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Figura 9-1 Organización del músculo esquelético en
fascículos, fibras y miofibrillas.
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Figura 9-2 Organización del sarcómero en
sección longitudinal y transversal. a,
micrografía con microscopio electrónico de
una sección longitudinal de fibra muscular.
Las bandas visibles al microscopio óptico
resultan de la disposición regular de los
miofilamentos dentro del sarcómero (pgc
Hugh Huxley). b, dibujo esquemático del
sarcómero: las bandas claras o bandas I
están divididas a la mitad por los discos Z,
mientras que al centro del sarcómero se
ven las bandas oscuras o bandas A; estas
últimas están divididas a la mitad por una
zona más clara llamada zona H, que
algunas veces presenta una línea oscura en
el centro, la línea M.
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Figura 9-2 c, el sarcómero tiene una
estructura muy ordenada y regular
constituida sobre todo por los
filamentos gruesos (miosina) y los
filamentos delgados (actina). Los
filamentos delgados están conectados
a las líneas Z y se extienden desde
éstas hasta el interior de las bandas
A, donde se superponen
a los filamentos de miosina, que se encuentran en el centro del
sarcómero. d, los filamentos guardan una disposición muy regular
también en la sección transversal del sarcómero. En la zona de
superposición, cada filamento de miosina está rodeado por seis
filamentos de actina, dispuestos en los vértices de un hexágono regular,
en tanto que cada filamento de actina está rodeado por tres
filamentos de miosina dispuestos en los vértices de un triángulo. En la
línea M están presentes los filamentos intermedios (mf).
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Figura 9-3 Organización de los
monómeros de actina en el
filamento delgado y disposición de
las proteínas reguladoras, troponina
(en sus tres componentes, Tnl, TnC,
TnT) y tropomiosina.
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Figura R9-1 Espectro bidimensional de la
difracción de rayos X de un músculo
esquelético de rana en condiciones de
reposo, obtenido mediante la luz de un
sincrotrón. Representación esquemática de
las principales reflexiones meridionales
(sobre el eje vertical —meridiano—),
las ecuatoriales (sobre el eje horizontal —
ecuador—, en rojo) y las líneas del estrato
de la miosina (M1-M4). Las reflexiones
secundarias al filamento de actina no se
ven porque son demasiado débiles o
salen del espectro. (Redibujada por J.
Bordas, et al. Two dimensional time-resolved
X-ray diffraction studies of live isometrically
contracting frog sartorius muscle, J Muscle
Res Cell Motil 14:311-24, 1993.)
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Figura 9-4 Estructura de la molécula de
miosina II con dos cabezas globulares
adheridas a una larga cola. Los sitios
para la actividad enzimática y la unión
con la actina se localizan en el
dominio del motor. LMM (light
meromyosin), cadena de meromiosina
ligera; HMM (heavy meromyosin),
cadena de meromiosina pesada; ELC
(essential light chain), cadena ligera
esencial; RLC (regulatory light chain),
cadena ligera reguladora; ATP,
trifosfato de adenosina. (Modificada
por I. Rayment, HM. Holden. The threedimensional structure of a molecular
motor. Trends Biochem Sci 19:129-34,
1994.)
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Figura 9-5 Estructura cristalográfica
de la porción S1 de la molécula de
miosina con los diversos
componentes. La larga hélice alfa
con las dos cadenas ligeras
constituye el brazo de palanca
cuya rotación representa el suceso
molecular encargado de desarrollar
la fuerza. (Modifi cada por I.
Rayment, et al. The active site of
myosin. Annu Rev Physiol 58:671-702,
1996.)
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Figura 9-6 Organización de las
moléculas de miosina en el
filamento grueso. a, las
porciones que sobresalen del
cuerpo del filamento están
constituidas por las cabezas de
la miosina (porciones S1).
Nótese la zona central
desprovista de cabezas (zona
desnuda). b, porción del
filamento de miosina que
muestra la disposición de las
cabezas S1: éstas sobresalen del
cuerpo con una periodicidad
de alta regularidad de 14.3 nm
giradas a 60°, de tal modo que
la posición de S1 se repite con
exactitud cada 42.9 nm.
