Organización del músculo estriado

 1 Organización del músculo estriado

Los músculos estriados son estructuras altamente ordenadas. Consisten en varias células cilíndricas (fibras) que se contraen de manera homogénea, reguladas por el sistema nervioso central. Cada fibra muscular está compuesta por miles de unidades cilíndricas paralelas, las miofibrillas, que están formadas por bloques de construcción longitudinales, los sarcómeros. El sarcómero es la unidad funcional del músculo, agregando filamentos formados por diferentes moléculas, principalmente la miosina, la actina y la titina. Dentro de las sutilezas de la arquitectura del sarcómero y los filamentos se encuentran los elementos esenciales del proceso contráctil. La acción de muchas moléculas de miosina sobre los filamentos de actina causa un acortamiento de los sarcómeros, comenzando una respuesta amplificada que pasa a través de las miofibrillas, las células y, en última instancia, los músculos. Simultáneamente, las moléculas de titina estabilizan los filamentos de miosina-actina en el centro de los sarcómeros y proporcionan la mayoría de las fuerzas pasivas presentes en los músculos estriados. DE Rassier (*) Departamento de Kinesiología y Educación Física, Universidad McGill, Pine Avenue West 475, Montreal, QC, Canadá H2W1S4 correo electrónico: dilson.rassier@mcgill.ca Músculos estriados: de moléculas a células Dilson E. Rassier DE Rassier (ed.), Biofísica muscular: de moléculas a células, avances en medicina experimental y biología 682, DOI 10.1007 / 978-1-4419-6366-6_1, © Springer Science + Business Media, LLC 2010 2 DE Rassier Comprensión de los mecanismos de la contracción y la producción de fuerza requieren comprender la acción de todas las estructuras musculares. Mientras que los estudios clásicos sobre fisiología muscular han usado músculos enteros o fibras aisladas, una preparación que todavía se usa con aplicaciones insustituibles, los avances en tecnología han cambiado considerablemente el campo. Los aparatos experimentales que permiten la evaluación de tareas dentro de los rangos de nanonewton (nN) y las fuerzas de piconewton (pN) han permitido a los investigadores encubrir el mundo molecular dentro de las fibras musculares. Se han realizado estudios en varias capas de estructura para comprender cómo interactúan y producen fuerza. Cada capa de la organización aporta una contribución original a nuestro conocimiento; Cada técnica asociada permite la prueba de hipótesis y mecanismos específicos involucrados en la contracción. 1.1 Fibras musculares únicas Las mediciones mecánicas en fibras musculares intactas (Fig. 1a) se han realizado durante muchos años, lo que permite probar la teoría del puente cruzado y establecer los detalles Fig. 1 Fibras individuales aisladas de los músculos esqueléticos. (a) Fibra intacta del músculo lumbra de la rana, unida entre dos ganchos, que están conectados a un brazo motor y un transductor de fuerza, respectivamente. (b) Fibra permeabilizada del músculo psoas de conejo. Tenga en cuenta que el patrón de estriación es claro, lo que permite medir la longitud media del sarcómero. Músculos estriados: de Moléculas a Células 3 de la relación fuerza-longitud y fuerza-velocidad, entre varias características características de la contracción. Los primeros estudios, y la mayoría de los estudios mecánicos, se realizaron con fibras aisladas de anfibios (Huxley y Simmons 1971; Gordon et al. 1966). Los experimentos con fibras aisladas de los músculos de los mamíferos se desarrollaron posteriormente con importantes implicaciones fisiológicas (Lannergren y Westerblad 1987). En las fibras musculares, el patrón de estriación producido por los filamentos de miosina y actina (principalmente visible en las fibras de anfibios) se utiliza para las mediciones de la longitud media del sarcómero, y