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Dr. Fernando D. Saraví Las células musculares se especializan en la transformación de energía química (ATP) en energía mecánica. El músculo esquelético (ME) es indispensable para todos los movimientos voluntarios, tanto ostensibles como la marcha, el salto y la carrera, como para aquellos más sutiles como la fonación o los gestos. Además, el ME cumple ciertas funciones vegetativas que pueden ser sujetas a control voluntario, como la ventilación, la deglución, y el control de los esfínteres externos vesical y anal. Cuando se observan fibras de ME o de músculo cardíaco en un microscopio con luz polarizada, se observan bandas claras I (isotrópicas) y bandas oscuras A (anisotrópicas). De allí que ambos tipos se denominan músculo estriado. Tal patrón no se observa en el músculo de vísceras como el tracto digestivo, el sistema urinario, los bronquios y los vasos sanguíneos, que por esta razón se denomina músculo liso. A diferencia del músculo cardíaco y del músculo liso, que tienen actividad espontánea, el ME normal es enteramente controlado por el sistema nervioso central a través de motoneuronas alfa del asta anterior de la médula, o sus homólogas en los núcleos motores de algunos pares craneales. El potencial de acción de la motoneuronas activa la sinapsis excitatoria conocida como unión neuromuscular, que inicia a su vez un potencial de acción en la fibra muscular. Este potencial de acción inicia la contracción muscular, que es un proceso por el cual la hidrólisis de ATP se acopla con el desarrollo de fuerza y, si hay acortamiento, de trabajo (en fisiología muscular, contracción no es sinónimo de acortamiento). Luego de un repaso de la estructura del ME, en este capítulo se tratará sucesivamente de la transmisión neuromuscular, la excitación de la fibra muscular y el acoplamiento entre excitación y contracción. El siguiente capítulo trata de las propiedades mecánicas del músculo, las propiedades y funcionamiento del aparato contráctil, el metabolismo energético muscular, la regulación de la fuerza muscular y la regulación de la masa muscular. ESTRUCTURA DEL MÚSCULO ESQUELÉTICO Las células, fibras o miocitos del ME son multinucleadas y alargadas. Su diámetro oscila entre 10 μm y 100 μm, y su longitud puede alcanzar hasta 30 cm. Cada fibra muscular contiene un conjunto de elementos alargados, dispuestos en paralelo con el eje de la fibra, llamados miofibrillas. Las miofibrillas ocupan 65 % del volumen de la fibra muscular (Fig. 1). Las mitocondrias ocupan 5 % a 25 % y el retículo sarcoplásmico 5 a 30 % (el resto está ocupado por núcleos y otras organelas). Las fibras musculares poseen mitocondrias en dos localizaciones principales: inmediatamente por Músculo esquelético 1: Transmisión neuromuscular, excitación y acoplamiento excitocontráctil Posgrado-00 Sello Músculo esquelético: electrofisiología Dr. Fernando D. Saraví 2 debajo del sarcolema e intercaladas entre las miofibrillas. Las miofibrillas están compuestas por una sucesión de sarcómeras, que constituyen la unidad funcional del músculo estriado. En el patrón de estriaciones ya mencionado, la banda I está dividida por un disco Z. Una sarcómera corresponde al segmento incluido entre dos discos Z, por lo que está formada por una banda A y dos hemibandas I. En ambas bandas hay miofilamentos proteínicos que constituyen el aparato contráctil. Las bandas I están formadas principalmente por filamentos delgados de actina, que se extienden hasta la banda A excepto en el centro de ésta. La banda A contiene además filamentos gruesos de miosina, Como se verá luego, la contracción muscular es producida por la interacción entre la actina y la miosina. Rodeando a las miofibrillas se encuentran mitocondrias y una densa red de túbulos interconectados que forman el retículo sarcoplásmico, organela especializada que forma el principal depósito intracelular de Ca2+ y, como tal, tiene un papel crucial en iniciar la contracción muscular (Fig. 2). La membrana de superficie o sarcolema presenta a intervalos regulares invaginaciones que forman un sistema de túbulos transversos (sistema t) que penetran radialmente en el espesor de la fibra. La luz del sistema t es continua con el medio extracelular. En el mamífero, existen dos conjuntos de túbulos t por cada sarcómera (que se define luego), a nivel del límite entre la banda A y la