UNIVERSIDAD AUTONOMA DE CHIAPASFACULTAD DE MEDICINA HUMANA C. IV TAPACHULA

LICENCIATURA EN MEDICO CIRUJANOALUMNO: ALEJANDRA ARREOLA NORIEGA

1 SEM AMATERIA: FISIOLOGIA

DR. OMAR GOMEZ CRUZ

FISIOLOGIA DE LA MEMBRANA, NERVIO Y MUSCULO

TRANSPORTE DE SUSTANCIAS A TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS CELULARES

El líquido extracelular contiene una gran cantidad de sodio, y una pequeña cantidad de potasio. En el líquido intracelular ocurre lo contrario, el líquido extracelular contiene una gran cantidad de iones cloruro, la concentración de fosfatos y de proteínas del líquido intracelular es considerablemente mayor que la del líquido extracelular.

LA MEMBRANA CELULAR CONSISTE EN UNA BICAPA LIPÍDICA CON PROTEÍNAS DE TRANSPORTE DE LA MEMBRANA CELULAR

Constituye una barrera frente al movimiento de moléculas de agua y sustancias insolubles entre los compartimentos del líquido extracelular e intracelular.

Sus estructuras moleculares interrumpen la continuidad de la bicapa lipídica y constituyen una ruta alternativa a través de la membrana celular. Muchas penetrantes pueden actuar como Proteínas transportadoras, algunas tienen espacios acuosos en todo el trayecto del interior de la molécula y permiten el movimiento libre del agua, iones o moléculas seleccionados, estas se denominan Proteínas de los canales. Las Proteínas transportadoras se unen a las moléculas o iones que se va a transportar y se desplazan después las sustancias a través de los intersticios de la proteína hasta el otro lado de la membrana. Las proteínas de los canales y las proteínas transportadoras son selectivas.

DIFUSIÓN FRENTE A TRANSPORTE ACTIVO

El transporte ya sea directamente a través de la bicapa lipídica o a través de las proteínas, se produce mediante uno de dos procesos básicos: Difusión o Transporte activo

La difusión es el movimiento moléculas aleatorio de las sustancias molécula a molécula, a través de espacios intermoleculares de la membrana o en combinación con una proteína trasportadora. La energía que hace que se produzca la difusión es la energía del movimiento cinético normal de la materia.

El transporte activo se refiere al movimiento de iones o de otras sustancias a través de la membrana en combinación con una proteína transportadora de tal manera que la proteína transportadora hace que la sustancia se mueva contra un gradiente de energía, como desde un estado de baja concentración a un estado de alta concentración. Este movimiento precisa una fuente de energía adicional además de la energía cinética

DIFUSIÓN

El movimiento continuo de moléculas entre sí en los líquidos o los gases se denomina:

DIFUSIÓN A TRAVÉS DE LA MEMBRANA CELULAR

Difusión a través de la membrana celular se divide en dos subtipos: difusión simple y difusión facilitada. Difusión simple significa que el movimiento cinético de las moléculas o de los iones se produce a través de una abertura de la membrana o a través de espacios intermoleculares sin ninguna interacción con las proteínas transportadoras de la membrana.

La difusión facilitada precisa la interacción de una proteína transportadora, ayuda al paso de moléculas o de los iones a través de la membrana mediante su unión química con estos y su desplazamiento a través de la membrana de esta manera.

LA DIFUSIÓN SIMPLE SE PRODUCE POR 2 RUTAS:

1) A través de los intersticios de la bicapa lipídica si la sustancia que difunde es liposoluble

2) A través de canales acuosos que penetran en todo el grosor de la bicapa a través de las grandes proteínas transportadoras

DIFUSIÓN DE SUSTANCIAS LIPOSOLUBLES A TRAVÉS DE LA BICAPA LIPÍDICA

Un factor que determina la rapidez con la que una sustancia difunde a través de la bicapa lipídica es la Liposolublidad

La velocidad de difusión de cada una de estas sustancias a través de la membrana es directamente proporcional a su Liposolublidad, se pueden transportar cantidades especialmente grandes de oxígeno, se puede liberar oxígeno en el interior de la celula casi como si no existiera la membrana celular

DIFUSIÓN DE AGUA Y DE OTRAS MOLÉCULAS INSOLUBLES EN LÍPIDOS A TRAVÉS DE CANALES PROTEICOS

El agua es muy insoluble en los lípidos de la membrana, pasa rápidamente a través de los canales de las moléculas proteicas que penetran en todo el espesor de la membrana. Las membranas celulares del cuerpo contienen poros proteicos denominados Acuaporinas que permiten selectivamente el rápido paso de agua a

través de la membrana celular. Y existen al menos 13 tipos diferentes en las diversas células de los mamíferos.

La rapidez con la que las proteínas de agua pueden difundir es sorprendente. Otras moléculas insolubles en lípidos pueden atravesar si son hidrosolubles y de un tamaño lo suficientemente pequeño.

DIFUSIÓN A TRAVÉS DE POROS Y CANALES PROTEICOS: PERMEABILIDAD SELECTIVA Y ACTIVACIÓN DE CANALES.

Los poros y canales proteicos han mostrado trayectos tubulares que se extienden desde el líquido extracelular hasta el intracelular.

Los poros están compuestos por proteínas de membranas celulares integrales que forman tubos abiertos a través de la membrana y que están siempre abiertos. El diámetro de un poro y sus cargas eléctricas proporcionan selectividad, permiten el rápido paso de agua a través de las membranas celulares pero impiden el de otras moléculas

Los canales proteicos se distinguen por dos características importantes: 1) con frecuencia son Permeables de manera selectiva 2) muchos de los canales se pueden abrir o cerrar por Compuertas que son reguladas por señales eléctricas (canales activados por el voltaje) o sustancias químicas que se unen a las proteínas de canales (canales activados por ligandos)

PERMEABILIDAD SELECTIVA DE LOS CANALES PROTEICOS

Son muy selectivos para el transporte de uno o más iones o moléculas específicos, se debe a las características del propio canal, como su diámetro y su forma y la naturaleza de las cargas eléctricas y enlaces químicos que están situados a lo largo de las superficies internas.