el grado de superposición del filamento puede estimarse durante los experimentos. Las fibras musculares también se pueden aislar después de ser permeabilizadas (Fig. 1b), y los medios que rodean las fibras se pueden manipular (pH, Ca2 +, etc.). Las fibras permeabilizadas no son tan resistentes como las fibras intactas, pero aún proporcionan mediciones de fuerza confiables. Esta preparación ha permitido a los científicos evaluar los detalles de la relación fuerza-pCa2 +, una característica importante de la regulación muscular asociada con la sensibilidad del aparato contráctil para generar fuerza. Las fibras individuales representan preparaciones robustas en las que se realizan mediciones de fuerza repetidas en un entorno donde están presentes todas las estructuras involucradas en la contracción . 1.2 Miofibrillas y sarcómeros individuales Dependiendo del objetivo del estudio, las fibras pueden presentar limitaciones: (1) el tiempo de difusión dentro de las fibras puede ser lento, y (2) el comportamiento de los sarcómeros individuales no puede evaluarse. Las mediciones de la longitud del sarcómero se basan en el perfil promedio de millones de sarcómeros organizados en serie y en paralelo, que pueden variar considerablemente durante las contracciones. Las miofibrillas individuales, por otro lado, permiten la visualización de sarcómeros individuales y semisarcómeros en serie (Rassier et al. 2003; Telley et al. 2006) (Fig. 2a). Como resultado, el análisis de la fuerza y ​​la dinámica del sarcómero se puede realizar directamente. Dando su pequeño diámetro y tiempo de difusión, las miofibrillas permiten una rápida activación y relajación, y los investigadores pueden determinar con precisión la cinética del desarrollo de la fuerza y ​​la relajación. Estas mediciones finalmente se corresponderán con la cinética de las tasas de acoplamiento y separación del puente cruzado. Las miofibrillas proporcionan mediciones de fuerza consistentes para la investigación de la mecánica muscular subcelular. Sin embargo, los sarcómeros en una miofibrilla dada pueden presentar comportamientos complejos. Se observaron no uniformidades significativas en la longitud del sarcómero, ya que los sarcómeros pueden cambiar su longitud continuamente durante la activación y relajación (Telley et al. 2006). Existe una coordinación entre sarcomeros inherente, lo que sugiere que los sarcómeros en una miofibrilla son dependientes entre sí (Shimamoto et al. 2009). Recientemente, los sarcómeros individuales se han aislado mecánicamente de las miofibrillas (Pavlov et al. 2009) (Fig. 2b). Se observan fuerzas de la misma magnitud que las producidas por las miofibrillas, y la dependencia de la fuerza de la longitud se parece a la observada en fibras individuales. La preparación puede abrir nuevas oportunidades para la investigación de la mecánica del sarcómero en diversas situaciones. 4 DE Rassier 1.3 Filamentos únicos y moléculas Los sarcómeros mantienen la estructura tridimensional de los músculos estriados intactos y, por lo tanto, representan la unidad básica de contracción. Sin embargo, cada sarcómero tiene muchos filamentos musculares y las interpretaciones moleculares pueden ser limitadas. Los filamentos individuales, por otro lado, proporcionan una evaluación directa de las interacciones entre la miosina y la actina. Experimentar con filamentos aislados es desafiante, ya que deben copolimerizarse después de la preparación de una sola molécula (Hikikoshi et al. 2005), o aislarse directamente de los músculos (generalmente de mejillón, Mytilus) (Liu y Pollack 2004). Las mediciones de fuerza durante las interacciones del filamento de miosina-actina se realizan con el ensayo de "trampa láser" (Hikikoshi et al. 2005) (Fig. 3a), o con el uso de cantilevers microfabricados (Liu y Pollack 2004) (Fig. 3b ). El ensayo de