través de uniones neuromusculares situadas en el cen­tro de cada fibra muscula r. El número de fi­bras musculares que son incrvadas por una sola motoneurona varia de un músculo a otro. El conjunto que fo rma la motoneurona con las fibras musculares inervadas por ella se deno­mina unidad motora. La activación de una mo­toneurona produce un potencial de acción que se propaga por el axón y sus ramas hasta lle­gar a las uniones neuromusculares en las fi-

bras. La transmisión neuromuscular despola ri­za el sarcolema e inicia un potencial de acción que se propaga en ambas direcciones por cada una de las fi bras q ue constituyen la unidad motora, provocando, tras un período de laten­cia de 2-3 ms, la contracción de las fibras mus­culares inervadas (fig. 3-6). A cada potencial de acción que se produce en la motoneurona co­rresponde única y exclusivamente un potencial de acción en la fibra muscular. Así pues, todas las fibras musculares que corresponden a una unidad motora se contraen simultáneamente.

El sistema nervioso central controla la fuer­za total del músculo por dos mecanismos: (1} modificando el número total de unidades mo­toras, y (2) incrementando el número (frecuen­cia) de potenciales de acción en una unidad motora. Un músculo esquelético está inervado por un número variable de motoneuronas, cada una de las cuales forma una unidad mo­tora con las fibras que inerva. Al incrementar el número de motoneuronas activas, el número de unidades motoras aumenta en la misma proporción, lo que determina una mayor ten­sión en el músculo. Ello se debe a que la ten­sión originada por la activación individual de una unidad motora se suma a la tensión crea­da por las otras unidades, produciendo la ten­sión fi nal muscular. Este reclutamiento de uni­dades motoras presenta características derivadas de la actividad para la cual se de­manda un aumento de tensión. En acciones que implican locomoción o levantamiento de

m V

Potencial de acción muscular

e: f'C_ontracción muscular ·o ·¡¡; e: ~

Tiempo

Figura 3-6. Desarrollo temporal del potencial de acción muscular y la contracción en el músculo es­

quelético.

Contracción del músculo esquelético 49

cargas, el reclutamiento se produce en función del tamaño (número de fibras inervadas) de las unidades motoras, siendo las más pequeñas las primeras en activarse; de esta forma se asegura la graduación progresiva del incremento de tensión. Otra característica importante del me­canismo de reclutamiento se pone de manifies­to cuando se requiere el mantenimiento de una tensión muscular, por ejemplo, el sostenimien­to de la postu ra corporal. Ante esta situación se produce la activación asincrónica de las di­ferentes unidades motoras, alternándose de esta forma períodos de actividad con períodos silentes de las unidades, con Jo cual se mantie­ne una tensión relativamente elevada, pero suave, que evita la fatiga del músculo.

El control nervioso de la tensión muscular también se ejerce a través del incremento del número de potenciales de acción que se gene­ran en la motoneu rona q ue forma la unidad motora, con Jo cual aumenta el número de potenciales de acción que se producen en las fibras musculares de la unidad (fig. 3-7). Ante un único potencial de acción en la motoneuro­na, la unidad motora responde con una sola contracción; si a continuación se produce otra despola rización, en un espacio de tiempo lo suficientemente grande, la respuesta contráctil consiguiente es similar a la p rimera. Sin em­bargo, cuando aumenta la frecuencia de des­carga de potenciales de acción (incremento del número de potenciales en la unidad de tiem­po), las respuestas contráctiles se suman, pro­duciéndose una contracción de mayor intensi­dad que la producida por una despolarización aislada. Cuanto mayor sea la frecuencia, ma­yor será la tensión producida, hasta alcanzar una respuesta máxima en la que no se puede desarrollar mayor tensión (fig. 3-7). A este esta­do, resultante de la sumación de las contraccio­nes, se le denomina tétanos, contracción tetánica o tetanización. Este efecto contráctil sumatorio se debe a la imposibilidad del retículo sarco­plasmático para recaptar el calcio liberado por la llegada continua de potenciales de acción, con lo que se mantiene una elevada concentra­ción intracelular del ion que hace imposible la relajación hasta que cese la llegada de poten­ciales.

