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Contracción
del músculo esquelético
GoNZALO CosT A 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 fibra s musculares.
INTRODUCCION
En los mamíferos, los músculos comprenden
conjuntos de células altamente especializadas
que transforma n 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 fo rma ndo 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 motoneu ronas q ue establecen conexiones con él a través de uniones
neurom uscula 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 q ue cada una de ellas proviene de la unión de varias células más pequeñas, denominadas mioblastos, que cuando se
alinean y fusionan man tienen sus núcleos en la
fibra adulta. Cada fibra muscular está fo rmada
por haces fila mentosos, que la recorren en toda
su longitud, denomi nados mioflbrillas (1 11m de
diámetro). Las miofibrillas contienen los elementos esenciales para la actividad contráctil
del músculo, los filamentos contráctiles. Los fi-
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Fisiología veterinaria
Cadenas ligeras
a) Músculo
~
......
MML
S-2
~----~
MMP
m) Molécula de m iosina
b) Fascículo
línea
banda
. ___ _
banda banda-..____
z
nMiosina en el filamento grueso
Ó)JJ) ) J)i) 'l ti í
1
Puente de
línea M _.. -·--}
.1>--. _ d) Miofibrílla
_.../
Sarcómero
·-..___ _
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z
k) Filamento grueso
··...
¡;··. _
.~/.~.
~ ·~t~j~t~·
Tropom iosina
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 fracci ones
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 d iámetro 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 q ue conectan
los d iscos Z de las miofib rillas adyacentes dentro de las fibras musculares.
Los filamentos 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
filamentos finos a los lados de la línea Z apa-
Contracción del músculo esquelético
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 filamentos 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 esq uelético. 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 proteí nas fundamentales (actina y miosina) para el desarrollo
de este proceso (fig. 3-1). Los filamentos gruesos están integrados mayoritariamente por
miosina (200 mo léculas por filamento). Además
de ésta, existen otras proteínas, como la conectina, que une el fila mento grueso a la línea Z
colaborando de esta forma al manten imiento
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 cade nas polipeptídicas:
dos cadenas pesadas y cuatro cadenas ligeras.
Cada cadena pesada presenta una estructura
e~- helico idal 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
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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 filamentos 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 prom inencias 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 filamen tos finos que rodean
cada filamento grueso (fig. 3-1).
Los filamentos finos están integrados po r
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 po r 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~-he­
licoidal enrolladas entre sí. En el filamen to
fino, la tropomiosina se coloca a lo largo del
surco que forman las cadenas que integran la
actina F, extendiéndose el espacio comprendí-
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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 so bre 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 muscula r es el resultado de la interacción molecular que se produce entre las proteínas (actina y miosina) que forman los filamentos
contráctiles, lo que lleva a un deslizamiento de
los filamentos fin os 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 constan te mientras que las bandas 1
y H se estrechan, lo que indica que sólo se
incrementa el grado de solapamiento entre los
filamentos 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
--
1
b)
-
--
z
A
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 ad hiere a la doble cabeza, la cual, debido a su gran
actividad ATP-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 sum inistra energía a la miosi na 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
Contracción del músculo esquelético
unión, la miosi na sufre un cambio de conformación que se traduce en un giro de la cabeza
(aproximada men te 45°), el cual crea un impulso mecánico que tira del filamento de actina
llevándolo hacia el centro del sarcómero, generando una tensión o fue rza (fig. 3-3c). La energía que produce el impulso es la que se encont ra ba 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 rot ura 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 hid rolizado, con lo cual la miosina
a)
z
Lugares de unión
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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 lamen to 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
miosin a.
En este esquema, el ATP desempeña un papel crucial ya que, por un lado, con su disociación proporciona la energía para el movimiento del filamento fino y, por otro lado, provoca
la ruptura de la unión actina-miosina. Ello determina q ue cuando el nivel de ATP en la
cél ula desciende por debaj o de un límite
(muerte del animal), los enlaces cruzados se
transforman en permanentes (hasta la autólisis) apareciendo la rigidez cadavérica o «rigor
mortis>>.
b)
/_1_\_'\-+------!