la trampa láser también ha permitido a los científicos investigar la mecánica de moléculas de miosina individuales (Finer et al. 1994) (Fig. 3c), aunque se pueden usar otros métodos (por ejemplo, sondas de fuerza (Kitamura et al. 1999) e in vitro). ensayos de motilidad (VanBuren et al. 1994)). Fig. 2 (a) Miofibrilla aislada del músculo psoas de conejo unida entre un par de voladizos en un extremo y una aguja de vidrio en el otro extremo. Los voladizos se utilizan para medir la fuerza, y la aguja de vidrio está conectada a un brazo motor. (b) Sarcomere aislado de una miofibrilla de psoas de conejo. El sarcómero queda atrapado entre dos microagujas precalibradas que permiten medir la fuerza durante las contracciones. Músculos estriados: de moléculas a células 5 Con la trampa láser, una molécula de miosina apoyada en un pedestal se adhiere a la actina; Cuando la actina se desliza como resultado del golpe de potencia de la miosina, se puede medir la fuerza. Este enfoque ha proporcionado a los investigadores una estimación precisa de los eventos básicos que subyacen a la contracción, es decir, la magnitud del golpe de potencia de la miosina, la fuerza y ​​la rigidez de las moléculas de miosina individuales y la relación entre el consumo de ATP y la fuerza. Fig. 3 Experimentación molecular durante las interacciones miosina-actina. (a) El filamento de actina atrapado entre dos cuentas interactúa con un filamento de miosina (adaptado de Hikikoshi et al. (2005). (b) Los filamentos de actina y miosina unidos entre los voladizos. (c) El filamento de actina atrapado entre dos cuentas interactúa con una molécula de miosina en la parte superior de una tercera cuenta. Adaptado de Finer et al. (1994) 6 DE Rassier Últimamente, se han logrado avances increíbles hacia la comprensión de la estructura responsable de las fuerzas pasivas, especialmente las moléculas de titina. Los científicos han aislado moléculas de titina y también regiones específicas. de titina, para luego unirlas a sondas de fuerza atómica (p. ej., Kellermayer et al. 2001). Con este enfoque, se han estudiado en detalle las características mecánicas de la titina, incluida su extensibilidad, la longitud de persistencia y la rigidez dependiente de la longitud. Las moléculas emergen todo el tiempo. Cada técnica utilizada en el campo de la contracción muscular tiene ventajas y desventajas. Las preparaciones moleculares y subcelulares permiten la investigación científica. sts para entender los mecanismos básicos de contracción y producción de fuerza, mientras que preparaciones más grandes se aproximan a las condiciones experimentales del entorno fisiológico. Si bien todas las técnicas experimentales han proporcionado información valiosa, el mecanismo de contracción y sus aplicaciones en diferentes situaciones aún está bajo investigación. El campo ciertamente verá más cambios en el futuro cercano, lo que promete traer nuevos enfoques e interpretaciones. Referencias Finer JT, Simmons RM, Spudich JA (1994) Mecánica de una sola molécula de miosina: fuerzas de piconewton y pasos nanométricos. Nature 368: 113–119 Gordon AM, Huxley AF, Julian FJ (1966) La variación en la tensión isométrica con la longitud del sarcómero en las fibras musculares de vertebrados. J Physiol 184: 170–192 Hikikoshi IA, Tanaka H, ​​Morimoto S, Ishijima A, Yanagida T (2005) El dominio del cuello de la miosina II regula principalmente la cinética de la actomiosina, no el tamaño de la escalera. J Mol Biol 353: 213–221 Huxley AF, Simmons RM (1971) Propuesta de mecanismo de generación de fuerza en el músculo estriado. Nature 233: 533–538 Kellermayer MS, Smith SB, Bustamante C, Granzier HL (2001) Fatiga mecánica en moléculas individuales de titina estiradas repetitivamente. Biophys J 80: 852–863 Kitamura K, Tokunaga M, Iwane AH, Yanagida T (1999) Una sola cabeza de