Tipos de contracciones musculares

La interacción de los fi lamentos produce una tensió n, q ue es la fuerza que desarrolla el

50 Fisiología veterinaria

e: -o ·¡¡; e: ~

Suma de dos res puestas contráctiles

Contracción

t Potencial de acción muscular

liempo ~

Dos potenciales de acc ión muscular

\ \

Tétan~o __ _

t t t t t t t t t t t t --~-----------~-------------Serie de potenciales de acción muscular

a alta frecuencia

Figura 3-7. Respuesta contráctil a una serie de potenciales de acción en el músculo esquelético. A medida que aumenta la frecuencia de los potencia les de acción, la tensión aumenta hasta un nivel máximo o tétano. (Tomado de Matlhews, G . G. «Fisiología Celu la r del Nervio y el Músculo>>. lnteramericana/McGraw-Hill,

Madrid, 1989).

músculo activado y que tiende a acortarlo. Los músculos esqueléticos se encuentran anclados por sus extremos tendinosos a los huesos. Esta situación establece que a los músculos vaya ligada una carga que se opone a su acorta­miento. Cuando la carga es superior a la ten­sión que produce el músculo activado, éste no se puede acorta r, mient ras que cargas inferio­res a la tensión generada producen su acorta­miento, que será más rápido cuanto menor sea la carga . El músculo, cuando se activa, puede responder con dos tipos de contracción: isomé­trica e isotónica. La contracción isométrica se produce cuando la carga que se opone al músculo es tan grande que la tensión produci­da es incapaz de desplazarla. En esta situación, la longitud se mantiene constante a cualquier tensión producida por el músculo; de aquí el nombre de isométrica (igua l longitud) con el que se denomina a este tipo de contracción. La relación tensión-longitud del músculo se puede demostrar experimenta lmente (fig. 3-8a). Cuan­do un músculo se estira a diferentes longitudes, produce una tensión pasiva que se debe a los elementos elásticos, fundamentalmente el teji­do conectivo que rodea las fibras musculares, y a un componente intracelular representado por la conectina. Si el músculo es activado a diferentes longitudes, mediante estímulos libe­rados a una frecuencia tetánica, produce una tensión activa o isométrica que va a variar con la longitud que en cada momento posea el músculo. La tensión activa va a ser máxima

cuando la longitud del músculo sea simila r a la que éste tiene en reposo en el organismo. Ello se debe a que la estimulación a esa longitud produce la máxima interacción posible de los filamentos gruesos y los finos (número máximo de enlaces de unión) y, por tanto, la mayor tensión isométrica. A ambos lados del máximo la tensión es menor, bien porq ue la separación inicia l de los sarcómeros es tan grande que la estimulación no es capaz de desencadenar la formación del número máximo idóneo de enla­ces de un ión, o bien porque el grado de solapa­miento de los filamentos es tan grande que se producen colisiones mecánicas de los fi lamen­tos finos entre sí y de Jos gruesos con las líneas Z. La suma de la tensión activa y la pasiva determina la tensión total del músculo. La contracción isométrica se caracteriza porque d urante su desarro llo no se produce trabajo. En este sentido, si el trabajo muscula r es igual a la tensión por la distancia acortada, es evi­dente que en una contracción isométrica, en la que no se produce acortamiento, el trabajo será cero.

Cuando la tensión que produce el músculo al activarse es suficiente como para desplazar la carga que se le opone, el músculo se acorta y la contracción se denomina isotónica. En este caso, la tensión permanece constante una vez que se alcanza el nivel al cual desplaza la carga (de aquí el nombre de isotónica). La velocidad con la cual el músculo se acorta al desplazar la carga depende del tamaño de ésta (fig. 3-8b). Las

a)

e: -o ·¡¡; e: ~

b)

E e:

"' .E ~ o o ., "' "O "O .,

Tensión pasiva

Longitud

- Máxima velocidad

"O 'ü o Máxima tensión

~

Carga

Figura 3-8. a) Relación tensión-longit ud en el músculo esquelético. b) Relación entre la velocidad

de acortamiento muscular y la carga.

cargas grandes son desplazadas más lentamen­te que las pequeñas. La máxima velocidad se produce cuando la carga es cero. A medida que la carga aumenta, la velocidad de acorta­miento disminuye hasta que el músculo no puede acortarse. En ese momento, la contrac­ción se transforma en isométrica ya que a ese nivel de carga no existe desplazamiento. Las contracciones isotónicas se caracterizan porque siempre producen un trabajo, excepto cuando la carga que se opone al músculo es nula.