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Figura 9-7 Disposición y función del filamento de titina durante las
variaciones de longitud del sarcómero. a, esquema simplificado de un
sarcómero. b, el alargamiento provoca de modo inicial la distensión de los
dominios IG y una distensión parcial del dominio único PEVK con desarrollo
de una pequeña tensión pasiva. c, el alargamiento adicional provoca la
distensión completa de PEVK, con el desarrollo de una notable fuerza
pasiva. d, curva de tensión-longitud de la titina. Con el aumento de la
distensión se incrementa la fuerza de forma casi exponencial.
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Figura 9-8 Disposición isométrica
(a) e isotónica (b) para el estudio
de las propiedades del músculo
esquelético. El tornillo superior
sirve para estabilizar la longitud
de reposo. El peso P es de valor
inferior a la máxima tensión
isométrica que el músculo puede
desarrollar (P0).
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Figura 9-9 En general, en el
movimiento in vivo, la contracción
nunca es isotónica. Por ejemplo,
durante la rotación del antebrazo
que levanta un peso, en virtud de la
disposición geométrica de la carga
y las palancas óseas, el músculo
bíceps desarrolla una fuerza que no
es constante y que es casi siete
veces más grande que el peso. En
compensación, la velocidad de
movimiento del antebrazo es siete
veces más grande que la de
acortamiento del músculo. La
flecha roja indica el componente
de la fuerza peso que se aplica al
músculo a través de la palanca
ósea.
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Figura 9-10 Actividad del músculo esquelético en condiciones isométricas.
Las figuras muestran el desarrollo de fuerza a causa de un estímulo
individual (sacudidas, a) o más estímulos (tetania, b). a, la velocidad de
desarrollo de la tensión depende del tipo de músculo y de la temperatura.
a, músculo gastrocnemio de mamífero; b, músculo sóleo de mamífero; c,
músculo sartorio de rana, 10°C; d, músculo sartorio de rana, 0°C. b, respuestas
a la aplicación de uno, dos o más estímulos. La aplicación de dos
o más estímulos permite la sumación de las respuestas mecánicas con incremento
de la tensión. El trazo azul muestra una tetania no fusal, mientras
que el trazo rojo delinea uno del todo fusal.
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Figura 9-10 c, tetania isométrica
registrada en una fibra individual
muscular. La presencia de una
pequeñísima oscilación sobre la
meseta indica que la tetania no es por
completo fusal. El trazo rojo muestra la
longitud media de los sarcómeros en
un tramo de fibra seleccionado de 2
mm de longitud, registrada mediante
la técnica de difracción con luz láser.
Se puede observar que pese a que la
fibra está mantenida en condiciones
isométricas, los sarcómeros (es decir, el aparato contráctil) se acortan en el
segmento de fibra seleccionado (cerca de 2% en la figura) evidentemente
a costa del alargamiento de los tendones u otras porciones más débiles de
la fibra. Por consiguiente, puede afirmarse que el aparato contráctil no
está en condiciones del todo isométricas. Nótese que la relajación se lleva
a cabo en dos fases, una isométrica inicial (durante esta fase, la longitud
del sarcómero no cambia en grado significativo) seguida por una fase final
más o menos exponencial.
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Figura 9-11 Curvas de tensión-longitud activas (trazo azul) y pasivas
(trazo verde) registradas en diferentes músculos con distintas
cantidades de tejido conjuntivo. Obsérvese que la tensión pasiva
disminuye cuando decrece el tejido conjuntivo del músculo con el
avance del músculo gastrocnemio (a) al músculo sartorio (b) y el
músculo semitendinoso (c), mientras que las curvas activas
son todas prácticamente iguales.
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Figura 9-12 Actividad isotónica. Efectos de la variación del peso aplicado al
músculo (P, P1, P2) sobre el desarrollo de la fuerza (a) y el acortamiento (b) durante
la fase inicial de la estimulación tetánica. Nótese que en b la velocidad de
acortamiento, es decir, la inclinación de las rectas (trazos rojo, verde y azul)
aumenta al disminuir la carga. c, d, son los mismos casos de a y b, con la salvedad
de que el registro se extiende por un tiempo más largo. Al prolongarse la actividad,
el músculo se acorta siempre a menor velocidad hasta que se detiene.