banda I, donde están en estrecha proximidad de las mitocondrias. Además, los túbulos t están interconectados por túbulos similares orientados en dirección axial (longitudinal), formando una compleja red en el espesor de la fibra muscular (Fig. 3). Se calcula que el área de membrana del sistema t es cinco veces mayor que la de la membrana de superficie; en otras palabras, por cada cm2 de membrana superficial hay 5 cm2 de membrana del sistema t. Los túbulos t están en estrecha aposición con dilataciones del retículo sarcoplásmico denominadas cisternas. Un túbulo t y las dos cisternas que lo flanquean forman una estructura denominada tríada. La distancia entre la membrana del túbulo t y cada cisterna es de solamente 12 nm. Esta estructura tiene un papel fundamental en la coordinación entre la actividad eléctrica y la actividad mecánica del músculo, o acoplamiento excitocontráctil. En el retículo endoplásmico, la membrana de las cisternas se especializa en la liberación de Ca2+ al mioplasma, que inicia la contracción muscular, mientras que los componentes longitudinales se especializan en la recaptación de Ca2+ hacia el retículo sarcoplásmico, que permite la relajación. Cada célula o fibra muscular está rodeada de una lámina basal de tejido conectivo, llamada endomisio. Las células se agrupan en haces o fascículos limitados por tabiques conectivos llamados perimisio. El músculo en conjunto está rodeado de una tercera capa conectiva denominada epimisio. Como se verá luego, la matriz extracelular contribuye a determinar las propiedades mecánicas del músculo. Además es necesaria para que la fuerza generada por la contracción se transmita eficientemente a los tendones. Tipos de fibras musculares Louis Antoine Ranvier (1835-1922) observó que en el ME podían distinguirse fibras claras, cuya contracción era rápida y breve, y fibras oscuras que se contraían de manera lenta y prolongada. La diferencia de color se debe a que la Músculo esquelético: electrofisiología Dr. Fernando D. Saraví 3 concentración de mioglobina (que se trata luego) es mayor en las fibras de contracción lenta, llamadas tipo 1, que en las de contracción rápida, llamadas tipo2. La diferencia en la velocidad de contracción se debe principalmente al subtipo de miosina de la fibra. En un mismo músculo puede haber más de un tipo de fibra, pero todas las fibras de una unidad motora, que son inervadas por una misma motoneurona, pertenecen al mismo tipo. Existen varias clasificaciones basadas en diferentes criterios, que luego se verán con detalle. Por el momento será suficiente la clasificación en tipo 1/lenta y tipo 2/rápida. Irrigación e inervación El ME posee una profusa red capilar, cuyo caudal mientras el músculo está en reposo es mucho menor que cuando el músculo se está contrayendo. Los vasos sanguíneos están inervados por la división simpática del sistema nervioso autónomo. El ME posee una variada inervación sensorial. Receptores mecánicos como los presentes en estructuras especializadas llamadas husos musculares, presentes en el seno de los músculos, permiten percibir la longitud muscular y regular reflejamente esta variable. En los tendones hay receptores, llamados órganos tendinosos de Golgi, que monitorean la fuerza desarrollada por el músculo y tambiénpermiten su control reflejo (ver REFLEJOS SOMÁTICOS). Además hay receptores sensibles a la temperatura y a la composición química del líquido extracelular; estos últimos funcionan como sensores del estado metabólico. Finalmente, hay receptores nociceptivos. La inervación motora es provista por motoneuronas alfa, cuyos axones son fibras mielínicas gruesas con alta velocidad de conducción. Existe otra población de motoneuronas más pequeñas, llamadas gamma, que solamente inervan las fibras de los husos musculares. TRANSMISIÓN NEUROMUSCULAR Una motoneurona alfa inerva un número variable de fibras musculares (miocitos). La motoneurona y el conjunto de fibras inervadas por ella se denomina unidad motora. El tamaño de las unidades motoras depende del músculo. En un músculo pequeño, encargado de movimientos delicados, como los músculos extraoculares, una motoneurona inerva unas pocas fibras. En cambio en un músculo grande como el cuádriceps, cada motoneurona puede llegar a inervar aprox. 