INTRODUCCIÓN A LAS BASES MOLECULARES DE LA FISIOLOGÍA MUSCULAR

En el presente seminario desarrollaremos todos los procesos que llevan a la contracción y relajación muscular. Nos interesará analizar microscópicamente tanto los procesos bioquímicos como la mecánica de la contracción en si misma, sin dejar de exponer el factor  primario desencadenante de estos mecanismos: la señal nerviosa.

Músculo...............................................................

Cuando nos referimos al músculo en términos generales estamos hablando de un tejido, es decir, de una composición de células que comparten  una función particular, en este caso, la contracción. A estas células musculares (conocidas como miocitos) las encontramos rodeadas de sustancia intercelular y tejido conectivo. Por el tejido conectivo que circunda a los miocitos transcurren los vasos sanguíneos que proveerán los nutrientes necesarios para el metabolismo de estas células y recogerán los desechos producidos por su actividad.



El tejido muscular posee dos propiedades básicas que lo distinguen de otros tejidos: 

a) Es un  tejido excitable, es decir que es capaz de generar  potenciales de acción que, como veremos luego, resultanclaves para la contracción muscular.

b) Es un tejido que puede convertir la energía química provista por la hidrólisis del ATP en energía mecánica (trabajo, la contracción) y calor (energía inutilizada).

Funciones:

Como antes mencionamos la actividad que realiza tejido muscular es la contracción y la relajación. Gracias a esto el músculo desarrolla diversas funciones en distintos sectores del organismo:

a) Locomoción: la actividad muscular nos permite desplazarnos
b) Evacuación del contenido de las vísceras: la contracción muscular permite vaciar el contenido de órganos como la vejiga o el estómago.
c) Masticación, deglución: los movimientos que llevan a la formación del bolo alimenticio y su llegada al estómago son realizados por músculo.
d) Regulación de la Presion Arterial: tanto las parerdes de los vasos sanguíneos como las del corazón estan constituidas por miocitos.

Tipos de contracción
Describiremos brevemente los dos tipos de contracción muscular que pueden llevarse a cabo.
La contracción isotónica  es una actividad caracterizada por el  acortamiento de músculo. Para considerar isotónica a una actividad muscular  la carga utilizada debe ser  constante.
La contracción isométrica es llevada a cabo por medio de una  fijación de la fibra muscular. De este modo se  impide acortamiento del músculo, manteniendo constante su longitud. En la actividad isométrica tensión muscular aumenta considerablemente.

El Miocito
El miocito o fibra muscular es una célula altamente especializada en la contracción con una elevada concentración de miofibrillas (entre cientos y millares). Su especialización tan extrema  la ha llevado a perder su capacidad de dividirse: los miocitos no realizan mitosis.

Al analizar la morfología celular encontramos en el organismo dos tipos de músculo:
a. Estriado: Está caracterizado por poseer estriaciones transversales (formaciones solo visibles al Microscopio Óptico). Estas estriaciones se deben a la presencia de una estructura denominada Sarcómero que permite que la contracción sea más rápida.
Existen 2 tipos de músculo estriado: el Músculo Estriado Esquelético y el Músculo Estriado Cardíaco. Al esquelético lo encontramos constituyendo todos los músculos que nos permiten la locomoción y mantenernos erguidos. Su inervación es voluntaria, es decir que regulamos conscientemente su actividad.  El músculo cardíaco es el que constituye las paredes del corazón, siendo responsable del bombeo de sangre a todo el organismo.  En este caso su regulación es involuntaria.    
b. Liso. Este tipo de músculo posee miofibrillas pero estas no se organizan formando Sarcómero.  La contracción de este tipo de músculo es más  lenta que la del estriado pero más resistente, más prolongada (por eso encontramos músculo liso formando las pare de órganos como el estómago o de los vasos, que poseen una actividad contráctil constante).  Su regulación nerviosa es involuntaria (autonómica).