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Figura 9-13 Ilustración esquemática del mecanismo que limita el acortamiento
máximo del músculo en función de la carga aplicada. La curva (trazo azul)
muestra la vía de la máxima tensión isométrica en función de la longitud del
músculo (véase la fig. 9-11). Las flechas verticales ilustran el desarrollo de la
tensión isométrica (hasta el valor del peso aplicado P o P2) que precede al
acortamiento. Las flechas horizontales representan el acortamiento, que
termina cuando la longitud alcanza el valor al cual la tensión isométrica es
equivalente al peso aplicado. En consecuencia, cuanto más pequeño es el
peso, más grande es el acortamiento.
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Figura 9-14 a, relación fuerza-velocidad en el músculo esquelético en el intervalo de
fuerza entre 0 y 2 P0. La máxima velocidad de acortamiento (Vmáx) se alcanza cuando la
carga aplicada es cero. Para cargas superiores a P0 la velocidad es negativa, es decir, el
músculo se alarga en vez de acortarse y desarrolla una fuerza superior a P0 hasta que,
alrededor de 2 P0, cede y se alarga con rapidez. La curva azul representa la potencia
que el músculo puede desarrollar. Ésta es obviamente cero a P0 y Vmáx y alcanza el
máximo valor alrededor de 1/3 de P0. En el músculo esquelético rápido del ser humano,
Vmáx es casi de 6 l0/s, mientras que P0 se aproxima a 280 kPa. b, método gráfico para
encontrar las constantes a y b que aparecen en la ecuación de la fuerza-velocidad de
A.V. Hill. Éstas representan la distancia de las asíntotas de la hipérbole equilátera desde
los ejes de la curva P-V.
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Figura 9-15 Aparato y
registros isotónicos con
poscarga. a, la longitud del
músculo se mantiene
constante hasta el
momento de liberar el
bloqueo que se efectúa en
la meseta tetánica para
todas las cargas aplicadas.
Esta técnica elimina las
heterogeneidades de
activación que pueden
estar presentes en las
condiciones mostradas en
la figura 9-8.
b, cuando se anula el bloqueo, la tensión desciende inmediatamente al valor del peso y
permanece constante durante todo el periodo de acortamiento. El acortamiento del
músculo se lleva a cabo en dos fases: la primera, muy veloz y prácticamente
independiente de la carga, y la segunda, dependiente de la carga según sea la relación
fuerza-velocidad. La primera fase se debe a la recuperación de los componentes
elásticos en serie del músculo; la segunda, al acortamiento del componente contráctil.
Las oscilaciones presentes en los dos registros son un artefacto mecánico debido al peso y
la elasticidad del músculo.
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Figura 9-16 Modelo mecánico del músculo
de tres elementos: los dos componentes
elásticos (en serie –CES– y en paralelo
–CEP–) y el componente contráctil (CC).
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Figura 9-17 Efecto del acortamiento rápido del músculo activado en
la meseta tetánica. El valor del acortamiento es más grande en b. El
acortamiento rápido determina una caída pronta de la tensión,
seguida por una recuperación hacia el valor de meseta. Cuanto más
grande es el acortamiento, más grande es la caída.
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Figura 9-18 Deslizamiento
de los miofilamentos de
actina y acortamiento del
sarcómero producido por
la acción cíclica de las
cabezas de miosina que
interactúan con los sitios
activos presentes sobre el
filamento de actina.
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Figura 9-19 a, curva de tensión-longitud
medida en un grupo de sarcómeros
mantenidos en condiciones
estrechamente isométricas en un
músculo semitendinoso de rana. b,
disposiciones de los filamentos
correspondientes a las longitudes del
sarcómero indicadas con las fl echas
verticales numeradas en a. La curva
muestra que en la región de la meseta,
de 2.0 a 2.2 μm y hasta 3.65 μm, las
tensiones medidas se hallan en perfecta
concordancia con las expectativas de
la teoría del deslizamiento de los
filamentos y los puentes cruzados.
(a, modificada por AM Gordon, et al.
1966.)