Se descubrió que lo canales potasio tienen una Estructura tetramerica consistente en cuatro subunidades proteicas idénticas que rodean a un poro central

En el Canal del sodio, las superficies internas de este camal están revestidas con aminoácidos que tienen carga intensamente negativa, estas cargas pueden arrastrar pequeños iones sodio deshidratados hacia el interior de estos canales, el canal sodio es altamente selectivo para el paso de iones sodio.

ACTIVACIÓN DE LOS CANALES PROTEICOS

Proporciona un medio para controlar la permeabilidad iónica de los canales. La apertura y cierre de las compuertas están controlados de dos maneras principales:

1) Activación por voltaje: la conformación molecular de la compuerta o de sus enlaces químicos responde al potencial eléctrico que se establece a través de la membrana celular

2) Activación química (por ligando): las compuertas de algunos canales proteicos se abren por la unión de una sustancia química a la proteína, que produce un cambio conformacional o un cambio de los enlaces químicos de la molécula de la proteína que abre o cierra la compuerta

Esta compuerta es muy importante para la transmisión de señales nerviosas desde una celula nerviosa a otra y desde las células nerviosas a las células musculares para producir contracción

Estado abierto frente ha estado cerrado de los canales activados

El canal conduce la corriente según un mecanismo de todo o nada, la compuerta del canal se abre súbitamente y después se cierra súbitamente de modo que cada estado abierto dura únicamente desde una fracción de segundo

OSMOSIS

Es el proceso del movimiento neto del agua. Se produce cuando en un lado tenemos mayor concentración de agua y esta tendrá que pasar al otro lado de manera selectiva. La cantidad de presión que se utiliza para detener la osmosis denomina “presión osmótica”. Esta se determina por la concentración de la solución en función del número de partículas.

La concentración del número de partículas se mide en osmolalidad y osmolaridad.

Osmolalidad: es la cantidad de solutos respecto a su número de partículas. Se expresa por kg de agua, es decir, un osmol de soluto disuelto por kilogramo de agua.

Osmolaridad: se mide por litro. Un osmol por litro de solución.

TRANSPORTE ACTIVO

Es el transporte de moléculas en contra de su gradiente de concentración. Se divide en transporte activo primario y transporte activo secundario. Transporte activo primario: bomba sodio – potasio. Como su nombre lo dice, esta bomba se encarga de mantener las concentraciones de sodio y potasio a través de la membrana celular. Transporta 3 iones sodio hacia el exterior de la célula y 2 iones potasio hacia su interior.

Para que esta acción se realice se necesita la activación del ATPasa para la creación de una molécula de ATP la cual se dividirá en ADP y liberara energía de fosfato, esta energía creada es necesaria para poder transportar los sodios y fosfatos al exterior e interior de la célula.

La función de la bomba sodio potasio es de suma importancia ya que permite transmitir las señales nerviosas por todo el sistema nervioso, controlar el

volumen celular y genera un potencial eléctrico a través de la membrana celular por lo que se dice que es electrógena. No solo existe la bomba sodio – potasio en el transporte activo primario, sino que también encontramos a la bomba de calcio.

Encontramos dos bombas de calcio, la primera consiste en bombear calcio hacia el exterior de la célula y la segunda se encarga de bombera calcio hacia los orgánulos vesiculares intracelulares. Ambos procesos utilizan el mismo mecanismo de obtención de energía de la bomba sodio – potasio.

Otro transporte activo primario es el de los iones de hidrogeno, este se lleva a cabo en dos pates del cuerpo:

1) Glándulas gástricas del estómago: el transporte activo primario la tienen las células parietales que se encuentran en las capas de este y tiene como principal función secretar el ácido clorhídrico.

2) Túbulos renales: contienen a las células intercaladas con el objetivo de secretar iones de hidrogeno desde la sangre hacia la orina para eliminar los líquidos corporales en exceso.

También es importante mencionar que la energía necesaria para mover una sustancia se determina por la cantidad de sustancia que se concentra durante el transporte.

Transporte activo secundario: cuando se lleva a cabo el transporte activo primario se presenta una concentración elevada de iones de sodio fuera de la célula y una baja concentración en su interior lo que provoca un almacén de energía, entonces, esta energía sobrante es utilizada por el transporte activo secundario.

Existen dos tipos de transporte activo secundario: cotransporte y Contratransporte.

Cotransporte: es el paso de dos sustancias a través de la membrana en una sola dirección. Por ejemplo: cotransporte sodio-glucosa y cotransporte con sodio de los aminoácidos.

Contratransporte: es el paso de dos sustancias en direcciones opuestas en una misma proteína de membrana, es decir, una va hacia el exterior mientras la otra va hacia el interior. Ejemplo: Contratransporte sodio-calcio y Contratransporte sodiohidrogeno.

TRANSPORTE ACTIVO A TRAVÉS DE CAPAS CELULARES

El transporte activo no solo se lleva a cabo en las membranas celulares, sino que también se pueden transportar sustancias a las capas celulares, ejemplo:

1) Epitelio intestinal

2) Epitelio de los túbulos renales

3) Epitelio de las glándulas exocrinas

4) Epitelio de la vesícula biliar

5) Membrana del plexo coroideo del cerebro

POTENCIALES DE MEMBRANA Y POTENCIALES DE ACCIÓN

Las fibras nerviosas contienen una concentración elevada de potasio en su interior mientras que en su exterior es baja. Estos se moverán dependiendo de su gradiente de concentración creando así electropositividad y electronegatividad, en este caso la electropositividad se generará fuera de la membrana y la electronegatividad dentro de ella debido a que el transporte de cargas positivas hacia afuera y cargas positivas hacia adentro. A esta diferencia de potencial entre ambos extremos de la membrana se llama potencial de difusión.

Es importante saber que el potencial eléctrico a cada lado de la membrana dependerá del ion que se transporte. Una diferencia de concentración de iones crea un potencial de membrana el cual se encarga de la transmisión de los impulsos nerviosos y musculares. Los iones sodio, potasio y cloruro son los más importantes para esta acción.

POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO DE LAS NEURONAS

El potencial de membrana en reposo de las fibras musculares es de -90 mV. El interior de la fibra será más negativo que el potencial del líquido extracelular.

ORIGEN DEL POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO NORMAL

Cuando hay una contribución del potencial de difusión del potasio el potencial en reposo será de -94mV. En la difusión del sodio en la membrana nerviosa nos dice que el potencial de nerst será de +61mV. Con una difusión de potasio de -86mV. En la ecuación de Goldman. En la bomba sodio potasio debido a la salida de potasios el interior tiene una pérdida de cargas positivas y genera una electronegatividad de -4mV.

POTENCIAL DE ACCIÓN DE LAS NEURONAS

Los potenciales de acción permiten las transmisiones de señales nerviosas, los potenciales de acción están divididos en tres fases: 1) Fase de reposo: cuando el potencial de membrana está en reposos se dice que esta polarizada y es de -90mV. 2) Fase de despolarización: en esta fase la membrana se hace permeable a los iones sodios lo que provoca una despolarización debido al ingreso de iones sodios (están cargados positivamente). 3) Fase de re polarización: después de la permeabilidad estos canales de sodio comienzan a cerrarse y al mismo tiempo los canales de potasio se abren, lo que permite la

salida de iones potasio hacia el exterior reestableciendo el reposo negativo normal, ósea la re polarización.

CANALES DE SODIO Y POTASIO ACTIVADOS POR VOLTAJE

El elemento necesario para la polarización y despolarización es el canal del sodio activado por voltaje, aunque también, el canal de potasio activado por voltaje es indispensable para la re polarización de la membrana.

ACTIVACIÓN E INACTIVACIÓN DEL CANAL DE SODIO ACTIVADO POR EL VOLTAJE

El canal de sodio está compuesto por dos compuertas, una de activación y otra de inactivación. La compuerta de activación se encuentra cerrada cuando el potencial de membrana está en su estado normal (-90mV.) lo que por lógica impedirá el paso de los iones sodio. Para la activación del canal de sodio es necesario que haya una disminución del potencial de membrana para alcanzar un voltaje, en este caso seria -70 y -50 mV. Lo que inmediatamente producirá la abertura de estos canales y se dice que está en estado activo, una vez realizado esta activación los iones sodio ingresaran y aumentaran la permeabilidad de la membrana hasta 500 o 5000 veces.

Para la inactivación del canal de sodio se utiliza el mismo voltaje que en la compuerta de activación, pero este será un proceso más largo y lento. Una vez cerradas las compuertas los iones sodios ya no pueden atravesar la membrana y por lo tanto se recupera a su estado normal, la repolarización. Y para que este proceso vuelva a repetirse es necesario que se lleve a cabo la repolarización de lo contrario los canales no volverán a abrirse.

Existe un método llamado pinza de voltaje, este es utilizado para medir el flujo de iones que atraviesan los canales, consiste en dos electrodos, uno es utilizado para medir el voltaje y el otro para conducir corriente eléctrica ya sea al exterior o interior de la membrana. Este aplica la velocidad para el voltaje y electricidad positiva o negativa que uno quiera.

Hay otros tipos de iones considerados para los potenciales de acción, entre estos se encuentran dos más: los aniones y los iones de calcio.

INICIO DEL POTENCIAL DE ACCIÓN

Para que se lleve a cabo el potencial de membrana que realiza la apertura y cierre de las compuertas existe un ciclo de realimentación positiva el que permite que este se origine sucesivamente cada vez que termina un potencial de acción. Para que pueda haber un potencial de membrana es necesario que este alcance un umbral que sea lo suficientemente grande para dar inicio al ciclo de retroalimentación positiva. El umbral para llevar a cabo la estimulación es de - 65mV.

PROPAGACIÓN DEL POTENCIAL DE ACCIÓN

Cuando se genera un potencial de acción en algún punto de la membrana este se propaga a lo largo de toda la membrana provocando una despolarización en toda la fibra nerviosa lo que genera un impulso nervioso o muscular. La propagación no tiene una dirección definida, debido a que esta puede generarse en cualquier punto y de ahí parte la despolarización sobre toda la membrana.

El principio del todo o nada nos dice que para que haya una propagación en la membrana de un impulso, el cociente del potencial de acción respecto al umbral debe ser mayor de 1, si este no llega a este umbral la propagación es nula. El requisito mayor de 1 se denomina factor de seguridad para la propagación.

RESTABLECIMIENTO DE LOS GRADIENTES IÓNICOS DE SODIO Y POTASIO TRAS COMPLETARSE LOS POTENCIALES DE ACCIÓN: LA IMPORTANCIA DEL METABOLISMO DE LA ENERGÍA

Cuando se generan las propagaciones de los potenciales de acción provocan una ligera diferencia de concentración de sodio y potasio en el interior y exterior de la célula. Con el tiempo por medio de las bombas sodio-potasio se puede restablecer las diferencias de las concentraciones, por medio de la energía utilizada por esta bomba, “la recarga” en las fibras nerviosas es un proceso metabólico activo que utiliza la energía que procede del sistema energético del trifosfato de adenosina de la célula.

Durante la recarga la fibra nerviosa produce un aumento del calor que es una medida del gasto energético cuando aumenta la frecuencia de los impulsos nerviosos

MESETA DE ALGUNOS POTENCIALES DE ACCIÓN

La meseta es la prolongación del tiempo de la despolarización, esto ocurre en algunos casos, en donde después de la despolarización la repolarización no se lleva a cabo inmediatamente, sino que pasa un periodo de milisegundos para que suceda la repolarización. La causa de la meseta se debe a diversos factores: en primer lugar, en el proceso de despolarización del musculo cardiaco existen dos tipos de canales, los activados por voltaje “canales rápidos” y los canales calcio sodio activados por voltaje (canales de calcio tipo L) “canales lentos” lo que hace que se genere la porción de meseta de los potenciales de acción.

Otro segundo factor es que los canales de potasio activados por voltaje tienen una apertura más lenta de lo habitual y no se abren mucho hasta el final de la meseta.

