Fisiología del músculo esquelético: excitación y contracción

Fisiología del Músculo Esquelético

FISIOLOGIA DEL MUSCULO ESQUELETICOINTRODUCCION

• Tejido muscular: efectores con acción mecánica o motora
• Formado por células excitables y contráctiles. Tipos:
  • Esquelético, unido a los huesos: responsable del movimiento coordinado y voluntario ( funcion movimiento fuerza y calor)
  • Liso de las paredes de las vísceras (estómago, intestino, vasos sanguíneos ... ): involuntario
  • Cardiaco: estriado e involuntario
• El 40% del cuerpo es músculo esquelético, y otro 10% es liso y cardiaco
• Los principios básicos de excitación y contracción son aplicables a los tres.

Nucleus Muscle fiber (cell) Striations (a) Skeletal muscle V Striations Muscle fiber - Intercalated disk Nucleus (b) Cardiac muscle Muscle fiber Nucleus (c) Smooth muscleLas caracteristicas comunes de los distintos tipos de musculos son: EXCITABLES CONTRACTILES EXTENSIBLES ELASTICOS FUNCION: movimiento fuerza y calor.Epimisio Perimisio Fascículo Endomisio Célula o fibra muscular 10-80um diámetros 25 cm de longitud Miofibrilla Sarcómero Filamentos gruesos y finos (miofilamentos)

Estructura del Músculo Esquelético

• Tejido muscular estriado rodeado de una vaina de tejido conectivo (epimisio) que lo inserta en los huesos (tendones).
• El músculo se divide en fascículos, y estos en fibras rodeadas de membrana plasmática con centenares o miles de miofibrillas que contienen los filamentos contráctiles (actina y miosina).
• Las estrías se deben a la disposición organizada de filamentos gruesos (miosina) y finos (actina).
• El sarcómero es la unidad contráctil del músculo esquelético.ULTRAESTRUCTURA DEL MUSCULO ESQUELETICO

Mitochondria Sarcoplasmic reticulum Nucleus Thick filament Thin filament T-tubules Myofibril Sarcolemma (b) A band Sarcomere Z disk Z disk -Myofibril (c) M line 1 band H zoneSARCOMERO: UNIDAD ESTRUCTURAL DEL MUSCULO ESQUELETICO

Sarcómero: Unidad Estructural del Músculo Esquelético

Banda A - Banda I Disco o línea Banda H Banda M a-actinina Z Nebulina Titina பகிரும் கிருகிருகிரு 0 குவிரும் பகிருகி 8 திருப் பகிருகி செங்கல் 1 2 3 Miosina 1 Un sarcómero Longitud promedio del sarcomero 2 um C CORTES TRANSVERSALES DE FILAMENTOS FINOS Y GRUESOS 0 Cada filamento grueso queda rodeado de una serie de filamentos delgado de manera hexagonal Línea M Actina 1MICROSCOPIA ELECTRONICA DE UN SARCOMERO

Microscopía Electrónica de un Sarcómero

Banda A Banda I Banda H Un sarcómeroContracción muscular

Contracción Muscular

= Disminución en la longitud de los sarcómeros y por tanto de las fibras musculares. · Las bandas A no varían, mientras que las bandas I se estrechan y las bandas H desaparecen.

I - Band H Band Band CapZ Titin Z-disk Myosin head Relaxed Myosin tail 66 33 100 0 % Tension Developed Contracted Actin filament 2000 M-linePROTEINAS ACCESORIAS QUE REGULAN LA ESTABILIDAD DEL SARCOMERO UNIDAS A LA ACTINA

Proteínas Accesorias que Regulan la Estabilidad del Sarcómero Unidas a la Actina

actinina alfa (familia espectrinas): entrecruza los filamentos finos al disco Z, se une a los extremos + (junto a Cap Z) Tropomodulina: estabilizador de la polimerización de actina F, se localiza hacia el extremo -, hacia la zona central del sarcomero, puede participar en la determinación de la longitud del filamento fino

Banda H a-actinina Linea M Linea Z - Tropomodulina, Nebulina -- Titina Extremo + Extremo - Desmina Actina Distrofina Proteina Ć (MyBP C) Proteinas de la linea M (miomesina, proteína M, oscurina) Sarcolema Anquirina Sarcoglucanos Distroglucanos b Linea z Tropomiosina BPROTEINAS ACCESORIAS QUE REGULAN LA ESTABILIDAD DEL SARCOMERO UNIDAS A LA ACTINA

