15.4: Contracción muscular

Arm Wrestling

Un deporte como la lucha de brazos depende de las contracciones musculares. Los luchadores de brazos deben contraer músculos en sus manos y brazos y mantenerlos contraídos para resistir la fuerza contraria de su oponente. El luchador cuyos músculos pueden contraerse con mayor fuerza gana el combate.

Figura\(\PageIndex{1}\): Lucha de brazos

Contracción muscular

Cómo comienza una contracción del músculo esquelético

Excluyendo los reflejos, todas las contracciones del músculo esquelético ocurren como resultado del esfuerzo consciente que se origina en el cerebro. El cerebro envía señales electroquímicas a través del sistema nervioso somático a las neuronas motoras que inervan las fibras musculares (para revisar cómo funcionan el cerebro y las neuronas, ver el capítulo Sistema Nervioso). Una sola neurona motora con múltiples terminales axónicos puede inervar múltiples fibras musculares, provocando así que se contraigan al mismo tiempo. La conexión entre una neurona motora axón terminal y una fibra muscular se produce en un sitio de unión neuromuscular. Se trata de una sinapsis química donde una neurona motora transmite una señal a la fibra muscular para iniciar una contracción muscular.

El proceso por el cual se transmite una señal en una unión neuromuscular se ilustra en la Figura\(\PageIndex{2}\). La secuencia de eventos comienza cuando se inicia un potencial de acción en el cuerpo celular de una neurona motora, y el potencial de acción se propaga a lo largo del axón de la neurona hasta la unión neuromuscular. Una vez que el potencial de acción alcanza el final del axón terminal, provoca el neurotransmisor acetilcolina (ACh) de vesículas sinápticas en el axón terminal. Las moléculas de ACh se difunden a través de la hendidura sináptica y se unen a los receptores de la fibra muscular, iniciando así una contracción muscular. La contracción muscular se inicia con la despolarización del sarcolema causada por la entrada de los iones de sodio a través de los canales de sodio asociados a los receptores ACh.

Figura\(\PageIndex{2}\): Este diagrama representa la secuencia de eventos que ocurren cuando una neurona motora estimula que una fibra muscular se contraiga. El potencial de acción viaja por los túbulos T y excita el retículo sarcoplásmico que libera calcio. El calcio cuando se une a la troponina provoca cambios conformacionales en el sarcómero. En consecuencia, la interacción de filamentos gruesos y delgados del sarcómero conduce a la contracción muscular.

Las cosas pasan muy rápido en el mundo de las membranas excitables (piensa en lo rápido que puedes chasquear los dedos en cuanto decidas hacerlo). Inmediatamente después de la despolarización de la membrana, se repolariza, restableciendo el potencial negativo de la membrana. En tanto, la ACh en la hendidura sináptica es degradada por la enzima acetilcolinesterasa (AChE). La ACh no puede volver a unirse a un receptor y reabrir su canal, lo que provocaría excitación y contracción muscular extendida no deseada.

La propagación de un potencial de acción a lo largo del sarcolema ingresa a los túbulos T. Para que el potencial de acción llegue a la membrana del Retículo Sarcoplásmico (SR), existen invaginaciones periódicas en el sarcolema, llamadas túbulos T (“T” significa “transversal”). La disposición de un túbulo en T con las membranas de SR a cada lado se denomina tríada (Figura\(\PageIndex{3}\)). La tríada rodea la estructura cilíndrica llamada miofibrilla, que contiene actina y miosina. Los túbulos T transportan el potencial de acción al interior de la célula, lo que desencadena la apertura de canales de calcio en la membrana de la SR adyacente, provocando que\(\text{Ca}^{++}\) se difundan fuera de la SR y hacia el sarcoplasma. Es la llegada del\(\text{Ca}^{++}\) sarcoplasma lo que inicia la contracción de la fibra muscular por sus unidades contráctiles, o sarcómeros.

Figura\(\PageIndex{3}\): Los túbulos T estrechos permiten la conducción de impulsos eléctricos. La SR funciona para regular los niveles intracelulares de calcio. Dos cisternas terminales (donde el SR agrandado se conecta al túbulo en T) y un túbulo en T comprenden una tríada, un “trío” de membranas, con las de SR en dos lados y el túbulo en T intercalado entre ellas.