FUENTES DE ENERGIA PARA LA CONTRACCION

La energía primaria para la contracción proviene de la hidrólisis del ATP. Este nucleó­tido es así mismo el soporte energético básico en la recaptación de calcio por el retículo sar­coplasmático y en el funcionamiento de las bombas de Na+ y Ca2 + del sarcolema. A me­dida que se forman enlaces de unión entre la miosina y la actina, se origina un gasto mayor de moléculas de ATP, por lo que la fibra mus-

Contracción del músculo esquelético 51

cular tiene que mantener en todo momento el suministro del nucleótido para que pueda rea­lizar su función energética. De manera inme­diata, los niveles de ATP se mantienen por la transferencia enzimática de fosfato desde el fosfato de creatina al ADP lfosforilación direc­ta). El fosfato de creatina sirve así como una reserva de fosfato de alta energía disponible inmediatamente. A su vez, en períodos de re­poso, el A TP puede donar un fosfato a la crea­tina, con lo cual colabora al equilibrio de am­bos. Sin embargo, las reservas de A TP y de fosfato de creatina son limitadas, lo que deter­mina la actuación de otros mecanismos para su suministro. La fibra muscular, como otras muchas células, recurre a la glucólisis y al me­tabolismo oxidativo o fosfori/ación oxidativa como fuente generadora de A TP. La glucólisis es un mecanismo rápido de obtención de A TP, con la ventaja añadida de su producción en condiciones anaerobias, por lo cual es una vía importante en fibras rápidas en las que el su­ministro de oxígeno es bajo. El rendimiento de la glucólisis es pequeño ya que sólo produce dos moléculas de ATP por cada glucosa (tres si la glucosa proviene de la escisión del glucóge­no). En presencia de oxígeno el rendimiento se triplica; sin embargo, cuando el contenido de glucógeno de la fibra se agota, la vía deja de actuar. El metabolismo oxidativo es la fuente energética principal en aquellos músculos de actividad prolongada. Es un proceso lento, pero del cual la fibra muscular obtiene un gran rendimiento de moléculas de A TP a partir de sustratos alimenticios (36/glucosa). Cuando la actividad muscular es muy duradera, la mayor parte de la energía proviene de las grasas.

Producción de calor por el músculo

El músculo, como consecuencia de su activi­dad contráctil, no sólo transforma energía quí­mica en mecánica sino que también produce calor. Existe una producción de calor en el músculo en reposo, calor de mantenimiento, que es el reflejo externo de los procesos meta­bólicos basales. El proceso contráctil produce un incremento de calor por encima del calor de mantenimiento, denominado calor inicial, que es proporcional al trabajo realizado y re­fleja la suma del calor producido por la propia contracción, calor de activación, y el que origi­na el acortamiento del músculo, calor de acor­tamiento. Los procesos metabólicos que se re-

52 Fisiología veterinaria

quieren para devolver el músculo a su estado inicial generan calor por encima del valor ba­sal. A esta producción de calor, similar al calor inicial, se la denomina calor de recuperación. En músculos bajo condiciones isométricas, en los que no se produce un trabajo muscular medible, existe también una gran producción de calor que representa el 70-80 por 100 de la energía transformada, la cual se disipa de esta manera. El 20-30 por 100 restante es energía mecánica que se produce como consecuencia de la actividad cíclica de los enlaces de unión entre actina y miosina para el mantenimiento de la contracción isométrica.

TIPOS DE FIBRAS MUSCULARES

Los músculos esqueléticos están compuestos por tres tipos de fibras: tipo I, tipo llA y tipo liB. Las fibras de tipo I y IIB representan los dos extremos diferenciados en cuanto a sus características. La actividad ATP-asa es menor en el caso de las fibras de tipo l que en las de tipo IIB; de la misma forma, la miosina de ambos tipos presenta características inmunita­rias diferentes. Las fibras de tipo 1 emplean como fuente de ATP la fosforilación oxidativa, es decir, son muy dependientes del metabolis­mo aerobio, mientras que la de tipo IIB utili­zan fundamentalmente la vía de la glucólisis. Las fibras de tipo 1 también se denominan fibras lentas o rojas, debido a su moderada velocidad de acortamiento y a su riqueza en mioglobina. En el lado opuesto están las fibras de tipo IJB, denominadas rápidas o blancas. Morfológicamente las fibras de tipo l o lentas presentan un mayor contenido mitocondrial y un menor retículo sarcoplasmático que las fi­bras IIB o rápidas. Las fibras de tipo llA son, en cierto modo, intermedias ya que comparten características con los otros dos tipos. Las fi­bras IIA presentan, a l igual que las tipo 1, una gran capacidad para formar ATP a través del metabolismo oxidativo, así como un abundan­te aporte capilar y de mioglobina, mientras que con las de tipo IIB comparten su alto nivel de glucógeno y la elevada actividad ATP-asa de la miosina.