Nebulina y su Función en la Estabilidad del Sarcómero

Nebulin Tropomyosin a-actinin capZ Z-disc Titin Tropomodulin KKE Thin filament (actin) Troponins Thick filament (myosin) Nebulina: (600-900 Kda) Proteína asociada a los filamentos delgados y se inserta en la linea z, extendiendose hasta el extremo interior de los filamentos finos. Como interacciona con la actina controla la longitud del filamento delgado. Regula la interacción entre los filamentos finos y gruesos con las regiones periféricas del disco Z (contribuye a la integridad estructural de las miofibrillas) Permite su alineación (se entrelaza entre los filamentos de actina y los mantiene juntos)PROTEINAS ACCESORIAS QUE REGULAN LA ESTABILIDAD DEL SARCOMERO UNIDAS A LA MIOSINA

Proteínas Accesorias que Regulan la Estabilidad del Sarcómero Unidas a la Miosina

Miomesina y proteina C: mantienen los filamentos gruesos alieados a la linea M, intervienen en el empaquetamiento de los filamentos gruesos y en su organización bipolar Obscurina: proteina gigante de 800 Kda es fundamental para la incorporación de la miosina al sarcomero durante la formacion de las miofibrillas y ademas estabiliza el centro del sarcomero (linea M) al permitir la interaccion de la miofibrilla con el RS. También se encuentra ne disco Z

Banda H a-actinina Linea z Tropomiosina - Linea M Tropomodulina, Nebulina Titina Extremo + Extremo - well 200 Desmina Actina Proteína Ć (MyBP C) Proteinas de la linea M (miomesina, proteína M, oscurina) B Sarcolema Anquirina Sarcoglucanos Distroglucanos b Distrofina Linea ZPROTEINAS ACCESORIAS QUE REGULAN LA ESTABILIDAD DEL SARCOMERO UNIDAS A LA MIOSINA

Titina: Estabilización y Elasticidad del Sarcómero

Nebulin Tropomyosin at-actinin capZ Z-disc Titin Troponins Thin filament (actin) Thick filament (myosin) Titina: (4200 Kda) (importante para la transmisión longitudinal de la fuerza) Titina es una proteína gigante que conecta la linea Z con la línea M (una molécula de Titina abarca la mitad de un sarcómero completo), cuya función principal es estabilizar los filamentos gruesos de miosina centrándolos entre los filamentos de actina. Debido a que Titina posee dominios que le confieren gran elasticidad actúa como un resorte molecular bidireccional, limitando la movilidad del sarcómero y previniendo el estiramiento y la contracción excesiva, lo que contribuye a regular las tensiones pasiva y activa del músculo esquelético y controlar el colapso retractil TropomodulinPROTEINAS COSTAMERICAS

Proteínas Costaméricas

Los costámeros son complejos proteicos asociados al sarcolema que se alinean circunferencialmente con las lineas Z de las miofibrillas periféricas conectando los sarcómeros con el sarcolema. Las proteínas costaméricas permiten la interacción entre el citoesqueleto de las fibras musculares y la matriz extracelular, entregando Soporte mecánico. Facilitan la transmisión lateral de la fuerza generada durante la contracción desde los sarcómeros hacia fibras adyacentes y a la matriz extracelular, estabilizando la fibra muscular durante la contracción y relajación.

Myofibrils Z-Disk Costameres Sarcolemma A Band B CostameresELEMENTOS NO CONTRACTILES QUE PERMITEN EL SOPORTE ESTRUCTURAL

Elementos No Contráctiles de Soporte Estructural

Matriz extracelular Laminina-2 Extracelular Biglucanos Colágeno Distroglucanos Sarcospán Caveolina-3 intracelular Y 8 0 Sarcolema nNOS Sintrofinas Intracelular c1 B1 Sarcoglucanos Distrofina Extremo C terminal Distrobrevina Extremo N terminal Disbindina Sincoilina Citoesqueleto de actina Desmina Distrofina-glicoproteina: Una proteína de gran tamaño, se localiza en la superficie del sarcolema asociadas con varias glucoproteinas integrales de membrana. De esta manera la proteína distrofina proporciona el acoplamiento mecánico entre el sarcolema y el citoesqueleto de la fibra muscular. Mantienen la alineación de las proteinas contractiles dentro de la fibra y facilitan la transmision de fuerza desde el sarcomero hacia el esqueleto Desmina mantiene el alineamiento lateral de las miofibrillasTrasmision lateral de la fuerza: la actividad del sarcomero durante la contracción genera tensiones que pueden ser disipadas via desmina- costameros hacia la matriz extracelular