Acoplamiento excitación-contracción

Aunque el término acoplamiento excitación-contracción confunde o asusta a algunos estudiantes, se reduce a esto: para que una fibra muscular esquelética se contraiga, su membrana primero debe ser “excitada”, es decir, debe ser estimulada para disparar un potencial de acción. El potencial de acción de la fibra muscular, que barre a lo largo del sarcolema como una onda, se “acopla” a la contracción real a través de la liberación de iones de calcio (\(\text{Ca}^{++}\)) de la SR. Una vez liberados, el\(\text{Ca}^{++}\) interactúa con las proteínas protectoras, troponina y complejo de tropomiosina, obligándolas a apartarse para que los sitios de unión a actina estén disponibles para la unión por las cabezas de miosina. Luego, la miosina tira de los filamentos de actina hacia el centro, acortando la fibra muscular.

Figura\(\PageIndex{4}\): Tropomiosina El complejo de troponina protege los sitios de puente transversal sobre actina. La miosina solo puede unirse con actina cuando este complejo se elimina con la ayuda de iones de calcio.

En el músculo esquelético, esta secuencia comienza con señales de la división motora somática del sistema nervioso. En otras palabras, el paso de “excitación” en los músculos esqueléticos siempre se desencadena por la señalización del sistema nervioso.

Teoría del filamento deslizante de la contracción muscular

Una vez que la fibra muscular es estimulada por la neurona motora, los filamentos de la proteína de actina y miosina dentro de la fibra del músculo esquelético se deslizan entre sí para producir una contracción. La teoría de los filamentos deslizantes es la explicación más aceptada de cómo ocurre esto. De acuerdo con esta teoría, la contracción muscular es un ciclo de eventos moleculares en el que filamentos gruesos de miosina se unen repetidamente y tiran de filamentos delgados de actina, por lo que se deslizan unos sobre otros. Los filamentos de actina están unidos a discos Z, cada uno de los cuales marca el extremo de un sarcómero. El deslizamiento de los filamentos acerca los discos Z de un sarcómero, acortando así el sarcómero. A medida que esto ocurre, el músculo se contrae.

Figura\(\PageIndex{5}\): El diagrama superior muestra un sarcómero relajado y el diagrama inferior muestra un sarcómero contraído. Tenga en cuenta los discos z, la zona h y la línea M. En un sarcómero contraído la zona H se reduce en comparación con el sarcómero relajado debido a que las fibras de actina (doble hélice de color amarillo verdoso) se mueven hacia la línea M.

Crossbridge Ciclismo

El ciclo Crossbridge es una secuencia de eventos moleculares que subyace a la teoría de los filamentos deslizantes. Existen muchas proyecciones de los gruesos filamentos de miosina, cada una de las cuales consta de dos cabezas de miosina (se pueden ver las proyecciones y cabezas en Figuras\(\PageIndex{5}\) y\(\PageIndex{3}\)). Cada cabeza de miosina tiene sitios de unión para ATP (o productos de hidrólisis de ATP: ADP y P _i) y actina. Los filamentos finos de actina también tienen sitios de unión para las cabezas de miosina, se forma un puente cruzado cuando una cabeza de miosina se une con un filamento de actina.

El proceso de ciclado de puente cruzado se muestra en la Figura\(\PageIndex{6}\). Un ciclo de puente cruzado comienza cuando la cabeza de miosina se une a un filamento de actina. ADP y P _i también se unen a la cabeza de miosina en esta etapa. A continuación, una carrera de potencia mueve el filamento de actina hacia adentro hacia el centro del sarcómero, acortando así el sarcómero. Al final de la carrera de potencia, se liberan ADP y P _i de la cabeza de miosina, dejando la cabeza de miosina unida al filamento delgado hasta que otro ATP se une a la cabeza de miosina. Cuando el ATP se une a la cabeza de la miosina, hace que la cabeza de miosina se separe del filamento de actina. El ATP se divide nuevamente en ADP y P _i y la energía liberada se usa para mover la cabeza de miosina a una posición “amarrada”. Una vez en esta posición, la cabeza de miosina puede unirse nuevamente al filamento de actina y comienza otro ciclo de puente cruzado.

Figura\(\PageIndex{6}\): Ciclismo Crossbridge

Reportaje: La biología humana en las noticias

Interesante y esperanzadora investigación básica sobre la contracción muscular suele aparecer en las noticias porque las contracciones musculares están involucradas en tantos procesos y trastornos corporales diferentes, incluyendo insuficiencia cardíaca y accidente cerebrovascular.