miosina se mueve a lo largo de un filamento de actina con pasos regulares de 5.3 nanómetros. Nature 397: 129–134 Lannergren J, Westerblad H (1987) La dependencia de la temperatura de las contracciones isométricas de fibras intactas individuales disecadas de un músculo del pie de un ratón. J Physiol 390: 285–293 Liu X, Pollack GH (2004) Deslizamiento paso a paso de actina simple y filamentos de miosina. Biophys J 86: 353–358 Pavlov I, Novinger R, Rassier DE (2009) El comportamiento mecánico de los sarcómeros individuales de miofibrillas aisladas del músculo psoas de conejo. Am J Physiol Cell Physiol 297: C1211 – C1219 Rassier DE, Herzog W, Pollack GH (2003) Dinámica de los sarcómeros individuales durante y después del estiramiento en miofibrillas individuales activadas. Proc Biol Sci 270: 1735–1740 Shimamoto Y, Suzuki M, Mikhailenko SV, Yasuda K, Ishiwata S (2009) La coordinación entre sarcomeros en el músculo se reveló a través de la respuesta del sarcomero individual al estiramiento rápido. Proc Natl Acad Sci USA 106: 11954–11959 Telley IA, Denoth J, Stussi E, Pfitzer G, Stehle R (2006) Dinámica del medio sarcomero en las miofibrillas durante la activación y relajación estudiadas mediante el seguimiento de marcadores fluorescentes. Biophys J 90: 514–530 VanBuren P, Work SS, Warshaw DM (1994) Generación de fuerza mejorada por miosina de músculo liso in vitro. Proc Natl Acad Sci USA 91: 202–205 7 Resumen La preparación de fibra muscular única proporciona una herramienta excelente para estudiar el comportamiento mecánico del sistema contráctil a nivel del sarcomero. El presente artículo ofrece una visión general de los estudios basados ​​en fibras individuales intactas de músculo esquelético de rana y ratón. Se tratan los siguientes aspectos de la función muscular: (1) La relación entre la longitud y la tensión. (2) La relación bifásica fuerza-velocidad. (3) La velocidad máxima de acortamiento, su independencia de la longitud del sarcómero y el grado de activación. (4) Mejora de la fuerza durante el estiramiento, su relación con la longitud del sarcómero y el ancho de la red de miofilamento. (5) Mejora de la fuerza residual después del estiramiento. (6) Reducción de fuerza después del acortamiento cargado. (7) Desactivación por acortamiento activo. (8) Diferencias en las propiedades cinéticas a lo largo de las fibras musculares individuales. Palabra clave Rendimiento contráctil del músculo estriado 1 Introducción Se puede decir que un estudio publicado en Nature 1939 por Engelhardt y Ljubimova constituye el comienzo de una nueva era en la fisiología muscular. En este artículo se demostró que la "miosina", conocida en ese momento por ser uno de los componentes principales del músculo estriado (Bailey 1937), tenía la capacidad de dividir el compuesto de fosfato de alta energía adenosina trifosfato (ATP). El descubrimiento de Engelhardt-Ljubimova inspiró al bioquímico húngaro Albert Szent-Györgyi a dilucidar aún más la reacción de la “miosina” -ATP y su relación con el desarrollo de la fuerza y ​​el movimiento muscular. En los años siguientes (1940–1946), mientras Europa estaba devastada por la guerra, Szent-Györgyi y su escuela hicieron los descubrimientos más fundamentales de la fisiología muscular. KAP Edman (*) Departamento de Ciencias Médicas Experimentales, Centro Biomédico, Universidad de Lund, Lund S-221 84, Suecia correo electrónico: paul.edman@farm.lu.se Rendimiento contráctil del músculo estriado KAP Edman DE Rassier (ed. ), Biofísica muscular: de moléculas a células, avances en medicina experimental y biología 682, DOI 10.1007 / 978-1-4419-6366-6_2, © Springer Science + Business Media, LLC 2010 8 KAP Edman Lo que se conoció como "miosina" en ese momento se encontró que era un complejo de dos proteínas: la miosina verdadera (inicialmente llamada miosina A) y una proteína