Transmisión Lateral de la Fuerza

Collagen Basal Lamina Ba DGC a a Lateral Integrins Transmission B B Desmin B-Actin Dystrophin MARP 8 MLP Thick Filament Titin Nebulin Thin Filament a-Actinin Z Line Longitudinal TransmissionSARCOMERO

Sarcómero: Filamentos Gruesos y Delgados

Titin (d) - Z disk Z disk M line Myosin crossbridges M line Thick filaments Thin filaments Titin (e) - Myosin heads Myosin tail Hinge region Myosin molecule Tropomyosin (f) G-actin molecule Actin chain FILAMENTO GRUESO FILAMENTO DELGADO Troponin NebulinFILAMENTO GRUESO: MIOSINA

Filamento Grueso: Miosina

B MOLÉCULA DE MIOSINA Cabezas de la cadena pesada de miosina (MHC) • Pareja de heterotrimeros Identicos, formada por: • • 2 Cadenas pesadas "cola" de la miosina – • 2 pares deCadenas livianas: unidas a"cabezas" globulares Sitio de unión a actina - Sitio de unión e hidrólisis de ATP (miosina ATPasa) Es fundamental para la actividad ATPasica Influye en la cinética de unión de la miosina y actina MLC-2 Dos vástagos helicoidales a enrollados entre sí MLC-1 Región de bisagra de las cadenas pesadas Región de la cola de las cadenas pesadas Miosina II: responsable de la generación de fuerza dependiente de ATP Cadena ligera esencial (MLC-1) Cadena ligera reguladora (MLC-2) –FILAMENTO DELGADO: ACTINA

Filamento Delgado: Actina

A F-ACTINA, TROPOMIOSINA Y TROPONINA 70 nm Complejo de troponina Tropomiosina Actina TnC TnT Tnl TROPOMIOSINA: Proteína filamentosa que se ubica a lo largo del la actina. Bloquea, en el reposo, el sitio de union con la miosina COMPLEJO TROPONINA: T: se une a la tropomiosina I: junto con la tropomiosina inhibe la interaccion de la actina con la miosina C: une calcio, inicia la contracción¿ QUE OCURRE CUANDO EL CA2+ SE UNE A LA TROPONINA C?

Unión de Calcio a la Troponina C

Troponin G-Actin TN Myosin head Tropomyosin blocks binding site on actin ADP Pi (a) Relaxed state. Myosin head cocked. 1 Cytosolic Ca2+ 2 3 Tropomyosin shifts, exposing binding site on actin TN 5 Actin moves ADP Power stroke 4 Pi (b) Initiation of contraction 1 Ca2+ levels increase in cytosol. 2 Ca2+ binds to troponin (TN). 3 Troponin-Ca2+ complex pulls tropomyosin away from actin's myosin-binding site. 4 Myosin binds to actin and completes power stroke. 5 Actin filament moves.LA FUERZA CONTRACTIL DEL MUSCULO ESQUELETICO AUMENTA DE MODO DEPENDIENTE DE CALCIO

Fuerza Contráctil Dependiente de Calcio

4 Ca++ Contraído 100 Cabeza de miosina ADP 80 4 Ca++ Fuerte unión y reciclado Fuerza (% máx) 60 Tropomiosina Actina Troponina 40 Cabeza de miosina P ADP 20 Unión débil Relajado 0 0,01 0,1 1 10 100 [Ca ** ] mioplásmica (uM) Lobulo C: se une a TnI Lobulo N: solo se une a TI cuando aumenta calcioTropomiosina Lugar de unión de la miosina Actina TnC Actina TnT TnI Ca2+ Cabeza de la miosina Ca2+ Cuando disminuye la [Ca2+]; el Ca2+ se disocia de la TnC y los movimientos subsiguientes de la TnT, la tropomiosina y la TnI bloquean nuevas interacciones entre la miosina y la actina. Cuando aumenta la [Ca2+]; y el Ca2+ se une a la TnC, los cambios conformacionales hacen que la TnT desplace a la tropomiosina y a la TnI, de modo que la miosina puede interaccionar ahora con la actina. Ca2+ Cadena pesada de la miosina (MHC) Cadena ligera esencial de la miosina (MLC-1) / Cadena ligera reguladora de la miosina (MLC-2) Mientras haya Ca2+ se producirán múltiples ciclos de entrecruzamiento. Tnl Cabeza de la miosina