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Figura 9-20 Experimentos de relajación rápida en la meseta tetánica.
El experimento es similar al de la figura 9-17, con la excepción de que el
acortamiento es mucho más rápido. Se pone así en evidencia que la
recuperación de la tensión después del acortamiento sucede en más
fases. a, caída de la tensión debida a la relajación rápida. b, primera fase
muy rápida de recuperación de la tensión: ésta se atribuye a una
variación conformacional de los puentes cruzados sin variación de su
número. c, segunda fase en la cual la velocidad de recuperación se
vuelve muy lenta. d, fase de recuperación final que sucede a una
velocidad similar a la inicial de formación de puentes.
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Figura 9-21 Relaciones
entre los ciclos
mecánico y
bioquímico de los
puentes cruzados. M,
miosina; ADP,
difosfato de
adenosina; Pi, fosfato
intracelular; ATP,
trifosfato de
adenosina; A, actina;
AM, actomiosina.
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Figura R9-3-1 Ensayos de motilidad. Una
porción de filamento de actina dispuesta
sobre un lecho de cabezas de miosina y en
presencia de ATP se mueve impelida por la
acción de los puentes cruzados a una
velocidad cercana a Vmáx. El filamento de
actina se estabiliza y marca con faloidina
fluorescente para hacerlo visible al
microscopio óptico.
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Figura R9-3-2 a, experimentos con trampa
óptica (técnica con tres microesferas)
para la medición de la fuerza o el
desplazamiento generado por un puente
cruzado. Los registros se llevan a cabo al
cuantificar el movimiento de las
microesferas que sostienen el filamento
de actina. b, registro de los impulsos
elementales de fuerza causados por la
interacción entre una molécula de
miosina (S1) y el filamento de actina.
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Figura 9-22 Rotación del brazo de
palanca. (Modificada por A
Houdusse, HL Sweeney. Myosin
motors: missing structures and
hidden springs. Curr Opin Struct Biol
11:182-94, 2001.)
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Figura 9-23 Movimiento de la
acción elemental del desarrollo
de fuerza en función del número
de motivos IQ presentes en el
brazo de palanca. Se puede
advertir que el movimiento
producido por la acción
elemental del desarrollo de
fuerza aumenta de forma lineal
con la longitud de la palanca
(proporcional al número de los
motivos IQ).
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Figura 9-24 Esquema de las vías
de producción del ATP a partir
de las fuentes indirectas de
energía. Pi, fosfato intracelular;
ADP, difosfato de adenosina;
ATP, trifosfato de adenosina.
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Figura 9-25 Movimiento temporal del
potencial de acción, de la concentración
intracelular del Ca2+ y el desarrollo de fuerza
tras un solo estímulo. La actividad eléctrica
es brevísima y se extingue mucho antes del
desarrollo de fuerza.
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Figura 9-26 a, relación entre potencial de membrana y fuerza
desarrollada en una sola fibra muscular. El potencial de membrana
se modifica mediante la utilización de soluciones extracelulares con
contenido variable de potasio (contractura de potasio). b, relación
entre concentración del calcio (pCa) y fuerza desarrollada en una
sola fibra carente de membrana.
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Figura 9-27 Organización del
retículo longitudinal y las
miofibrillas en la fibra muscular
esquelética.
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Figura 9-28 Disposición de los túbulos transversal y longitudinal y
esquema del funcionamiento de la abertura de los canales del
Ca2+ (receptores de la rianodina).
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Figura 9-29 Morfología esquemática de una fibra muscular lisa.
a, la contracción produce un notable cambio de forma de la fibra
que de alargada tiende a volverse esférica. b, organización del
citoesqueleto y los miofilamentos en las fibras musculares lisas. En
este ejemplo, dos fibras adyacentes están acopladas en sentidos
eléctrico, por medio de la unión hendida, y mecánico, mediante
las uniones adherentes.
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Figura 9-30 Actividades eléctrica y mecánica en los diversos
tipos de músculo liso. La contracción puede activarse por
potencial de acción (a), por las despolarizaciones lentas y
rítmicas que llevan a la producción de potenciales de acción
(b) y por la despolarización lenta (c). Al final, la contracción
puede activarse por variaciones del potencial de membrana
provocadas por neurotransmisores o fármacos (acoplamiento
farmacomecánico, d). La actividad en a es común en los
músculos multiunitarios, mientras que la de d y c es típica de
los músculos unitarios fásicos.