1000 fibras. Normalmente, siempre que la Músculo esquelético: electrofisiología Dr. Fernando D. Saraví 4 motoneurona conduce un impulso propagado, activa todas las fibras que componen la unidad motora correspondiente. Esto se debe al hecho de que la sinapsis entre nervio y músculo es muy segura, en parte porque esta sinapsis tiene una superficie mil veces mayor que una sinapsis central típica, y en parte por otras razones que se explicarán luego. Cada fibra muscular posee una única unión neuromuscular o placa motora, situada cerca de su centro.1 Al aproximarse a la fibra muscular, el axón pierde su capa de mielina, y se ramifica en múltiples botones sinápticos. La unión neuromuscular está cubierta por células de Schwann especializadas, llamadas teloglia (Fig. 4). La hendidura sináptica tiene entre 40 y 50 nm. En este espacio se encuentra la lámina basal, compuesta por glicoproteínas y glicosaminoglicanos. Aunque la lámina basal recubre toda la fibra muscular, su composición es cualitativamente diferente en la placa motora, y este hecho es fundamental para el mantenimiento de la sinapsis. El neurotransmisor de la sinapsis neuromuscular es la acetilcolina. Transmisión colinérgica nicotínica La acetilcolina [(CH3)3-N+-(CH2)2-O-C(CH3)=O] es sintetizada en las terminales que la emplean como neurotransmisor a partir de colina y acetato. La colina proveniente del líquido extracelular es incorporada a la terminal por un sistema especializado de cotransporte con sodio (el gradiente electroquímico del Na+ provee la energía para el ingreso de colina). Las mitocondrias presentes en la terminal producen acetil-coenzima A. La enzima colina- acetiltransferasa incorpora el acetilo de esta última a la colina, produciendo acetilcolina. Un transportador de la membrana de las vesículas sinápticas incorpora la acetilcolina al interior de aquéllas. Cada vesícula contiene de 5 000 a 10 000 moléculas de acetilcolina. Cuando un impulso nervioso llega a la terminal colinérgica, el ingreso de Ca2+ (ver SINAPSIS) inicia el proceso de vaciado sincrónico de muchas vesículas (cuantos) a la hendidura sináptica. La acetilcolina difunde e interactúa con los receptores postsinápticos. La finalización de la acción de la acetilcolina se debe en parte a su difusión al espacio extrasináptico; la constante de difusión estimada es apenas menor que en solución libre. Sin embargo, gran parte 1 Las fibras de los músculos faciales y extraoculares pueden tener más de una unión neuromuscular. de la acetilcolina es degradada en la sinapsis debido a una enzima presente en la membrana postsináptica, la acetilcolinesterasa (AChE), que la hidroliza a acetato y colina (la colina es mil veces menos potente que la acetilcolina).2 La colina difunde al espacio extrasináptico o es recaptada con avidez por la terminal presináptica por un transportador específico. La colina recaptada es reutilizada en la síntesis de ACh. En la unión neuromuscular, la acetilcolina interactúa con receptores ionotrópicos llamados nicotínicos. Los receptores nicotínicos constituyen canales iónicos que, cuando se unen a dos moléculas de acetilcolina, se abren y permiten la salida de K+ y el ingreso de Na+ (y, en menor medida, de Ca2+), lo cual despolariza la fibra muscular (Fig. 5).3 2 La llamada butirilcolinesterasa o “pseudocolinesterasa”, no está en la sinapsis, sino en el plasma y en vísceras digestivas, hígado y riñones. La butirilcolinesterasa circulante es sintetizada en el hígado. Esta enzima no tiene papel significativo en la finalización de las acciones sinápticas de la acetilcolina, aunque puede desdoblar a ésta y a otros ésteres de colina; su acción es relativamente inespecífica. También hidroliza fármacos como la succinilcolina y la procaína. 3 También hay receptores nicotínicos en las neuronas postganglionares del sistema nervioso autónomo (simpáticas y parasimpáticas) y del sistema nervioso central, que son similares pero no iguales a los de la unión neuromuscular. Se distinguen de estos últimos por la mayor variabilidad en la composición, con diversas variedades de subunidades α y β, que forman el pentámero con una estequiometría α2-β3 . Desde el punto de vista farmacológico, difieren en su selectividad por determinados agonistas y antagonistas. Músculo esquelético: electrofisiología Dr. Fernando D. Saraví 5 En el músculo esquelético normal, el receptor nicotínico tiene una masa molecular de 250 kDA y está constituído por cinco subunidades: 2 α, 1 β, 1 δ y 1 ε (en el músculo inmaduro o desnervado, en