RITMICIDAD DE ALGUNOS TEJIDOS EXCITABLES: DESCARGA REPETITIVA

Las descargas repetitivas se llevan a cabo en tejido excitables como en el corazón, musculo liso y neuronas del sistema nervioso central, estas descargas rítmicas producen el latido rítmico del corazón, peristaltismo rítmico de los intestinos y los fenómenos neuronales como por ejemplo el control de la respiración.

Para que pueda producirse ritmicidad espontanea la membrana debe ser lo suficientemente permeable a los iones sodio lo que permitirá la despolarización automática de la membrana.

La excitación rítmica se lleva a cabo cuando los iones sodio y calcio fluyen hacia el interior lo que produce el aumento del voltaje de esta cavidad y provoca el aumento de la permeabilidad de la membrana, se produce el flujo de entrada de más iones y aumenta aún más la permeabilidad progresivamente hasta que se genera un potencial de acción, que después de este se despolarizará la membrana, y este ciclo continua de manera indefinida.

CARACTERÍSTICAS ESPECIALES DE LA TRANSMISIÓN DE SEÑALES EN LOS TRONCOS NERVIOSOS Existen fibras nerviosas mielinizadas y no mielinizadas Las fibras mielinizadas con tienen un núcleo llamado axón, este contiene una membrana que se encarga de conducir el potencial de acción. En el centro del axón se encuentra el axoplasma que es un líquido intravescular viscoso.

Alrededor del axón hay una vaina de mielina y a lo largo de la vaina de mielina están los nódulos de Ranvier, que son la unión entre dos células de Shwann y entre ellas pueden fluir los iones. Las células de Schwann se encargan de depositar la vaina de mielina alrededor del axón. La membrana de una célula de Schwann rodea al axón y deposita múltiples capas de membrana de la célula de Schwann que contienen la sustancia lipídica esfingomielina, esta sustancia es un aislante eléctrico que disminuye el flujo iónico a través de la membrana.

Los potenciales de acción solo se llevan a cabo en los nódulos por lo que se dice que es una conducción saltatoria. Este mecanismo aumenta la velocidad de transmisión nerviosa y permite una pérdida de iones hasta 100 veces menor de lo necesario. La velocidad de conducción de los impulsos nerviosos es de 0.25 m/s en fibras no mielinizadas y de 100m/s en fibras mielinizadas.

EXCITACIÓN: EL PROCESO DE GENERACIÓN DEL POTENCIAL DE ACCIÓN

El pasó de la electricidad o efectos químicos que suceden sobre la membrana son factores que pueden generar la apertura de los canales de sodio. Los potenciales locales agudos se caracterizan cuando un estímulo altera localmente el potencial de la membrana después de haber tenido dos estímulos débiles. Y cuando no pueden generar ningún potencial de acción se denominan potenciales subliminales agudos.

PERIODO REFRACTARIO

El periodo refractario es aquel que no puede generar un segundo potencial de acción, aunque tenga un estímulo muy intenso.

“CONTRACCIÓN DEL MUSCULO ESQUELÉTICO”

El cuerpo humano está formado con el 40% de musculo esquelético y el 10% de musculo liso y cardiaco. Los músculos esqueléticos tienen como principal función dar movimiento al esqueleto. Los músculos esqueléticos están formados por numerosas fibras que se extienden a los largo de la longitud de los músculos y están inervadas por una sola terminación nerviosa cerca del punto medio de la fibra.

Las fibras musculo esqueléticas se encuentran envueltas por el sarcolema que está formado por una membrana Otro elemento importante de las miofibrillas es el retículo sarcoplasmico, este se encarga de regular el almacenamiento, la liberación y receptación del calcio para controlar la contracción muscular.

MECANISMO GENERAL DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR

1) Un potencial de acción viaja a lo largo de una fibra motora hasta sus terminales sobre las fibras musculares

2) En cada terminal, el nervio secreta una pequeña cantidad de la sustancia neurotransmisora acetilcolina.

3) La acetilcolina actúa en una zona local de la membrana de la fibra muscular para abrir múltiples canales de cationes.

4) La apertura de los canales activados por acetilcolina permite que grandes cantidades de iones sodio difundan hacia el interior de la membrana de la fibra muscular.

5) El potencial de acción viaja a lo largo de la membrana de la fibra muscular de la misma manera que los potenciales de acción viajan a lo largo de las membranas de las fibras nerviosas.

6) El potencial de acción despolariza la membrana muscular, y buena parte de la electricidad del potencial de acción fluye a través del centro de la fibra muscular.

7) Los iones calcio inician fuerzas de atracción entre los filamentos de actina y miosina.

8) Después de una fracción de segundo los iones calcio son bombeados de nuevo hacia el retículo sarcoplásmico por una bomba de Ca++ de la membrana y permanecen almacenados en el retículo hasta que llega un nuevo potencial de acción muscular; esta retirada de los iones calcio desde las miofibrillas hace que cese la contracción muscular.

MECANISMO MOLECULAR DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR

El deslizamiento de los filamentos produce la contracción muscular, este mecanismo se lleva a cabo de la siguiente manera: en el estado contraído los filamentos de actina se deslizan entre los filamentos de miosina esta acción se lleva a cabo por las fuerzas generadas entre los puentes cruzados que se encuentran en ambos filamentos.

Cuando un potencial de acción viaja a lo largo de la fibra muscular provoca la liberación de iones de calcio del retículo sarcoplasmico que rodean a las miofibrillas y al mismo tiempo estas fuerzas de atracción entre los filamentos y comienza la contracción.

CARACTERÍSTICAS MOLECULARES DE LOS FILAMENTOS CONTRÁCTILES

-Los filamentos de miosina están formados por 200 o más moléculas de miosina. Las moléculas de miosina están formadas por seis cadenas polipeptidicas, dos cadenas pesadas y cuatro cadenas ligeras. -Los filamentos de actina están formados por la molécula de la proteína F-actina bicatenaria, tropiomiosina y troponina.