Filamento f ino _ _ _
(act ina)
ADP
P,
Cabeza de
m iosina
(S-1)
Filamento grueso, - - - -- ' - -- - - .
(miosi na)
e)
d)
e)
Figura 3-3. Esq uema del mecanismo de deslizamiento de los filamentos fin os sobre los gruesos, mostrando la
formación y disolució n de los enlaces de unión entre la cabeza de la miosina y la actina.
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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 deslizamien to, 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 ca pacidad que tiene
este ion para activar un mecanismo m olecular
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 acti na, por lo que
las cabezas de los puentes de unión de la miosina no pueden interactuar con ellos (fig. 3-4).
En esta labor de bloqueo, la tropomiosina 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 fo rma 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 al macenado 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
-Ca''
Lugar de/
unión
n
+Ca'·
Cabe~ade
"m1osma
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 fil amento fino, permitiendo la unión de la
cabeza de la miosina con la actina (A). TnT, troponina T; TnJ, troponina inhibitoria.
Contracción del músculo esquelético
ésta cesa, lo capta de n uevo a su interior. La
la bo r de recaptación del ion la realiza gracias a
que posee una bomba de calcio en su membrana que capt ura y transfiere al interior iones de
calcio. La energía para su funcionamiento se la
proporcio na el ATP, 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
vari as 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 d uración (2-10 ms) y
velocidad de conducción (2-5 m/s) son mayores que en las fibras nerviosas. Este potencial
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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 fi bra muscula r q ue induce la liberación de
calcio del retículo sarcoplasmático, desencadenándose el fenómeno contráctil. El sarcolema de la fi bra 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 fo rman 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
A
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).
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Fisiología veterinaria
tubos T conducen el potencial de acción desde
el sarcolema hacia el interior de la fibra ya que
s u luz es una continuación del espacio extracelula r, y de esta forma la despolarización puede
viajar alrededor de cada sarcómero. En el interio r de la fibra, los tubos T están en contacto
cercano con el retículo sa rcoplasmático 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 estruct uras. 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
sarco plasmático 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 sa rcoplasmático y
así abrir los ca nales de calcio allí existentes. Se
ha planteado también la existencia de una macromolécula en la membrana tu bular que actuando como un «senso r de voltaje» controlaría la apertura y cierre del canal de liberación
de calcio, bien a través de una uni ón con un
pie de la cisterna, o bien med iante 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 ind uzca al retículo sarcoplasmático a libera r 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 fi bra 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
gradien te de concentración. De esta fo rma, 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 con traerse, permitiendo a los
animales realizar act ividades tan opuestas
como move rse o permanecer quietos. Esta diversidad req uiere que la contracción pueda
realiza rse 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 cel ulares se
encuentran localizados en la médula espinal,
de tal manera que cada una de ellas establece
contacto con varias fibras musculares, a través
de unio nes neuromusculares situadas en el centro de cada fibra muscula r. El número de fibras musculares q ue son incrvadas por una
sola motoneurona va ria 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-
Contracción del músculo esquelético
bras. La transmisión neurom uscular 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 simultá neamente.
El sistema nervioso central controla la fuerza total del músculo por dos mecanismos: (1}
mod ificando 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 unimotoras
presenta
características
dades
derivadas de la actividad para la cual se demanda un aumento de tensión. En acciones
que implican locomoción o levantamiento de
mV
Potencial de acción
muscular
e:
f ' C _ o n tracció n muscular
·o
·¡¡;
e:
~
Tiempo
Figura 3-6. Desarrollo temporal del potencial de
acción muscular y la contracción en el 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 difere ntes 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 genera n en la motoneu rona q ue forma la un idad
motora, con Jo cual a umenta 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 cont ráctil
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 mayo r 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 sa rcoplasmático para recaptar el calcio liberado por
la llegada continua de potenciales de acción,
con lo que se ma ntiene una elevada concen tración intracelular del ion que hace imposible la
relajació n hasta que cese la llegada de potenciales.