recién identificada, llamada actina. El descubrimiento de la actina fue realizado por FB Straub (1942), miembro del equipo de Szent-Györgyi. El complejo actina-miosina (actomiosina) podría extraerse del tejido muscular en una solución con alto contenido de sal y, finalmente, transformarse en hilos con una fuerza iónica fisiológica. Se demostró que los hilos así producidos se contraen fuertemente al agregar la ATP, un fenómeno que Albert Szent-Györgyi en años posteriores describió como el fenómeno más impresionante que había experimentado en su carrera científica. Contribuciones significativas en los primeros estudios de la maquinaria contráctil también vinieron del laboratorio de HH Weber. Weber y colaboradores (Weber y Portzehl 1952) demostraron que el ATP tiene dos acciones importantes sobre las fibras de actomiosina reconstituidas: induce la contracción y al mismo tiempo hace que las fibras sean plásticas, este último efecto es demostrable al bloquear la actividad de la miosina ATPasa. Por medio de un reactivo de grupo SH. Cabe señalar en este punto que la actomiosina que carece del sistema regulador, el complejo troponina-tropomiosina, no requiere que el calcio sea contratado por la ATP. Cerca del final de la guerra, antes de que las fronteras de Hungría estuvieran efectivamente cerradas para la inmigración, Albert Szent-Györgyi salió de Budapest para pasar medio año en el Instituto Karolinska en Estocolmo, Suecia. Durante este tiempo fue invitado a publicar un artículo de revisión de su trabajo seminal sobre el músculo en Acta Physiologica Scandinavica (Szent-Györgyi 1944). Antes de ir a los Estados Unidos, Albert SzentGyörgyi hizo los arreglos para que dos de sus alumnos anteriores en Budapest vinieran a trabajar a la Universidad de Uppsala. Uno de ellos, T. Erdös, había demostrado previamente, a sugerencia de Szent-Györgyi, que el estado de rigor en el músculo se debe al agotamiento de la ATP, es decir, la pérdida de la acción plastificante de la ATP. Mi propio interés en la función muscular se produjo en este momento, ya que era un estudiante de investigación en el Departamento de Farmacología de la Universidad de Uppsala, donde uno de los alumnos anteriores de Szent-Györgyi (A. Czapό) vino a trabajar. Mis primeros artículos (Edman 1950, 1951, 1953) describen los efectos de los glucósidos cardíacos sobre la actividad ATPasa de la miosina cardíaca. Paralelamente a este trabajo y junto con mi mentor EH Bárány, se desarrolló una técnica electrónica para medir el curso temporal de la disociación de actomiosina en solución después de la adición de ATP. Nuestro interés principal en este proyecto fue establecer cómo el calcio y el magnesio y las variaciones en la composición electrolítica del medio podrían afectar la tasa de disociación de actomiosina en respuesta al ATP (Bárány et al. 1951a, b, 1952). Esto fue seguido por estudios detallados de los efectos relajantes del zinc en las fibras musculares glicerinadas (con piel) (por ejemplo, Edman 1959a, b). El papel esencial del retículo sarcoplásmico en el proceso de relajación era desconocido en ese momento, y el posible papel del zinc como agente relajante se convirtió en una posibilidad muy interesante después de observar que hay tanto zinc en los músculos como calcio. Mi trabajo posterior sobre músculo se ha realizado principalmente en preparaciones intactas de músculo liso (Edman y Schild 1962, 1963), miocardio (Edman y Nilsson, 1968, 1972) y fibras musculares esqueléticas intactas. Los últimos preparativos han permitido estudios de la maquinaria contráctil a nivel de sarcómero utilizando diversas técnicas mecánicas y ópticas. En la siguiente cuenta, algunas propiedades básicas del sistema contráctil se describirán como explicadas en la preparación de fibra única.

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