La teoría del filamento deslizante de la contracción muscular

El músculo es un tejido contráctil especializado que es una característica distintiva de los animales; los cambios en la longitud muscular apoyan una exquisita variedad de movimientos de animales, desde la destreza de los tentáculos del pulpo y las ondas peristálticas de los pies de Aplysia hasta la coordinación precisa de los apoyadores y las bailarinas.

¿Qué mecanismos moleculares dan lugar a la contracción muscular?… el proceso de contracción tiene varios pasos clave, que se han conservado durante la evolución en la mayoría de los animales.

¿Qué es un sarcómero?

Cuando las células musculares se ven bajo el microscopio, se puede ver que contienen un patrón de rayas (estrías); este patrón está formado por una serie de unidades básicas llamadas sarcómeros que están dispuestas en un patrón apilado a lo largo del tejido muscular. Puede haber miles de sarcómeros dentro de una sola célula muscular; los sarcómeros son altamente estereotipados y se repiten a lo largo de las células musculares, y las proteínas dentro de ellos pueden cambiar de longitud, lo que hace que la longitud total de un músculo cambie.

Un sarcómero individual contiene muchos filamentos de actina paralela (delgada) y miosina (gruesa); la interacción de las proteínas de miosina y actina es el núcleo de nuestra comprensión actual del acortamiento del sarcómero. ¿Cómo se produce este acortamiento? Tiene algo que ver con una interacción deslizante entre la actina y la miosina.

La teoría del filamento deslizante

En 1954, los científicos publicaron dos artículos innovadores que describen las bases moleculares de la contracción muscular; estos documentos describieron la posición de los filamentos de miosina y actina en varias etapas de contracción en las fibras musculares y propusieron cómo esta interacción produce fuerza contráctil. Al usar microscopía de alta resolución, A. F. Huxley y R. Niedergerke (1954) y H. E. Huxley y J. Hanson (1954) observaron cambios en los sarcómeros a medida que el tejido muscular se acortaba.

Observaron que una zona de la disposición del sarcómero repetida, la «banda A», permaneció relativamente constante en longitud durante la contracción muscular (Figura 1); la banda A contiene filamentos gruesos de miosina, lo que sugiere que los filamentos de miosina permanecieron centrales y de longitud constante, mientras que otras regiones del sarcómero se acortaron. Los investigadores notaron que la «banda I», rica en filamentos más delgados hechos de actina, cambió su longitud junto con el sarcómero.

Estas observaciones los llevaron a proponer la teoría del filamento deslizante, que establece que el deslizamiento de la actina más allá de la miosina genera tensión muscular; debido a que la actina está atada a estructuras ubicadas en los extremos laterales de cada sarcómero llamados discos z o «bandas z», cualquier acortamiento de la longitud del filamento de actina daría como resultado un acortamiento del sarcómero y, por lo tanto, del músculo. Esta teoría se ha mantenido impresionantemente intacta (Figura 2).

Una analogía para los filamentos deslizantes en un evento de acortamiento de sarcómero

Imagina que estás parado entre dos libreros grandes cargados de libros; estas librerías grandes están separadas por varios metros y están colocadas sobre rieles para que se puedan mover fácilmente. Se te asigna la tarea de juntar las dos librerías, pero estás limitado a usar solo tus brazos y dos cuerdas.

De pie, centrados entre las estanterías, tiras de las dos cuerdas, una por brazo, que se atan firmemente a cada estantería; de forma repetitiva, jalas cada cuerda hacia ti, la sujetas y luego tiras de nuevo. Finalmente, a medida que avanzas a lo largo de la cuerda, las estanterías se mueven juntas y se acercan a ti.

En este ejemplo, tus brazos son similares a las moléculas de miosina, los cables son los filamentos de actina y los estantes para libros son los discos z a los que se sujeta la actina, que forman los extremos laterales de un sarcómero

De manera similar a como te mantendrías centrado entre los estantes, los filamentos de miosina permanecen centrados durante la contracción muscular normal (Figura 2).

¿Qué son los puentes cruzados y cómo se relacionan con los filamentos deslizantes?

Un importante refinamiento de la teoría de los filamentos deslizantes involucró la forma particular en que la miosina es capaz de actuar sobre la actina para acortar el sarcómero. Los científicos han demostrado que el extremo globular de cada proteína miosina que es la actina más cercana, llamada región S1, tiene múltiples segmentos articulados, que pueden doblarse y facilitar la contracción muscular (Hynes et al. 1987; Spudich 2001).

La flexión de la región de la miosina S1 ayuda a explicar la forma en que la miosina se mueve o «camina» a lo largo de la actina. La región más delgada y típicamente más larga de la «cola» de la miosina (S2) también exhibe flexibilidad, y gira en concierto con la contracción S1 (Figura 3).

Los movimientos de la miosina parecen ser una especie de danza molecula; la miosina se extiende hacia adelante, se une a la actina, se contrae, libera actina, y luego se extiende hacia adelante para unir la actina en un nuevo ciclo. Este proceso se conoce como ciclo de miosina-actina; a medida que el segmento de miosina S1 se une y libera actina, forma lo que se llama puentes cruzados, que se extienden desde los filamentos gruesos de miosina hasta los filamentos finos de actina.