La F-actina esta presentada por dos hebras de color claro, la tropiomiosina se encuentra enrollada en espira alrededor de los lados de la hélice de F-actina y por último, la troponina se ubica a los lados de las moléculas tropiomiosina, la troponina se divide en tres subunidades: troponina T, troponina C y troponina I. -Cuando ocurre la inhibición del filamento de actina puro sin la presencia del complejo troponina-tropiomiosina los puntos activos del filamento de actina normal del musculo relajado son inhibidos físicamente por el complejo troponinatropoiosina. -en presencia de iones de calcio, se inhibe el propio efecto inhibidor del complejo troponinatropoiosina sobre los filamentos de actina. -una vez activado el filamento de actina por los iones de calcio la cabeza de los puentes cruzados de los filamentos de miosina son atraídos hacia los puntos activos del filamento de actina y produce la contracción. -en la contracción se utilizan grandes cantidades de energía de ATP para formar ADP. -la longitud del sarcomero varía dependiendo de la cantidad de superposición entre los filamentos de miosina y actina durante la tensión activa. -la tensión activa (aumento de la tensión que se produce durante la contracción) se reduce a medida que el musculo es distendido más allá de su longitud normal.

ENERGÉTICA DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR

La energía que se necesita para realizar un trabajo proviene de las reacciones químicas de las células musculares durante la contracción. Existen tres fuentes de energía importantes utilizadas para reconstruir el ATP: fosfocreatina, glucolisis y metabolismo oxidativo.

CARACTERÍSTICAS DE LA CONTRACCIÓN DE TODO EL MUSCULO

Las contracciones musculares se caracterizan por ser isométricas e isotónicas. Las contracciones isométricas son todas aquellas en las cuales al ejercer una fuerza el musculo se contrae y se relaja sin afectar su longitud, y en las contracciones isotónicas los músculos se acortan contra una carga fija. Los músculos existen en diferentes tamaños, desde los más pequeños hasta el más grande, con fibras cortas y largas, es por eso que la contracción de cada uno de ellos es variable.

Las fibras que inervan los músculos se clasifican en rápidas y lentas: 1) Fibras lentas (tipo I, musculo rojo) • Pequeñas • Inervadas por fibras nerviosas pequeñas • Sistema de vascularización extenso • Número elevado de mitocondrias • Grandes cantidades de mioglobina 2) Fibras rápidas (tipo II, musculo blanco) • Grandes • Retículo sarcoplasmico extenso • Enzimas glucoliticas • Vascularización menos extensa • Menos mitocondrias • Déficit de mioglobina

MECÁNICA DE LA CONTRACCIÓN DEL MUSCULO ESQUELÉTICO

Unidad motora: son todas las fibras musculares inervadas por una única fibra nerviosa. Los músculos pequeños tienen un movimiento rápido y específico por lo que están inervadas por más fibras nerviosas y menos fibras musculares, de lo contrario los músculos grandes que no tienen un control fino tienen más fibras musculares en una unidad motora.

La sumacion de las fuerzas musculares se distingue en dos tipos:

1) Sumacion de fibras múltiples: aumenta el número de unidades motoras que se contraen de manera simultánea.

2) Sumacion de frecuencia y tetanizacion: aumenta la frecuencia de la contracción sin permitir una relajación entre los potenciales de acción.

La máxima fuerza de contracción en un musculo en función normal es de 3 y 4 kg por centímetro cuadrado de musculo. Efecto escalera o treppe: se realiza cuando un musculo empieza a contraerse después de un periodo de reposo prolongado, su fuerza inicial de contracción puede ser muy pequeña y va aumentando hasta una meseta.

Esto es posible gracias al aumento de iones calcio en el citosol debido a la liberación de más iones en el retículo sarcoplasmico.

La fatiga muscular es la contracción larga e intensa de un musculo, esta aumenta de acuerdo a la velocidad de depleción de glucógeno en el musculo. La cinesiología se encarga del estudio de los diferentes tipos de músculos y sistemas de palanca.

Los sistemas de palanca están formados por huesos, los cuales tienen una tensión aplicada en sus puntos de inserción. Estos se encargan del movimiento y la intensidad en la que se realiza. La coactivacion es un proceso de contracción

simultanea de músculos agonistas y antagonistas de lados opuestos de las articulaciones controlados por los centros de control del encéfalo y de la medula espinal.

REMODELACIÓN DEL MUSCULO PARA ADAPTARSE A LA FUNCIÓN

Los músculos se modelan frecuentemente para adaptarse a sus funciones, alteran su longitud, diámetro, fuerza, vascularización y muy levemente se modelan sus tipos de fibras musculares. Los músculos tienden a obtener mayor volumen o bien la disminución de este, son denominados hipertrofia muscular y atrofia muscular respectivamente.

La hipertrofia muscular se debe al aumento de filamentos de actina y miosina en cada fibra muscular, también existe un aumento en los sistemas enzimáticos que proporcionan energía. La atrofia muscular es la degradación proteica del musculo importada por la ruta de ubicuitina-proteasoma dependiente del ATP. Cuando un musculo pierde su inervación ya no recibe las señales contráctiles que son necesarias para mantener el tamaño muscular normal, por lo que comienzan a haber cambios degenerativos en las fibras musculares, esta es destruidos y sustituidos por tejido fibroso y adiposo.

Rigidez cadavérica: como su nombre lo dice, algunas horas después de la muerte los músculos del cuerpo entran en un estado de resistencia, se contraen, esto se debe a la perdida de ATP que es el encargado de la separación de puentes cruzados de los filamentos de actina.

La distrofia muscular es la debilidad y degeneración progresiva de las fibras musculares.

“Transmisión de impulsos nerviosos desde las terminaciones nerviosas a las fibras del músculo esquelético: la unión neuromuscular”

La unión neuromuscular es la unión entre una de las fibras nerviosas de neuronas motoras grandes provenientes de las astas anteriores de la médula espinal que pasan por el vientre muscular y una de las fibras del músculo esquelético (solo el 2% de las fibras musculares omiten esta regla).