Las diferentes fibras muscula res se corres­ponden a su vez con otros tantos tipos de unidades motoras. Existen unidades motoras de tipo S o lentas, que están compuestas por fi bras de tipo I; unidades motoras de tipo FF, que son unidades rápidas pero fatigables, que

agrupan fibras musculares del tipo IIB; y, por último, existen unidades FR, que son rápidas y resistentes a la fatiga, que están formadas por fibras de tipo ITA. Del mismo modo que las unidades motoras presentan una uniformidad con relación a las fibras musculares que las integran, las motoneuronas que forman parte de las distintas unidades exihiben característi­cas diferentes. En general, el diámetro axónico, el número de colaterales que presentan los axones o el grado de arborización dendrítica es mayor en las motoneuronas de las unidades rápidas que en las de las lentas.

La correlación entre fibras, unidades y mo­toneuronas tiene un reflejo en la función mus­cular. Las unidades motoras lentas (tipo S) están implicadas en la actividad muscular sos­tenida, ya que las fibras tipo I que las inte­gran son de contracción lenta y no fat igables. Las unidades motoras rápidas y no fatigables (tipo FR) producen con rapidez fuerzas relati­vamente grandes y sostenidas, mientras que las unidades rápidas y fatigables (tipo FF) están relacionadas con contracciones rápidas y potentes, pero sólo durante breves períodos. Por tanto, como cabría esperar, la composi­ción de las unidades motoras de un músculo es, en general, un reflejo de su utilización, de modo que los músculos implicados en activi­dades sostenidas están integrados por unida­des motoras resistentes a la fatiga (tipo S y FR), y los músculos relacionados con activi­dades potentes y de corta duración presentan priori tariamente unidades rápidas y fatigables (tipo FF).

De lo expuesto hasta aquí se podría des­prender que el músculo esquelético es un ente invariable. Sin embargo, el músculo es uno de los tejidos corporales con mayor capacidad de adaptación a los cambios que se le exigen du­rante la vida. En este sentido, la función del músculo puede alterarse por cambios en su actividad e inervación que llevan a modifica­ciones morfológicas y metabólicas de sus fi­bras. Una actividad muscular sostenida, du­rante largos períodos (entrenamiento de resistencia), produce un aumento consecutivo de la resistencia a la fa tiga y de la capacidad metabólica oxidativa. Cuando la actividad se dirige hacia la producción de contracciones in­tensas, de corta duración y con altos niveles de fuerza, se produce un incremento de la masa muscular (hipertrofia) debido al aumento de miofibrillas por la mayor velocidad de síntesis de proteínas contráctiles. En ambos casos no

se producen transformaciones de los tipos de fibras musculares. Si la actividad muscular es drásticamente reducida, como cuando un miembro es inmovilizado, se produce una dis­minución de la masa muscular (atrofia). Este mismo proceso se produce cuando un múscu­lo pierde su inervación. Si esta situación es pasajera, la reinervación determina una recu­peración funcional del músculo, lo que indica la capacidad trófica del nervio. Cuand o la desnervación persiste duran te un largo perío­do, se producen cambios degenerativos muy profundos en las fi bras, que hacen muy dificil la recuperación funcional del músculo a pesar de la reinervación. Así mismo, la inervación parece tener un papel «especificador>> de los tipos de fibras musculares. Cuando un múscu­lo compuesto, predominantemente, por fibras tipo 1 es reinervado con un nervio procedente de un músculo con fi bras, mayorita riamente de tipo TI, en aquél se produce una transfor­mación del tipo de fibras. Además de estas influencias, los factores genéticos desempe­ñan un papel importante en la determinación de los tipos de fi bras que componen el músculo ya que, entre otras cosas, ellos ex­presan los diferentes tipos de proteínas con­trácti les.

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