La contracción de la región S1 de la miosina se denomina golpe de potencia; el golpe de potencia requiere la hidrólisis de ATP, que rompe un enlace de fosfato de alta energía para liberar energía. Específicamente, esta hidrólisis de ATP proporciona la energía para que la miosina pase por este ciclo: para liberar actina, cambiar su conformación, contraerse y repetir el proceso nuevamente (Figura 4).

La miosina permanecería destinada a actuar de forma indefinida, causando la rigidez del rigor mortis, si las nuevas moléculas de ATP no estuvieran disponibles (Lorand, 1953). Ahora bien, dos aspectos clave del ciclo de miosina-actina utilizan la energía disponible por la hidrólisis de ATP.

  • Primero, la acción de alcanzar la cabeza de miosina S1 utiliza la energía liberada después de que la molécula de ATP se rompe en ADP y fosfato. La miosina se une a la actina en esta conformación extendida.
  • En segundo lugar, la liberación del fosfato faculta la contracción de la región S1 de la miosina (Figura 4).

¿Qué regula el acortamiento del sarcómero?

El calcio y el ATP son cofactores (componentes no proteicos de las enzimas) requeridos para la contracción muscular de las células musculares. El ATP suministra la energía, como se describió anteriormente, pero ¿qué hace el calcio?; el calcio es requerido por dos proteínas, la troponina y la tropomiosina, que regulan la contracción muscular mediante el bloqueo de la unión de la miosina a la actina filamentosa.

En un sarcómero en reposo, la tropomiosina bloquea la unión de la miosina a la actina; en la analogía anterior de tirar de los estantes, la tropomiosina se interpondría en el camino de tus manos cuando intentabas sostener la cuerda de actina. Para que la miosina se una a la actina, la tropomiosina debe girar alrededor de los filamentos de actina para exponer los sitios de unión a la miosina.

En 1994, William Lehman y sus colegas demostraron cómo gira la tropomiosina al estudiar la forma de la actina y la miosina en soluciones ricas en calcio o en soluciones que contienen poco calcio (Lehman, Craig y Vibertt, 1994). Al comparar la acción de la troponina y la tropomiosina en estas dos condiciones, encontraron que la presencia de calcio es esencial para el mecanismo de contracción muscular.

Específicamente, la troponina (la proteína más pequeña) cambia la posición de la tropomiosina y la aleja de los sitios de unión a miosina en la actina, desbloqueando efectivamente el sitio de unión. Una vez que los sitios de unión a la miosina están expuestos, y si hay suficiente ATP, la miosina se une a la actina para comenzar el ciclo de puente cruzado. Entonces el sarcómero se acorta y el músculo se contrae; en ausencia de calcio, esta unión no se produce, por lo que la presencia de calcio libre es un importante regulador de la contracción muscular.

Una ilustración en dos partes muestra una comparación entre los filamentos de actina con sus sitios de unión a la miosina bloqueados por los filamentos de tropomiosina (arriba) y sus sitios de unión a la miosina expuestos cuando el calcio (CA2 +) está presente (abajo). El filamento de actina está representado por una cadena de esferas; cada esfera tiene un punto azul en su centro, que representa un sitio de enlace de miosina.

En la ilustración en la parte superior, los sitios de unión a la miosina están cubiertos por una molécula de tropomiosina similar a una cuerda, que está unida a una molécula de troponina. En la ilustración en la parte inferior, la tropomiosina ha cambiado su posición después de que la troponina se une al calcio (CA2 +), y los sitios de unión a la miosina son visibles. Aquí, la troponina y la tropomiosina regulan la contracción muscular a través de la unión al calcio

En el esquema simplificado de esqueletos de actina, que se muestran como cadenas grises de moléculas de actina (bolas), cubiertas con filamentos de tropomiosina lisos. La troponina se muestra en rojo (subunidades no distinguidas); al unirse al calcio, la troponina aleja la tropomiosina de los sitios de unión a la miosina en la actina (parte inferior) y la desbloquea de manera efectiva.

Preguntas sin resolver

¿Se entiende completamente la contracción muscular?. Los científicos aún sienten curiosidad por varias proteínas que influyen claramente en la contracción muscular, y estas proteínas son interesantes porque están bien conservadas en todas las especies animales. Por ejemplo, las moléculas como la titina, una proteína inusualmente larga y «elástica» que se extiende a los sarcómeros en vertebrados, parecen unirse a la actina, pero no se comprende bien.

Además, los científicos han hecho muchas observaciones de las células musculares que se comportan de maneras que no coinciden con nuestra comprensión actual de ellos. Por ejemplo, algunos músculos en los moluscos y artrópodos generan fuerza durante largos períodos, un fenómeno poco conocido a veces llamado «tensión de atrapamiento» o histéresis de fuerza (Hoyle, 1969). El estudio de estos y otros ejemplos de cambios musculares (plasticidad) son vías interesantes para que los biólogos exploren; en última instancia, esta investigación puede ayudarnos a comprender y tratar mejor los sistemas neuromusculares y comprender mejor la diversidad de este mecanismo en nuestro mundo natural.