ATP
Antes de continuar, resulta necesario incluir una breve descripción de la moneda de intercambio de energía que utiliza nuestro organismo y, por consiguiente, el tejido muscular: el ATP.
La Adenosina Trifosfato es una  Molécula con 2 enlaces de alta energía establecidos entre dos grupos fosfato. La ruptura de estos enlaces (por lo general por medio de la hidrólisis) produce la liberación de una gran cantidad de energía utilizada para el metabolismo de todas nuestras células,  en todo el cuerpo.
Para la formación de ATP es necesaria la obtención de nutrientes por medio de la alimentación (fundamentalmente grasas e hidratos de carbono; en menor medida proteínas) y de Oxígeno proveniente del intercambio gaseoso a nivel de los pulmones.
Encontramos dos procesos que llevan a la síntesis de ATP:  a) La Fosforilación Oxidativa que tiene lugar en las Mitocondrias (proceso lento pero perdurable) y  b) La Glucólisis llevada a cabo en el Citoplasma (más rápida pero menos perdurable)

MODELO TEÓRICO: ORGANIZACIÓN DE MÚSCULO ESQUELÉTICO: EL SARCÓMERO

Características del Tejido Muscular

Para comprender el metabolismo del tejido muscular es necesario tener presentes todas las características de sus células, que enumeramos a continuación:

a. Alto nivel de especialización (contracción): la estructura bioquímica que permite esta contracción son las  Miofibrillas.

b. No hacen mitosis  ni se regeneran. La división celular está genéticamente inactivada.

c. Crecen a costa del aumento del volumen celular (hipertrofia). Esto sucede por un aumento en la velocidad de síntesis de proteínas (actina y miosina). En este caso que la velocidad de degradación  de las proteínas se mantiene constante.

d. Las fibras musculares poseen una alta densidad de Mitocondrias (favoreciendo la fosforilación oxidativa) y de una proteína denominada  Mioglobina (permite la fijación del  Oxígeno). Estas dos características permiten una síntesis elevada y muy eficiente de ATP. No debemos olvidar que la contracción muscular implica la utilización de altos niveles de ATP.
   
e. En el citoplasma de los miocitos encontramos una formación conocida como Túbulos T. Estos túbulos constituyen una invaginación de la membrana celular. Hasta esta invaginación arriban las terminales nerviosas (axones de la motoneurona ) que van a transmitir el impulso eléctrico necesario para la contracción. La estructura formada por la terminal nerviosa y el túbulo T se denomina la Placa Motora.

f. El Retículo Sarcoplásmico (o retículo endoplásmico) está muy desarrollado en miocitos. Esta organela constituye el depósito intracelular de Calcio. Este ion es indispensable para la propagación de la señal necesaria para la contracción.

g. Las fibras  (miocitos) se agrupan formando fascículos. Los fascículos  se agrupan formando músculos.

Encontramos dos variedades de fibras musculares esqueléticas. Para realizar esta distinción es necesario analizar las células con un microscopio electrónico.
- Tipo I: son células pequeñas. En su citoplasma encontramos numerosas Mitocondrias  y abundante Mioglobina. Estos miocitos están muy irrigados , recibiendo grandes cantidades de  O2. Estas características de la maquinaria celular implican  que, en comparación con las células tipo II,  la velocidad de hidrólisis del ATP sea baja. Por consiguiente su contracción es lenta. Sin embargo al poseer muchas reservas de ATP  la contracción resulta persistente (mayor resistencia a  la fatiga). La gran presencia de mioglobina le otorga una coloración rojiza. Encontramos grandes porcentajes de este tipo de fibra muscular en músculos antigravitatorios y de la postura.

- Tipo II:  poseen un tamaño mayor. La cantidad de mitocondrias es menor, y su irrigación es menos profusa. Sin embargo poseen un gran Retículo Sarcoplásmico. Consecuencia directa de estas características es la rápida liberación del Calcio. Este hecho le otorga gran fuerza a la contracción. Las contracciones son en términos generales cortas e intensas. Existe una gran cantidad de enzimas glucolíticas para la liberación rápida de energía. El déficit de mioglobina existente se manifiesta en su coloración blanquecina.