lugar de cadena ε hay una cadena γ muy similar). Las subunidades α son las que ligan acetilcolina, y ambas deben estar ocupadas para que se abra el canal. Estos canales difieren en varios aspectos de los canales responsables de la propagación del potencial de acción. En primer lugar, estos últimos son selectivos para Na+ o K+, mientras que los receptores nicotínicos pueden conducir ambos iones según sus gradientes electroquímicos. En segundo lugar, los canales de los receptores nicotínicos se abren por un estímulo químico (acetilcolina) pero no son afectados de manera importante por el potencial transmembrana; en otras palabras, son química, pero no eléctricamente excitables. Lo opuesto es cierto de los canales de Na+ y K+ responsables del potencial de acción. En tercer lugar, los canales de Na+ se abren por despolarización pero luego se inactivan, mientras que el cierre de los canales sinápticos no se debe inactivación sino a la disminución de la concentración de acetilcolina en la hendidura sináptica. Finalmente, cada clase de canales es bloqueado por diferentes agentes químicos. Así, la δ-tubocurarina bloquea los receptores nicotínicos, mientras que los canales de Na+ operados por potencial son bloqueados por tetrodotoxina y los de K+ por tetraetilamonio. Cada canal perteneciente a un receptor nicotínico tiene una conductancia de 30 pS. Con un potencial de membrana de –90 mV, la apertura de cada uno de estos canales causa una corriente iónica de –2.7 pA, que provoca una despolarización de 0.3 μV. Ultraestructura de la unión neuromuscular Además de su gran superficie, la placa motora presenta ciertas características particulares. Las relaciones entre los diferentes componentes se han estudiado por diversos métodos, entre ellos la criofractura, que permite separar ambas láminas lipídicas de la membrana pre y postsináptica (Fig. 6). 1. La membrana postsináptica presenta una especialización funcional obvia en forma de invaginaciones, también llamadas hendiduras secundarias o pliegues sinápticos. 2. Los receptores nicotínicos no se distribuyen uniformemente en la membrana postsináptica, sino que se concentran en las crestas, es decir la membrana que rodeaa los pliegues secundarios, con muy alta densidad (10 000 a 20 000 receptores/μm2). Los receptores se agrupan en acúmulos, ligados entre sí por una proteína de 43 kDa llamada rapsina, Los receptores están en permanente recambio. Tienen una vida media de 9 días. Los receptores nicotínicos están vinculados al citoesqueleto por el complejo glicoproteico asociado a distrofina. 3. En la membrana que forma los pliegues secundarios hay canales de Na+ operados por potencial (Nav 1.4), con una densidad de 2000 a 5000 canales/μm2, 10 o más veces mayor que en la membrana extrasináptica. 4. Tanto en las crestas como en los pliegues hay una muy elevada concentración de AChE (3000/μm2). Cada molécula de AChE es capaz de hidrolizar 14 000 moléculas de aceticolina por segundo. 5. En la membrana presináptica, las zonas activas en donde está presente el aparato molecular para la exocitosis y se produce la liberación de acetilcolina se encuentran en una relación topográfica precisa, exactamente sobre las aperturas de las hendiduras secundarias. Músculo esquelético: electrofisiología Dr. Fernando D. Saraví 6 Papel de la lámina basal sináptica La formación durante el desarrollo intrauterino y el posterior mantenimiento de las uniones neuromusculares depende en gran medida de las características de la lámina basal que une las membranas pre y postsináptica, cuya composición incluye moléculas sintetizadas por la célula muscular y por la motoneurona. La lámina basal de la unión neuromuscular es continua con la lámina basal extrasináptica que recubre el resto de la fibra muscular y, como esta última, está compuesta principalmente de las glicoproteínas laminina y colágeno tipo IV, y otras como entactina, perlecano y fibronectina. No obstante, también presenta diferencias en las isoformas específicas de lamininas y colágeno tipo IV que posee, además de la presencia de ciertas moléculas con funciones específicas. Las lamininas y el colágeno son los principales responsables del mantenimiento de la estructura y la correspondencia entre ambas membranas sinápticas. La entactina contribuye a la estabilidad de la estructura. Estas moléculas impiden cambios importantes en la superficie de la placa