• La insuficiencia cardíaca es una afección crónica en la que las células del músculo cardíaco no pueden contraerse con la suficiente fuerza para mantener las células del cuerpo adecuadamente abastecidas de oxígeno. En 2016, investigadores del Centro Médico Southwestern de la Universidad de Texas identificaron un nuevo objetivo potencial para desarrollar medicamentos para aumentar la fuerza de las contracciones del músculo cardíaco en pacientes con insuficiencia cardíaca. Los investigadores de UT encontraron una proteína previamente no identificada involucrada en la contracción muscular. La proteína mínima apaga el “freno” en el corazón, por lo que bombea sangre más vigorosamente. A nivel molecular, la proteína afecta a la bomba de iones de calcio que controla la contracción muscular. Es probable que este resultado conduzca a búsquedas de proteínas adicionales de este tipo.
• Un accidente cerebrovascular ocurre cuando un coágulo de sangre se aloja en una arteria del cerebro y corta el flujo sanguíneo a parte del cerebro. El daño del coágulo se reduciría si los músculos lisos que recubren las arterias cerebrales se relajaran después de un derrame cerebral porque las arterias se dilatarían y permitirían un mayor flujo sanguíneo al cerebro. En un estudio reciente realizado en la Facultad de Medicina de la Universidad de Yale, los investigadores determinaron que los músculos que recubren los vasos sanguíneos en el cerebro realmente se contraen después de un derrame cerebral. Esto contrae los vasos, reduce el flujo sanguíneo al cerebro y parece contribuir al daño cerebral permanente. La conclusión esperanzadora de este hallazgo es que sugiere un nuevo objetivo para la terapia del ictus.

Revisar

1. ¿Qué es la contracción del músculo esquelético?
2. Distinguir entre contracciones isométricas e isotónicas del músculo esquelético.
3. ¿Cómo estimula una neurona motora una contracción del músculo esquelético?
4. ¿Cuál es la teoría de los filamentos deslizantes?
5. Describir el ciclismo en puente cruzado.
6. ¿De dónde viene el ATP necesario para una contracción muscular?
7. Explique por qué un potencial de acción en una sola neurona motora puede provocar que múltiples fibras musculares se contraigan.
8. El nombre de la sinapsis entre una neurona motora y una fibra muscular es el _______________ _________.
9. Si un medicamento bloquea los receptores de acetilcolina en las fibras musculares, ¿qué crees que esto le haría a la contracción muscular? Explica tu respuesta.
10. Verdadero o Falso: Según la teoría de los filamentos deslizantes, los filamentos de actina se adhieren activamente a los filamentos de miosina y tiran de ellos.
11. Verdadero o Falso: Cuando una neurona motora produce un potencial de acción, los sarcómeros en la fibra muscular que inerva se acortan como resultado.
12. Explique cómo el ciclo de puente cruzado y la teoría de los filamentos deslizantes se relacionan entre sí.
13. ¿Cuándo suele ocurrir la respiración anaeróbica en las células musculares humanas?
14. Si no hubiera ATP disponible en un músculo, ¿cómo afectaría esto al ciclismo en puente cruzado? ¿Qué le haría esto a la contracción muscular?

Explora más

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Atribuciones

1. Arm wrestling by U.S. Navy foto del teniente Kenneth Honek, dominio público vía Wikimedia Commons
2. Placa de extremo del motor e inervación por OpenStax, CC BY 4.0 vía Wikimedia Commons
3. Músculo esquelético por personal de Blausen.com (2014). “Galería Médica de Blausen Medical 2014”. WikiRevista de Medicina 1 (2). DOI: 10.15347/wjm/2014.010. ISSN 2002-4436. licenciado CC BY 3.0 vía Wikimedia Commons
4. Actin-tropomyosin-troponin por Daniel Walsh y Alan Sved, CC BY 4.0 vía Wikimedia Commons
5. Modelo de filamento deslizante por OpenStax, CC BY 4.0 vía Wikimedia Commons
6. Ciclismo Crossbridge por OpenStax, CC BY 4.0 vía Wikimedia Commons
7. Texto adaptado de Biología Humana por CK-12 licenciado CC BY-NC 3.0