Organización estructural del músculo
El músculo esquelético tiene una estructura jerárquica. Un músculo entero consta de fibras musculares (miocitos), cada fibra contiene miofibrillas, y las miofibrillas están formadas por miofilamentos delgados y gruesos.
- Los filamentos gruesos están formados por moléculas de miosina. La molécula de miosina consta de una cola y una cabeza; la cabeza posee actividad ATPásica y es capaz de hidrolizar el ATP a ADP.
- Los filamentos delgados están compuestos de actina, así como de proteínas reguladoras: troponina y tropomiosina.
La tropomiosina envuelve en espiral al filamento de actina y, en reposo, bloquea los sitios activos de la actina, impidiendo su interacción con la miosina. La troponina es una proteína globular compuesta por tres subunidades:
- Subunidad T: une la troponina a la tropomiosina;
- Subunidad C: une los iones Ca²⁺;
- Subunidad I (inhibidora): une la troponina a la actina.
El sarcómero como unidad funcional
La unidad estructural y funcional de la miofibrilla es el sarcómero: el segmento comprendido entre dos discos Z (placas proteicas transversales). Es precisamente a nivel del sarcómero donde se produce la interacción entre la actina y la miosina, que constituye la base de la contracción.
Terminológicamente, en la célula muscular muchas estructuras tienen la raíz «sarco-»: el citoplasma se denomina sarcoplasma, la membrana plasmática, sarcolema, y el retículo endoplásmico, retículo sarcoplásmico.
Acoplamiento excitación-contracción
La contracción se desencadena por un impulso nervioso que llega a la fibra muscular a través del axón de una motoneurona. A nivel de la unión neuromuscular, la excitación se transmite a la membrana postsináptica, tras lo cual el potencial de acción se propaga a lo largo del sarcolema.
El sarcolema forma invaginaciones hacia el interior de la fibra, el sistema de túbulos T. A través de ellos, el potencial de acción llega a los receptores de dihidropiridina (DHPR) de membrana especializados. Los DHPR están acoplados mecánicamente a los canales de calcio dependientes de rianodina del retículo sarcoplásmico.
El cambio de conformación de los DHPR durante la despolarización del túbulo T provoca la apertura de los canales de calcio, y el Ca²⁺ del retículo sarcoplásmico sale al sarcoplasma.
Mecanismo molecular de la contracción
El Ca²⁺ libre se une a la subunidad C de la troponina. Esto induce cambios conformacionales en el complejo troponina-tropomiosina y su desplazamiento, lo que expone los sitios activos de la actina.
- La cabeza de miosina se une al sitio expuesto de la actina formando un puente cruzado.
- Se produce la hidrólisis del ATP a ADP y fosfato inorgánico; la energía liberada se utiliza para el golpe de potencia de la cabeza de miosina.
- Los filamentos de actina y miosina se deslizan uno sobre otro, el sarcómero se acorta y el músculo se contrae.
Esta descripción corresponde a la teoría de los filamentos deslizantes: la longitud de los filamentos no cambia, solo varía su grado de superposición.
Relajación muscular
Para que se produzca la relajación, es necesario eliminar el Ca²⁺ del sarcoplasma; de lo contrario, la contracción continuará. Tienen lugar los siguientes procesos:
- Disociación del Ca²⁺ de la subunidad C de la troponina;
- Transporte activo inverso de Ca²⁺ hacia el retículo sarcoplásmico mediante la Ca²⁺-ATPasa (SERCA);
- Retorno del complejo troponina-tropomiosina a su posición inicial y bloqueo de los sitios activos de la actina;
- Desprendimiento de las cabezas de miosina de la actina: la fibra muscular se relaja.
Por lo tanto, los iones de calcio actúan como el regulador clave del ciclo de contracción y relajación, mientras que los procesos dependientes de energía son proporcionados por la hidrólisis de ATP tanto durante la función de la cabeza de miosina como durante la actividad de la bomba de calcio.
Puntos clave
- Músculo → fibra → miofibrilla → miofilamentos; la unidad funcional es el sarcómero entre los discos Z.
- Filamentos gruesos: miosina (actividad ATPásica de la cabeza); delgados: actina con las proteínas reguladoras troponina y tropomiosina.
- Subunidades de la troponina: T a la tropomiosina, C al calcio, I a la actina.
- El potencial de acción a través de los túbulos T activa el receptor de dihidropiridina, que abre el canal de Ca²⁺ del retículo sarcoplásmico.
- La unión del Ca²⁺ a la troponina C desplaza la tropomiosina y expone los sitios de unión de la miosina en la actina.
- La contracción se lleva a cabo mediante el mecanismo de deslizamiento de filamentos a expensas de la energía de la hidrólisis de ATP.
- La relajación se logra mediante la recaptación de Ca²⁺ hacia el retículo sarcoplásmico por la Ca²⁺-ATPasa.
- Sin la eliminación del calcio, el músculo es incapaz de relajarse, lo que subraya el papel central del Ca²⁺ en la regulación de la contracción.