Esta fibra nerviosa se une al punto medio de la fibra muscular y forma un complejo de terminaciones nerviosas que se acoplan con la fibra muscular, esta estructura se llama placa motora terminal, que está envuelta por células de Schwann que aísla la placa de los líquidos extracelulares. Cuando se genera una potencia de acción, este inicia en el centro y se extiende a los extremos de la fibra muscular.

La membrana que ha sido invaginada se denomina gotera sináptica o valle sináptico, en este hay pliegues pequeños de la membrada de la fibra muscular

llamadas hendiduras subneurales, su función es aumentar el área en la que el potencial de acción puede actuar.

El espacio que existe entre la vesícula sináptica y la gotera se llama espacio sináptico o hendidura sináptica y mide de 20 a 30 nm de ancho. El ATP es la fuente de energía que se usa para producir acetilcolina, que es el transmisor que excita al músculo, por lo que en las vesículas sinápticas hay muchas mitocondrias.

Cuando un impulso nervioso llega a la unión neuromuscular, se liberan aproximadamente 125 vesículas de acetilcolina hacia el espacio sináptico, esto es posible ya que, al llegar el impulso, se abren los canales de calcio depende por voltaje, lo que hace que el calcio que está en la hendidura entre al terminal sináptico y que la acetilcolina salga del terminal a la hendidura mediante exocitosis. Cuando es liberada, dos moléculas acetilcolina se unen a cada canal iónico dependiente de ligando ubicados en la fibra muscular, lo que provoca su apertura y la consiguiente entrada de sodio a la fibra muscular debido a la diferencia de gradientes de concentración.

El diámetro del canal es de 0,65nm, tan grande como para que entren moléculas de calcio, sodio y potasio, cada canal puede transmitir de 15 a 30 mil iones sodio en 1ms, el tiempo que el canal permanece abierto es suficiente para excitar la fibra muscular, lo que eleva el potencial eléctrico de la misma hasta entre los 50 y los 75mV y a su vez generando lo que se denomina como potencial de la placa terminal.

La acetilcolina es destruida por medio de dos medios, la mayor parte es destruida por la enzima acetilcolinesterasa, que se encuentra en la capa esponjosa de tejido conjuntivo del espacio sináptico, está la responsable de convertir la acetilcolina en iones acetato y colina, esta última puede ser reutilizada, lo que resta de la acetilcolina se difunde hacia el exterior y queda inutilizable para la membrana de la fibra muscular, la rápida eliminación de la acetilcolina impide la reexcitación muscular después de un potencial de acción. Una unión neuromuscular tiene un elevado factor de seguridad, que es aproximadamente tres veces mayor que el voltaje necesario para producir una contracción muscular, pero cuando una unión se estimula más de 100 veces por segundo por varios minutos, la cantidad de vesículas de acetilcolina que pueden liberarse disminuye, por lo que se dice que la unión llega a un estado de fatiga, efecto que también se aplica en la sinapsis en el sistema nervioso central.

Biología molecular de la formación y liberación de acetilcolina Las cuatro fases que conlleva el proceso son:

1. Se forman aproximadamente 300,000 vesículas en el aparato de Golgi del cuerpo de la moto neurona de la médula espinal y se transporta a lo largo de todo el axoplasma hasta la unión neuromuscular, cada vesícula tiene un tamaño aproximado de 40nm.

2. La acetilcolina es sintetizada en el citosol de la terminación nerviosa y atraviesa inmediatamente la membrana de las vesículas, cada vesícula contendrá aproximadamente 10,000 moléculas de acetilcolina.

3. Cuando el potencial llega a la terminación nerviosa, se abren los canales de calcio, esta apertura aumenta la velocidad de fusión de las vesículas que transportan la acetilcolina con la membrana de la terminación, liberando la acetilcolina en la hendidura sináptica. Posteriormente se elimina la acetilcolina mediante los medios mencionados con anterioridad. El tiempo de esta secuencia de acontecimientos es de 5 a 10ms.

4. Las vesículas disponibles alcanzan para transmitir algunos miles de impulsos desde la fibra nerviosa hacia la muscular.

Unos segundos después aparecen hendiduras revestidas en la membrana de la terminación nerviosa producidas especialmente por clatrina que, posteriormente, se rompen por la contracción de las mismas proteínas para formar nuevas vesículas. Unos segundos más tarde, la acetilcolina es transportada alas vesículas para una nueva liberación de acetilcolina. Existen fármacos actúan de manera similar a la acetilcolina, tales como la metacolina, el carbacol y la nicotina.

La diferencia entre estos y la acetilcolina es que no son destruidos por la colinesteraza o las destruyen tan lento que el efecto se queda de varios minutos a horas. Los tres fármacos crean zonas de despolarización en la membrana de la fibra muscular, lo que genera espasmos musculares debidos a la fuga de iones que inician un nuevo impulso nervioso. Otros fármacos, como la neostigmina y la fisostigmina, inactivan el proceso de la acetilcolinesterasa combinándose con ella, lo que hace que la acetilcolina se acumule con cada potencial de acción y producen espasmos musculares. En caso de que el espasmo sea laríngeo, se puede producir la muerte por asfixia.

Después de varias horas los fármacos se separan de la acetilcolinesterasa y esta se activa de nuevo. Así como hay fármacos que potencian la transmisión por unión neuromotora, hay otros que la bloquean, tales como la d-tubocurarina, que bloquean la acción de la acetilcolina sobre sus receptores. Miastenia grave, causa de debilidad muscular Esta aparece en 1 de cada 20,000 personas y hace que las uniones neuromusculares no puedan transferir suficientes señales, por lo que la fibra muscular no se despolariza, lo que provoca debilidad muscular.

La enfermedad se detecta la observación de anticuerpos frente a los receptores de acetilcolina, por lo que se infiere que la enfermedad crea dichos anticuerpos los cuales destruyen los receptores de acetilcolina en las membranas postsinápticas. Cuando la enfermedad es muy fuerte, el paciente puede morir por debilidad en los músculos respiratorios. Uno de los tratamientos contra la Miastenia grave es la administración de neostigmina.