motora cuando el músculo tiene una longitud mayor o menor que la de reposo. El perlecano es un proteoglicano que dirige la AChE hacia la unión neuromuscular junto con el distroglicano, el cual forma parte de un complejo glicoproteico asociado a distrofina. Para el mantenimiento de la AChE en la unión neuromuscular son necesarias proteínas sintetizadas en la motoneurona, transportadas hacia los botones sinápticos y secretadas allí, llamadas agrinas, que interactúan con un receptor con actividad de tirosina kinasa llamado MuSK, de la membrana postsináptica (MuSK también interactúa con distroglicano). Las agrinas, junto con otras proteínas de origen neuronal llamadas neurorregulinas (descubiertas como factores de crecimiento para las células de Schwann) son necesarias para que los receptores nicotínicos se concentren en las crestas postsinápticas. En resumen, la lámina basal de la unión neuromuscular mantiene tanto la integridad estructural de la sinapsis como la actividad funcional de sus componentes. Potencial de placa motora En ausencia de actividad propagada, puede detectarse en la membrana postsináptica pequeñas despolarizaciones espontáneas, llamadas potenciales de placa en miniatura, que tienen escaso o nulo efecto sobre la excitabilidad muscular (Fig. 7). Se trata de un fenómeno estocástico (al azar). Su amplitud es variable y fluctuante. Con el descubrimiento de las vesículas sinápticas, se interpretó que la mínima amplitud correspondía al vaciamiento espontáneo de una vesícula, una amplitud doble al vaciamiento simultáneo de dos vesículas, etc. Esto llevó a postular que el neurotransmisor se libera en cantidades discretas cuyo mínimo se llama cuanto. Cada cuanto correspondería al vaciamiento de una vesícula sináptica. Aunque esta hipótesis ha sido modificada, entre otras cosas porque se conocen casos en que el vaciamiento espontáneo de una o más vesículas puede ser incompleto, en esencia se admite que el total de neurotransmisor liberado en la sinapsis depende del número de vesículas que vacían su contenido en la hendidura sináptica. Cuando llega un impulso nervioso a la terminal presináptica, por mecanismos ya descritos (ver SINAPSIS) se liberan simultáneamente de muchas vesículas, que contienen en conjunto entre medio millón y dos millones de moléculas de acetilcolina. La disposición de las zonas activas de la sinapsis con respecto a los receptores nicotínicos asegura una alta concentración local de acetilcolina, del orden del mmol/L. La acetilcolina activa aproximadamente decenas de miles de receptores colinérgicos nicotínicos, lo que produce provoca un amplio y duradero potencial postsináptico excitatorio en la unión neuromuscular, llamado potencial de placa motora.4 El número de receptores colinérgicos activados es menor que el número de moléculas de acetilcolina liberadas, porque (1) se requieren dos moléculas de acetilcolina para que se abra un receptor y (2) la acetilcolina desaparece de la hendidura en 1 ms por degradación (acetilcolinesterasa) y en menor medida por difusión hacia el espacio extrasináptico. Para generar un potencial de placa motora normal se activa 10 % de los receptores nicotínicos presentes. El curso temporal del potencial de placa motora normalmente no puede observarse completo porque el mismo genera un potencial de 4 El número de receptores activados puede calcularse por el cambio de resistencia calculado como el cociente entre la amplitud del potencial de placa motora (70 mV) y la corriente que lo provoca. Músculo esquelético: electrofisiología Dr. Fernando D. Saraví 7 acción que tiene mayor amplitud y lo oculta. No obstante, in vitro es posible suprimir el potencial de acción con tetrodotoxina (ver arriba). En esas condiciones sí puede registrarse el potencial de placa motora, que tiene una amplitud de 20 a 70 mV. La corriente sináptica de entrada generada por la activación casi simultánea de muchos receptores colinérgicos tiene un curso temporal más breve que el cambio de potencial (Fig. 8 A). Esto se debe a que la corriente medida es exclusivamente iónica, mientras que el decaimiento del potencial se demora más debido a la capacidad de la membrana. Aunque posee mayor amplitud que la mayoría de los potenciales postsinápticos excitatorios, el potencial de placa motora comparte con ellos la característica de decaer en el tiempo (Fig. 8, B) y en el espacio, de modo que la