Las miofibrillas
Analizaremos ahora los elementos que le dan la estructura a las fibras musculares.

Las miofibrillas son estructuras cilíndricas formadas por  dos proteínas contráctiles: la  actina, y la miosina. Estas proteínas se encuentran polimerizadas, formando microfilamentos, cuya organización particular va a dar origen a las miofibrillas.
Secundariamente encontramos otras dos proteínas formando los microfilamentos: la tropomiosina y las troponinas (C, I y T)

Actina
Es el principal componente de los microfilamentos delgados (o de Actina). La encontramos en dos  formas: Globular  y Fibrilar. La actina globular (Actina G) esta conformada por unidades individuales de la proteína. Por el contrario la actina fibrilar (Actina F) es una polimerización de las unidades de Actina G, que se organizan espacialmente formando una doble hélice. Esta estructura mantiene su constitución estable gracias a la presencia de otras dos proteínas:
1) La Troponina: encontramos tres tipos de troponina:
a) Troponina I, que inhibe la unión entre Actina y Miosina (necesaria para la contracción). En reposo, está unida a la Actina. Durante la contracción, la libera.
b) Troponina C: es una proteína ligadora de Calcio. Cuando liga Calcio desacopla la unión entre Troponina I y Actina, liberando a la actina.
c) Troponina T: su función es estructural. Une a las Troponinas C e I  con la  Tropomiosina

2) La Tropomiosina: esta proteína cubre los sitios de unión entre los puentes transversales de miosina y actina. Durante la contracción es se desprende de estos sitios de unión, permitiendo la unión de actina y miosina (gracias a la formación de puentes transversales).

Miosina
La miosina constituye microfilamentos gruesos (Filamentos de Miosina). La molécula de miosina está constituida por una cabeza (que normalmente esta cubierta por una molécula de ATP y  tiene la capacidad de hidrolizarla) y una cola con función estructural.

Sarcómero
Es la unidad estructural de la  contracción muscular. Esta constituido por una secuencia regular de bandas claras y oscuras que le dan al miocito estriado el típico aspecto estriado. A continuación describiremos cada una de las bandas que componen  un sarcómero:
Discos Z: constituyen los límites del sarcómero. Están formados por una proteína denominada actinina, a partir de la cual se organizan los microfilamentos de actina.
Banda I: esta bada esta formada por los filamentos delgados de actina, sin superposición alguna con otros filamentos. Es una banda clara (en microscopio de luz polarizada se la observa isotrópica). Se encuentra en los extremos del sarcómero. En la contracción se acorta (disminuye su longitud ya que la actina va a superponerse en gran medida con la miosina).
Banda A: esta constituida por filamentos gruesos de miosina, pudiendo distinguir una sección sin superposición y una sección  con superposición entre filamentos de actina y de miosina. Es una banda oscura (en microscopio de luz polarizada se la observa anisotrópica). La banda A ocupa el centro del sarcómero. En la contracción su longitud  permanece constante. 
Banda H: esta constituida por filamentos de miosina sin superposición (está incluida en la banda A). En la contracción se acorta.
Banda M: se encuentra en el centro de banda H. Esta constituída por proteínas que sostienen y organizan a los filamentos gruesos de miosina.

TEORÍA DEL DESLIZAMIENTO DE FILAMENTOS

Acortamiento de Sarcómero
En la relajación la longitud del sarcómero es de 2 a 4  mm, midiendo unos 1,4 mm durante la relajación. 
Para llevar a cabo la contracción muscular los filamentos delgados se deslizan sobre filamentos gruesos, desplazándose hacia el centro del sarcómero.
Los sucesos asociados a la contracción son los siguientes:
-La formación de Puentes Transversos
- La asociación entre la cabeza de miosina y la actina. Esto es posible ya que la cabeza de miosina hidroliza el ATP que la obstruye durante la relajación. La energía liberada es en parte utilizada para generar un movimiento de báscula que la cabeza realiza para acercar a la actina hacia el centro del sarcómero produciendo su  desplazamiento. 
En la relajación la cabeza de miosina se desasocia de la  actina y una molécula de ATP vuelve a cubrirla