Tipos de contracciones musculares
La interacción de los filamentos produce
una tensió n, q ue es la fuerza que desarrolla el
50
Fisiología veterinaria
_ __
Téta n~o
e:
-o
·¡¡;
e:
~
Suma de dos res puestas
contráctiles
Contracción
\
\
t
Pote ncial
de acción
muscular
liempo
~
Dos potenciales
de acc ión muscular
tttttttttttt
--~-----------~------------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
a umenta 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 ca rga que se opone a su acortamiento. Cuando la carga es superior a la tensión que produce el m úsculo activado, éste no
se puede acorta r, mient ras q ue cargas inferiores a la tensión generada producen su acortamiento, q ue 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
prod uce cuando la carga q ue se opone al
músculo es tan grande q ue la tensión producida es incapaz de desplazarla. En esta situació n,
la longitud se mantiene constante a cualq uier
tensión producida por el músculo; de aqu í 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). C uando un músculo se estira a diferentes longitudes,
produce una tensión pasiva que se debe a los
elementos elásticos, fund amentalmente 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 estí mulos liberados a una frecuencia tetánica, produce una
tensión activa o isométrica que va a variar con
la lo ngitud que en cada momento posea el
músculo. La tensión activa va a ser máxima
cuando la longitud del músculo sea simila r a la
q ue éste tiene en reposo en el o rga nismo. Ello
se debe a que la estimulación a esa longitud
produce la máxima interacción posible de los
fila mentos gruesos y los fi nos (n úmero máximo
de enlaces de unión) y, por tanto, la mayor
tensión isométrica. A ambos lados del máximo
la tensión es meno r, bien porq ue la separación
inicia l de los sarcómeros es tan grande que la
estimulació n 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 fila mentos es tan grande que se
producen colisiones mecánicas de los filamentos 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 sentid o, si el trabajo muscula r es igual
a la tensión por la distancia acortada, es evidente que en una contracción isomét rica, en la
que no se prod uce acortamiento, el trabajo
será cero.
C uando la tensión que prod uce el músculo
al activarse es suficiente como para desplazar
la carga q ue se le opone, el músculo se acorta y
la contracción se denomina isotó nica. En este
caso, la tensió n permanece co nstante una vez
que se alcanza el nivel al cual desplaza la ca rga
(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
Contracción del músculo esquelético
a)
Tensión pasiva
e:
-o
·¡¡;
e:
~
Longitud
b)
-
Máxima velocidad
E
e:
.E"'
~
oo
.,
"'
.,
"O
"O
"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 n ucleótido es así mism o el soporte energético básico
en la recaptación de calcio por el retículo sarcoplasmático y en el fu ncionamiento de las
bombas de Na+ y Ca 2 + 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 q ue la fibra mus-
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 ATP puede donar un fosfato a la creatina, con lo cual colabora al equilibrio de ambos. Sin embargo, las reservas de ATP 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 ATP. La glucólisis
es un mecanismo rápido de obtención de ATP,
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 ATP 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 mantenimien to
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 fosfo rilación oxidativa,
es decir, son muy dependientes del metabolismo aerobio, mientras que la de tipo IIB utilizan fundame ntalmente 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 lad o opuesto están las fibras
de tipo IJB, denom inadas 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 o tros dos tipos. Las fibras IIA presentan, a l igual que las ti po 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 compa rten 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 fib ras 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 moto ras 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 contraccio nes 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 integrad os por unidades motoras resistentes a la fatiga (tipo S y
FR), y los músculos relacionados con actividades potentes y de corta duración presentan
priori tariamen te 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 sentid o, la función del
músculo puede alterarse por ca mbios 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 po r la mayor velocidad de síntesis
de proteínas contráctiles. En ambos casos no
Contracción del músculo esquelético
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 rei nervación determina una recuperación fun cional del músculo, lo que indica
la capacidad trófica del nervio. C uand o la
desnervación persiste duran te un largo perío do , se producen cambios degenerativos mu y
profund os en las fi bras, que hacen muy dificil
la recuperación funcional del músculo a pesar
de la rei nervación. Así mismo, la inervación
parece tener un papel «especificador>> de los
tipos de fibras musculares. C uando un músculo compuesto, predomina ntemente, 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 determinació n
de los tipos de fi bras que componen el
mú sculo ya q ue, entre otras cosas, ellos expresan los diferentes tipos de proteínas contrácti les.
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