amplitud de este potencial es prácticamente nula si se registra con electrodos situados a unos pocos mm de la placa motora (Fig. 8, C). Considerando que la placa motora cubre menos de 0.1 % de la superficie muscular y que una fibra muscular puede alcanzar varios centímetros de longitud, es evidente que el potencial de placa motora no basta para excitar eléctricamente toda la fibra, ni podría hacerlo con la rapidez necesaria. No obstante, la particular estructura de la unión neuromuscular permite que el potencial de placa motora genere siempre un potencial de acción, en condiciones normales. Antes de explicar cómo ocurre esto, conviene señalar diferencias entre la placa motora humana y la de otros vertebrados. La placa motora en el ser humano Aunque la estructura general de la unión neuromuscular es similar en todos los vertebrados, también existen diferencias notables entre especies. Las más importantes son la superficie de contacto sináptico y las características de los pliegues sinápticos. La superficie de contacto de la unión neuromuscular humana es inferior a la de la mayoría de los demás vertebrados. Por ej., en la rana, donde más se ha estudiadola transmisión neuromuscular, la placa motora tiene una superficie aprox. diez veces mayor que en el ser humano (120 μm2 en el humano versus 1200 μm2 en la rana). El ratón y la rata también presentan placas motoras de mayor superficie que la humana (250 a 300 μm2). El número de vesículas de acetilcolina que se libera por cada impulso también difiere según la especie. Es de 250 a 300 en la rana, de 50 a 100 en los roedores pero sólo de 20 a 25 vesículas de acetilcolina en el ser humano. Al mismo tiempo, existe una relación inversa entre la superficie de la sinapsis y el grado de desarrollo de los pliegues sinápticos. En el ser humano, tales pliegues son más abundantes y tienen una profundidad mayor (media = 1.5 μm) que en las otras especies. A pesar de estas diferencias, la unión neuromuscular humana funciona tan bien como la de anfibios o roedores y tiene un factor de seguridad comparable. El factor de seguridad Músculo esquelético: electrofisiología Dr. Fernando D. Saraví 8 puede definirse como el cociente entre la magnitud del potencial de placa motora (PPM) y la mínima despolarización necesaria para que se alcance el umbral para iniciar un potencial de acción (ΔVum): Factor de seguridad = PPM/ ΔVum Cabe notar que, cuando se estimula eléctricamente una fibra muscular con un microelectrodo intracelular, el valor de ΔVum es menor si el electrodo se inserta a nivel de la placa motora que si se inserta en la membrana extrasináptica. Por ej., en un estudio en el ser humano, ΔVum = 13.5 mV en la placa motora y ΔVum = 25.5 mV fuera de la placa motora. En este estudio el potencial de placa motora tuvo una amplitud media de 40.2 mV. El factor de seguridad calculado para la membrana extrasináptica es de 40.2 mV/25.5 mV = 1.58, mientras que en la placa es de 40.2/13.5 = 2.98 ó casi 3. Lo anterior significa que la placa motora es el sitio de menor umbral para el inicio de un potencial de acción muscular, análogamente al segmento inicial de un xón neuronal. La causa de este bajo umbral es la presencia de una alta concentración de canales de Na+ sensibles al potencial (Nav 1.4) en los pliegues o hendiduras secundarias. La activación de los receptores nicotínicos causa una corriente de entrada que, para activar la membrana eléctricamente excitable, debe salir, cerrando el circuito y despolarizando la membrana en sitios donde haya canales Nav 1.4 que inicien el potencial de acción. La membrana extrasináptica tiene estos canales, pero en baja densidad. Además, el escaso mioplasma presente entre los pliegues sinápticos hace que esta vía intracelular posea una alta resistencia eléctrica (aprox. 5 MΩ), de modo que la propagación electrotónica por el mioplasma hacia la membrana fuera de la sinapsis es muy limitada. La constante de espacio de un pliegue (0.435 μm) es casi 3500 veces menor que la constante de espacio de la membrana extrasináptica (1.5 mm). No obstante, como existen canales Nav 1.4 en alta concentración en los pliegues sinápticos, estos son fácilmente activados tras la apertura de los canales nicotínicos. Cuanto mayor superficie posean los pliegues, mayor será la proporción de corriente despolarizante que salga por ellos. En el ser humano, aprox. 