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Figura 9-31 Relación de tensiónlongitud activa en el músculo liso
de arteria activada con
estimulación eléctrica. a, curva de
tensión-longitud pasiva. b, curva
de tensión-longitud activa. Las
líneas azules se refieren a los datos
obtenidos 2 min después del
cambio de longitud; las rojas
aluden a los obtenidos tras 27 min.
Se observa que, al contrario del
músculo esquelético, la curva
varía con el tiempo y ello indica
que el material elástico o el
contráctil tienen desempeños
opuestos para modificar las
estructuras lentas después de las
variaciones de longitud.
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Figura 9-32 Curva de fuerzavelocidad en el músculo liso. A
diferencia del músculo esquelético,
la activación del músculo liso, que
ocurre sobre todo a través de la
fosforilación de la cadena ligera de
la miosina, controla también la
velocidad del acortamiento con
carga cero que puede variar
de 0.6 l0/s a 0.1 l0/s. Se muestran dos
curvas con grado de fosforilación de
20 y 50% del máximo.
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Figura 9-33 Esquema de la activación
en el músculo liso. El Ca2+ controla
el grado de fosforilación de la cadena
ligera de la miosina y la interacción
actina-caldesmón (CaD). También la
actividad de la fosfatasa es
modulable a través de la acción del
sistema rho-cinasa. CaM, calmodulina;
MLC, cadena ligera de la miosina;
MLCK, cinasa de la cadena ligera de la
miosina; ADP, difosfato de adenosina;
ATP, trifosfato de adenosina; Rho-K,
Rho-cinasa; RhoA-GTP, proteína RhoAtrifosfato de guanosina.
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Figura 9-34 Movimientos del
calcio en el músculo liso. La
concentración de Ca2+
mioplasmático la controlan la
entrada del calcio externo a
través de los canales
dependientes de voltaje o la
liberación del calcio contenido
en el retículo provocada por el
1,4,5-trifosfato de inositol (IP3) a
través del sistema de las
proteínas G y la fosfolipasa C
(PLC). En el esquema está
indicada también una posible
vía para la liberación de Ca2+
del retículo secundaria a la
acción del Ca2+ ingresado
desde el exterior sobre los
receptores del IP3. La resorción
sucede por medio de bombas
de Ca2+ localizadas sobre el
retículo o la membrana y a
través de un intercambiador
de membrana Na+/Ca2+.
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Figura 9-35 Ciclo de los
puentes transversales
(puentes cruzados) en
el músculo liso. Todos los
estados de los puentes
pueden existir en el
estado fosforilado (ciclo
más interno, flechas
rojas) y el desfosforilado
(ciclo externo, flechas
azules). Los puentes
pueden generar fuerza
en ambos estados, pero
pueden vincularse y
producir movimiento
sólo en el estado
fosforilado. El Ca2+ es
necesario para iniciar la
contracción. El ATP se
utiliza para la actividad
contráctil y la
activación.
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Figura 9-36 Evolución temporal del
desarrollo de fuerza, la velocidad de
acortamiento y el grado de fosforilación
de las cadenas ligeras de la miosina
(MLC) en un músculo liso de arteria
activado con una solución de gran
contenido de K+ (109 mM de Na+
sustituidos con K+). Para la comparación
se registra también la concentración
intracelular de Ca2+ obtenida de otros
experimentos. Para cada parámetro, los
valores se expresan relativamente al valor máximo. Se puede observar que
mientras la fuerza asciende y se mantiene constante a nivel máximo por un
tiempo muy largo, la velocidad de acortamiento y el grado de fosforilación
alcanzan un punto máximo después de casi 30 s para después declinar hasta
valores muy bajos en un tiempo relativamente corto. Este comportamiento se
explica porque la concentración de Ca2+ muestra una evolución transitoria y
alcanza el punto máximo antes que la fosforilación y el desarrollo de fuerza
para luego decrecer hasta un plano estable muy bajo.
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