Acoplamiento excito-contráctil

Para desencadenar los sucesos que producen la contracción muscular es necesaria una señal nerviosa proveniente de nuestro sistema nervioso central. Esta señal produce la despolarización de  la membrana celular. Esta despolarización genera una señal que a través del Túbulo T llega al Retículo Sarcoplásmico y produce la liberación de Calcio desde los depósitos intracelulares.
Este hecho posibilita que el Calcio se una a la troponina C debilitando la  unión de la troponina I con la actina y permitiendo la unión actina-miosina
En la relajación el Calcio es recaptado por una bomba ATP-dependiente que se encuentra en la membrana del rtículo sarcoplásmico (secuestro de calcio). Dos enzimas coadyuvan este proceso: la calsecuestrina y parvalbúmina, ambas presentes en el retíulo sarcoplásmico.
La contracción y la relajación muscular son ambos procesos activos que requieren ATP.

CONTRACCIÓN: SECUENCIA INTEGRADA DE EVENTOS
Realizaremos a continuación un racconto de los eventos que involucra la contracción muscular, dividiendo este proceso en tres momentos

Momento 0
En este punto la Membrana Plasmática se encuentra Polarizada, el Calcio esta en el  Retículo Sarcoplásmico, vemos a la Troponina I unida a la Actina y la cabeza de miosina esta obstruida por un ATP. El sarcómero está relajado

En estas circunstancias llega el  Impuso Nervioso Despolarizante proveniente del Sistema Nervioso central.

Momento 1
La liberación de depósitos de Calcio es una consecuencia del impulso despolarizante que viaja a través del Túbulo T hasta el retículo sarcoplásmico. Este ion es transportado a favor de gradiente de concentración (transporte pasivo). El Calcio va a unirse a la Troponina C desencadenando la liberación de la actina por parte de la Troponina I.
Asimismo el Calcio desencadena la hidrólisis del ATP que había en la cabeza de miosina liberando la energía necesaria para la contracción. Consecuentemente la cabeza libre de miosina se une a la actina desplazándola hacia el centro del sarcómero. El músculo está contraído.

Momento 2
El Calcio regresa al retículo sarcoplásmico con gasto de ATP (ya que lo hace a contragradiente). Es asi que la Troponina C deja de estar unida a Calcion, produciendo que la Troponina I se asocie nuevamente a Actina. Una molécula de ATP vuelve a cubrir la cabeza de miosona. El músculo está nuevamente relajado.

Conversión de energía química en energía mecánica y calor

La conversión de energía química en energía mecánica y calor es proporcional a la duración y la tensión de contracción y sigue la siguiente ecuación:

Energía química = energía mecánica + calor
La eficacia mecánica global de la contracción muscular es de un 20%. Esto significa que del 100% de la energía que se produce por la hidrólisis del ATP solo un 20% es realmente utilizado para la contracción en si misma ya que el 80% restante se convierte en parte en  calor y en parte se usa para la recuperación de energía (recaptación de Calcio, resíntesis de ATP).

Fuerza Máxima de Contracción por Sección Muscular
Este parámetro es igual en el hombre y en la mujer, constituyendo un valor de  3-4  kg/cm2 de sección muscular. Sin embargo, por diferencias hormonales, el hombre tiene mas masa muscular que la mujer, mas sección muscular (mientras que la mujer tiende a tener un mayor porcentaje de tejido adiposo). Por esta razón en términos generales los hombres pueden desarrollar más fuerza muscular que las mujeres. 