97 % de la corriente que ingresa por los receptores nicotínicos abandona la célula muscular por los pliegues. Los efectos de la capacidad de la membrana son más complejos de analizar, pero dado que la capacidad de los pliegues sinápticos es muy pequeña comparada con la de la membrana extrasináptica, los efectos capacitivos contribuyen a incrementar la despolarización de los pliegues y por tanto a aumentar el factor de seguridad. Por tanto, el potencial de placa motora normal genera con alta eficiencia una despolarización autorregenerativa en los pliegues Tabla 1. Principales canales iónicos en la membrana de superficie y el sistema tubular t del músculo esquelético (Jurkat-Rott y col., 2006). Canal Gen y locus Proteína Propiedades Función Canal de K+ activado por potencial KCNA4, 11p14 Subunidad α Kv 1.4 Activación e inactivación rápidas Repolarización del potencial de acción Canal de K+ insensible al potencial KCNJ2, 17q23 Subunidad α Kir 2.1 Rectificador hacia dentro Estabilización del potencial de reposo Canal de Na+ activado por potencial SCN4A, 17q23-25 Subunidad α Nav 1.4 Activación e inactivación rápidas Indispensable para producir el potencial de acción Canal de Ca2+ activado por potencial CACNA1S, 1q31-32 Cav 1.1 Inactivación lenta;principal canal de Ca2+ Esencial para el acoplamiento excito- contráctil Canal de Cl- activado por potencial CLCN1 7q32-qter ClC-1 Rectifica hacia fuera Inactivado por hiperpolarización Estabilización del potencial de reposo Repolarización del potencial de acción Músculo esquelético: electrofisiología Dr. Fernando D. Saraví 9 sinápticos, desde los cuales se propaga hacia ambos extremos de la fibra como un potencial de acción muscular.5 Sin embargo, la corriente de entrada generada por la activación de los receptores nicotínicos despolariza la membrana eléctricamente excitable adyacente a la placa motora y esta despolarización activa los canales de Na+ sensibles al potencial, los cuales desencadenan un potencial de acción que se propaga hacia ambos extremos de la fibra. Los principales canales iónicos que determinan las propiedades eléctricas pasivas y la respuesta activa de la fibra muscular esquelética se presentan en la Tabla 1. Para mayores detalles sobre las características de los canales de Na+, K+ y Ca2+, ver EXCITABILIDAD Y PROPAGACIÓN DEL IMPULSO NERVIOSO y ELECTROFISIOLOGÍA CELULAR CARDÍACA). PROPIEDADES ELÉCTRICAS PASIVAS DE LA FIBRA MUSCULAR Las propiedades eléctricas pasivas de la membrana de la fibra muscular son determinantes importantes de la propagación del potencial de acción. El potencial de reposo de la fibra muscular esquelética es elevado, de -80 a -90 mV, en parte debido a que en reposo la permeabilidad del sarcolema al K+ es mucho mayor que al Na+ (ver ecuación de Goldman- Hodgkin-Katz en TRANSPORTE TRANSMEMBRANA Y POTENCIAL DE REPOSO) y en parte debido a que, en el músculo, la capacidad electrogénica de la Na,K-ATPasa contribuye significativamente (10 a 14 mV) al potencial transmembrana. Cabe destacar que la permeabilidad al cloruro del músculo esquelético en reposo es muy elevada, de modo que 70 a 80 % de la conductancia en reposo se debe a canales de cloruro denominados ClC-1. Estos canales tienen una conductancia individual muy baja (1 pS) pero son muy abundantes. Son inactivados por hiperpolarización y su probabilidad de apertura (PO) aumenta con la despolarización (Fig. 9). Precisamente porque la conductancia al Cl- (GCl) es alta, en reposo no hay un movimiento 5 En la miastenia gravis se forman anticuerpos contra el receptor nicotínico de la unión neuromuscular. Clásicamente, la falla en la transmisión se atribuye sólo a un menor número de receptores. Pero la enfermedad se asocia también con pérdida de pliegues secundarios. Es probable que ambos cambios contribuyan de manera cuantitativamente comparable a la falla funcional. neto importante del anión, porque éste se encuentra próximo a su potencial de equilibrio electroquímico.6 La alta GCl tiende a estabilizar el potencial de reposo de la membrana muscular frente a posibles perturbaciones. Por ej., si la 6 En el músculo esquelético hay un cotransporte Na, K, 2 Cl (NKCC) que facilita el ingreso de Cl- y un cotransporte K, Cl (KCC) que tiene el efecto contrario. No obstante, estos transportes activos secundarios tienen un efecto mínimo sobre la distribución del Cl-, debido a la alta conductancia pasiva de la membrana muscular para esteanión. Músculo esquelético: electrofisiología Dr. Fernando D. Saraví 10 membrana se despolariza, aparece una corriente neta de salida (según la convención) que corresponde a ingreso de Cl- desde el medio extracelular. Desde el punto de vista eléctrico, el ingreso de Cl- tiene el mismo efecto que el egreso de K+: Ambos tienden a repolarizar la membrana. La mayor parte del resto de la conductancia iónica en reposo (aprox. 