Potencial de acción muscular El inicio y la conducción de los potenciales de acción muscular son similares a los del sistema nervioso en algunas cosas:

1. Su potencial de membrana en reposo es el mismo.

2. La duración del potencial de acción en las fibras del músculo esquelético es 5 veces mayor que en los nervios mielinizadas grandes.

3. La velocidad de conducción es 1/13 de la velocidad de las fibras nerviosas mielinizadas grandes que excitan el músculo esquelético.

Los potenciales que se propagan en fibras musculares lo hacen generalmente por su superficie, en caso de necesitar una contracción muscular máxima, los impulsos se deben generar en lo más profundo del músculo penetrando en las miofibrillas, esto se logra gracias a los túbulos T que se originan en la membrana y atraviesan la fibra muscular perpendicularmente produciendo la liberación de calcio en su luz que a su vez producen la contracción. Esto se denomina excitación contracción.

Junto a los túbulos T se encuentran estructuras llamadas retículos sarcoplásmicos, por cavidades llamadas cisternas terminales y túbulos longitudinales que envuelven las miofibrillas. En el interior de estos últimos hay muchos iones calcio que son liberados debido a un potencial de acción en un túbulo T cercano.

El mecanismo funciona así: el túbulo T recibe el potencial, el voltaje es captado por receptores de dihidropiridina ligados a canales de liberación de calcio de las cisternas reticulares, esto abre los canales liberadores de calcio sobre el sarcoplasma y provoca la contracción del músculo. Después de iniciada la contracción, una bomba de calcio que está en el retículo sarcoplásmico bombea estos iones desde las miofibrillas a los túbulos sarcoplásmicos. Esta bomba puede concentrar 10,000 veces los iones calcio en los túbulos. CAPÍTULO 8, UNIDAD II “Excitación y contracción del músculo liso” El músculo liso, que está formado por fibras mucho menores, habitualmente de 1 a 5 μm de diámetro y de solo 20 a 500 μm de longitud. Las fibras musculares esqueléticas tienen un diámetro hasta 30 veces mayor y una longitud cientos de veces mayor, hay que tomar en cuenta que las mismas fuerzas de atracción entre los filamentos de miosina y actina producen la contracción en el músculo liso y en el músculo esquelético, pero la disposición física interna de las fibras musculares lisas es diferente.

El músculo liso de los distintos órganos es distinto del de la mayor parte de los demás en varios sentidos: dimensiones físicas, organización en fascículos o láminas, respuesta a diferentes tipos de estímulos, características de la inervación, y función, pero se puede dividir en multiunitario y unitario.

El multiunitario está formado por fibras musculares lisas separadas y discretas. Cada una de las fibras actúa independientemente de las demás y con frecuencia

está inervada por una única terminación nerviosa, como ocurre en las fibras musculares esqueléticas. Además, la superficie externa de estas fibras, como en el caso de las fibras musculares esqueléticas, está cubierta por una capa delgada de sustancia similar a una membrana basal, una mezcla de colágeno fino y glucoproteínas que aísla las fibras separadas entre sí.

El unitario se denomina músculo liso o músculo liso visceral. El término “unitario” es confuso porque no se refiere a fibras musculares únicas. Por el contrario, se refiere a una masa de cientos a miles de fibras musculares lisas que se contraen juntas como una única unidad. El músculo liso contiene filamentos tanto de actina como de miosina, que tienen características químicas similares a los filamentos de actina y miosina del músculo esquelético.

No contiene el complejo de troponina necesario para el control de la contracción del músculo esquelético, de modo que el mecanismo de control de la contracción es diferente. Los filamentos de actina y miosina del músculo liso interactúan entre sí de manera muy similar a como lo hacen en el músculo esquelético.

Además, el proceso contráctil es activado por los iones calcio, y el trifosfato de adenosina (ATP) se degrada a difosfato de adenosina (ADP) para proporcionar la energía para la contracción. La Base física de la contracción del músculo liso muestra grandes números de filamentos de actina unidos a los cuerpos densos. Algunos de estos cuerpos están unidos a la membrana celular; otros están dispersos en el interior de la célula.

Algunos de los cuerpos densos de la membrana de células adyacentes están unidos entre sí por puentes proteicos intercelulares. La fuerza de contracción se transmite de unas células a otras principalmente a través de estos enlaces. La mayoría de los músculos esqueléticos se contraen y relajan rápidamente, muchas de las contracciones del músculo liso son contracciones tónicas prolongadas, que a veces duran horas o incluso días.

Por tanto, cabe esperar que las características físicas y químicas de la contracción del músculo liso sean diferentes de las del músculo esquelético. En los apartados siguientes se presentan algunas de las diferencias. La rapidez del ciclado de los puentes transversos de miosina en el músculo liso es mucho más lenta que en el músculo esquelético. A pesar de todo, se piensa que la fracción de tiempo que los puentes cruzados permanecen unidos a los filamentos de actina, que es un factor importante que determina la fuerza de la contracción, está muy aumentada en el músculo liso.

Para mantener la misma tensión de contracción en el músculo liso que en el músculo esquelético solo es necesario de 1/10 a 1/300 de energía. También se piensa que esto se debe al lento ciclado de unión y separación de los puentes cruzados y a que solo es necesaria una molécula de ATP para cada ciclo, independientemente de su duración.

Un tejido muscular liso típico comienza a contraerse de 50 a 100 ms después de ser excitado, alcanza la contracción completa aproximadamente 0,5 s después, y después la fuerza contráctil disminuye en 1 a 2 s más, dando un tiempo total de contracción de 1 a 3 s. Este tiempo es aproximadamente 30 veces más prolongado que una contracción única de una fibra muscular esquelética media. El inicio lento de la contracción del músculo liso, así como su contracción prolongada, está producido por la lentitud de la unión y la separación de los puentes cruzados a los filamentos de actina.

La fuerza máxima de contracción del músculo liso es con frecuencia mayor que la del músculo esquelético, hasta 4 a 6 kg/cm2 de área transversal para el músculo liso, en comparación con 3 a 4 kg para el músculo esquelético. La magnitud de la excitación continuada habitualmente se puede reducir a mucho menos del nivel inicial, a pesar de lo cual el músculo mantiene su fuerza de contracción completa.