Excitación del Músculo Esquelético

Las fibras musculares esqueléticas estan inervadas por fibras nerviosas que se originan en las motoneuronas del asta anterior de la Médula Espinal. Cada terminación nerviosa establece una unión denominada unión neuromuscular. Las ramas de la fibra nerviosa se invaginan al interior de la fibra muscular. Esta estructura se denomina placa motora terminal.
Para que se produzca la contracción deben llevarse a cabo los siguientes sucesos:
1. Un impulso nervisoso debe alcanzar la  union neuromuscular, produciendo la libera ción de acetilcolina.
2. La acetilcolina desencadena la apertura de canales iónicos presentes en la membrana celular.
3. Gracias a la apertura de dichos canales entran en el interior celular grandes cantidades de iones de sodio (Na+), que van a producir la  Despolarización de la membrana
4. Una enzima conocida como Acetilcolinesterasa se encarga luego de hidrolizar la acetilcolina para así cerrar los canales de Na+.

Conocer estos procesos resulta sumamente importante en el momento de analizar las acciones de factores como la nicotina y el gas nervioso. La nicotina posee una acción análoga a la de la Acetilcolina. El Diisopropil Fluorofosfato (gas nervioso) inactiva la Acetilcolinesterasa  durante semanas. Ambas acciones producen espasmos musculares. El caso es sumamente grave sobre todo en el caso del gas nervioso que produce la  muerte por espasmo laríngeo que asfixia a las personas. Las sobredosis de nicotina también lo pueden producir. 

INTEGRACIÓN ANATÓMICA Y FISIOLÓGICA DEL SISTEMA NERVIOSO

Según su disposición topográfica podemos dividir a nuestro sistema nervioso en SNC (sistema nervioso central) constituido por la  médula espinal y el encéfalo (tronco encefálico, cerebelo y cerebro) y SNP (sistema nervioso periférico) integrado por nervios y ganglios periféricos.
Según su funcion podemos distinguir un SNS (sistema nervioso somático), caracterizado por se consciente y voluntario y un SNA (sistema nervioso autonómico) que esinconsciente, involuntario y automático. Dentro del SNA encontramos dos subdivisiones: el SNA Simpático y el Parasimpático. El simpático se distingue por utilizar como neurotransmisores a la  noradrenalina (NA) y la adrenalina (A). Este sistema se activa en situaciones de estrés como ser el ayuno, el ejercicio, la lucha o la huida. La respuesta simpática se caracteriza por la vasoconstricción, el aumento de las cinco propiedades cardíacas broncodilatación, la  midriasis, el aumento de la glucemia, el aumento del flujo sanguíneo al músculo esquelético y la disminución del flujo sanguíneo gastrointestinal. Por otro lado el SNA parasimpático utiliza como neurotransmisor a la acetilcolina (Ach). Este sistema se activa en situaciones de reposo y saciedad (como el postprandium). La respuesta parasimpática se caracteriza por la vasodilatación, la  disminución de las cinco propiedades cardíacas, la broncoconstricción, la miosis, la disminución de la glucemia, la disminución del flujo sanguíneo al músculo esquelético, el aumento del flujo sanguíneo gastrointestinal, el aumento de secreción ácida, la motilidad, y el vaciamiento en estómago y el aumento de la motilidad y tránsito en intestino delgado.

SISTEMA MOTOR
El sistema somático motor está organizado en tres niveles jerárquicos:

1.  Diagramación del movimiento:
a) Decisión del tipo de programa a ejecutar
Exige la participación de la voluntad, es decir la capacidad de desarrollar un acto dirigido con un propósito. De esto se encarga la corteza motora. Su lesión produce parálisis.
b) Selección de un programa
Se trata de la selección de los músculos que van a intervenir y su secuencia de activación. El efector de esta actividad es el Area Premotora (6). Su lesión produce apraxia motriz (sin moviemiento).
b) Ejecución y control del programa motor
Los ganglios de la base y el cerebelo intervienen en el control del acto motor voluntario. Se regula dirección, velocidad y magnitud del movimiento.

2.  Ejecución del movimiento: llevada a caco por el tronco encefálico (mesencéfalo, protuberancia y bulbo)
3. Responsables directos de contracción muscular: de esta activida se encargan las motoneuronas de médula espinal.