Además, la energía que se consume para mantener la contracción con frecuencia es minúscula, a veces tan solo 1/300 de la energía necesaria para una contracción sostenida y comparable del músculo esquelético. Este mecanismo se denomina efecto de cerrojo. Una vez que el músculo liso ha generado la contracción máxima, la magnitud de la excitación continuada habitualmente se puede reducir a mucho menos del nivel inicial, a pesar de lo cual el músculo mantiene su fuerza de contracción completa.

El mecanismo de cerrojo es que permite mantener una contracción tónica prolongada en el músculo liso durante horas con un bajo consumo de energía. Otra característica importante del músculo lisos su capacidad de recuperar casi su fuerza de contracción original segundos a minutos después de que haya sido alargado o acortado.

Regulación de la contracción por los iones calcio El estímulo que inicia la mayoría de las contracciones del músculo liso es un aumento de los iones calcio en el medio intracelular. Este aumento puede estar producido en diferentes tipos de músculo liso por la estimulación nerviosa de las fibras de músculo liso, por estimulación hormonal, por distensión de la fibra o incluso por cambios del ambiente químico de la fibra.

En lugar de la troponina, las células musculares lisas contienen una gran cantidad de otra proteína reguladora denominada calmodulina. La calmodulina inicia la contracción al activar los puentes cruzados de miosina.

Esta activación y la posterior contracción se producen según la siguiente secuencia:

1. La concentración de calcio en el líquido citosólico del músculo liso se incrementa como consecuencia de la entrada de calcio desde el líquido

extracelular a través de los canales de calcio y/o la liberación de calcio desde el retículo sarcoplásmico.

2. Los iones calcio se unen a la calmodulina de forma reversible.

3. El complejo calmodulina-calcio se une después a la miosina cinasa de cadena ligera, que es una enzima fosforiladora, y la activa.

4. Una de las cadenas ligeras de cada una de las cabezas de miosina, denominada cabeza reguladora, se fosforila en respuesta a esta miosina cinasa.

Cuando esta cadena no está fosforilada no se produce el ciclo de unión-separación de la cabeza de miosina con el filamento de actina. Sin embargo, cuando la cadena reguladora está fosforilada la cabeza tiene la capacidad de unirse repetitivamente al filamento de actina y de avanzar a través de todo el proceso de ciclado de «tirones» intermitentes, al igual que ocurre en el músculo esquelético, produciendo de esta manera la contracción muscular.

El retículo sarcoplásmico, que proporciona prácticamente todos los iones calcio para la contracción musculo esquelética, está desarrollado solo ligeramente en la mayor parte del músculo liso. En su lugar, la mayoría de los iones calcio que provocan la contracción entran en la célula muscular desde el líquido extracelular en el momento del potencial de acción u otro estímulo.

Es decir, la concentración de iones calcio en el líquido extracelular es superior a 10−3 molar, en comparación con un valor inferior a 10−7 molar en el interior de la célula muscular lisa; esta situación origina una rápida difusión de los iones calcio en la célula desde el líquido extracelular cuando se abren los canales de calcio. Los retículos sarcoplásmicos muy poco desarrollados que se sitúan cerca de las membranas celulares en algunas células del músculo liso más grandes. Pequeñas invaginaciones de la membrana celular, denominadas cavéolas, terminan en las superficies de estos túbulos.

Las cavéolas sugieren una rudimentaria analogía del sistema de túbulos transversos del músculo esquelético. Cuando se transmite un potencial de acción a las cavéolas, según se cree estimula la liberación de iones calcio desde los túbulos sarcoplásmicos contiguos de la misma forma que los potenciales de acción en los túbulos transversos del músculo esquelético provocan la liberación de iones calcio desde los túbulos sarcoplásmicos transversos.

Cuando la concentración extracelular de iones calcio disminuye a aproximadamente entre 1/3 y 1/10 de la normal, la contracción del músculo liso suele cesar. Por tanto, la fuerza de la contracción del músculo liso suele ser muy dependiente de la concentración de los iones calcio en el líquido extracelular.

Para provocar la relajación del músculo liso después de que se haya contraído es preciso extraer los iones calcio de los líquidos intracelulares. Esta extracción se

consigue mediante una bomba de calcio que bombea los iones calcio fuera de la fibra de músculo liso de nuevo al líquido extracelular, o al retículo sarcoplásmico, si estuviera presente.

La relajación del músculo liso tiene lugar cuando los canales de calcio se cierran y la bomba de calcio transporta iones calcio fuera del líquido citosólico de la célula. Cuando la concentración de iones calcio disminuye por debajo de un nivel crítico, los procesos que se acaban de señalar se invierten automáticamente, excepto la fosforilación de la cabeza de miosina.

La inversión de esta reacción precisa otra enzima, la miosina fosfatasa, que está localizada en el citosol de la célula muscular lisa y que escinde el fosfato de la cadena ligera reguladora. Debido a la importancia del fenómeno de cerrojo en el músculo liso, y como este fenómeno permite el mantenimiento a largo plazo del tono en muchos órganos que tienen músculo liso sin un gran gasto de energía, se han hecho muchos intentos de explicarlo.

Entre los muchos mecanismos que se han propuesto, uno de los más sencillos es el siguiente. Cuando las enzimas miosina cinasa y miosina fosfatasa están intensamente activadas, la frecuencia de ciclado de las cabezas de miosina y la velocidad de contracción son elevadas. Después, cuando disminuye la activación de las enzimas, lo hace también la frecuencia de ciclado, pero al mismo tiempo la desactivación de estas enzimas permite que las cabezas de miosina permanezcan unidas al filamento de actina durante una proporción cada vez mayor del período de ciclado. Por tanto, el número de cabezas unidas al filamento de actina en cualquier momento dado sigue siendo grande. Como el número de cabezas unidas a la actina determina la fuerza estática de la contracción, se mantiene, o «cierra», la tensión; sin embargo, el músculo utiliza poca energía porque el ATP no se degrada a ADP excepto en las pocas ocasiones en las que una cabeza se separa.