20 a 30 %) se debe a canales de K+ de tipo 2TM, es decir, Kir o rectificador hacia dentro). Al igual que los canales de Cl- ClC-1, los canales Kir tienden a estabilizar el potencial de reposo, pero a diferencia de los ClC-1, los canales Kir están siempre abiertos. Sin embargo, debido al comportamiento rectificador de los canales Kir, la corriente que conducen se reduce cuando la membrana se despolariza (Fig. 10). En el ME de mamífero, la resistividad del mioplasma ρi ~ 300 Ω.cm y la resistividad de la membrana ρm ~ 3500 Ω.cm2. Para una fibra de 80 μm de diámetro, la constante de espacio λ es de aprox. 1.5 mm.7 La capacidad específica de la membrana de la célula muscular es de aprox. 4 μF/cm2, o unas cuatro veces mayor que la de la mayoría de las células, incluidas las neuronas, que es próxima a 1 μF/cm2. La alta capacitancia de la membrana muscular se debe a la asociación en paralelo de la capacitancia de la membrana de superficie, Cm = 1 a 1.5 μF/cm2 (como otras células) y la capacitancia del sistema t que es de 7 a 10 7 λ = (ρm.d/4.ρi)-2 = (3500 Ω.cm2. 0.008 cm/4. 300 Ω.cm2 )-2 = 0.153 cm. μF/cm2.8 La constante de tiempo (τ = ρm.Cm) de la membrana de superficie es de 3500 Ω.cm2. 10-6 F = 0.0035 s ó 3.5 ms. La constante de tiempo efectiva de fibra es de aprox. el doble, si se considera el sistema t. EL POTENCIAL DE ACCIÓN MUSCULAR Desde el sitio de iniciación fisiológico, la placa motora, el potencial de acción se propaga hacia ambos extremos de la fibra (Fig. 11) con una amplitud de aprox. 100 mV y una velocidad de aprox. 4 m/s. Como consecuencia, la actividad propagada alcanza rápidamente los extremos de la fibra. Por ejemplo, para una fibra de 20 cm cuya placa motora sea equidistante de ambos extremos, el potencial de acción alcanza ambos extremos en 25 ms. Esto permite la activación del aparato contráctil de manera casi simultánea en toda la longitud de la fibra. La despolarización es causada por la activación de canales de Na+ sensibles al potencial (Nav 1.4) y la repolarización por la activación de canales sensibles al potencial de K+ (principalmente Kv 1.4) y por la corriente de Cl- conducida por los canales ClC-1. El potencial de acción muscular es algo más prolongado que el de nervios amielínicos, principalmente por presentar una postdespolarización de varios milisegundos. La postdespolarización es debida a la existencia del sistema t de túbulos transversos, que como se indicó antes, aumenta la capacitancia efectiva y prolonga la constante de tiempo. Si se trata una fibra de ME con glicerol, la membrana de superficie se desconecta del sistema t. En esas condiciones la fibra no se contrae, pero puede generar potenciales de acción que tienen la misma amplitud que los normales, pero son más breves por ausencia de la postdespolarización (Fig. 12). La primera parte de la postdespolarización se debe a la propagación del 8 Recuérdese que el área de membrana del sistema t es mucho mayor que el área de la membrana de superficie. Músculo esquelético: electrofisiología Dr. Fernando D. Saraví 11 potencial de acción al sistema t, y la parte final a la acumulación de K+ en el sistema t, debido a su escaso volumen (menos de 2 % del volumen de la fibra) y a que su pequeño diámetro supone una restricción para la difusión del K+ hacia el intersticio. La difusión del K+ dentro del sistema t es 5 veces más lenta que en una solución sin restricciones espaciales. El Na+ que ingresa y el K+ que egresa durante la actividad propagada son devueltos al medio extracelular e intracelular, respectivamente, por la acción de la Na,K- ATPasa. La membrana del músculo esquelético tiene una elevadísima concentración de Na,K- ATPasa, del orden de 250 pmol por g de masa muscular en el ser humano, lo que corresponde a 1.5 . 1014 unidades de bombeo por g. La concentración de Na,K-ATPasa en la membrana del ME varía según la especie y el músculo considerados, pero es de aprox. 2 500 unidades/μm2 (unas 50 veces mayor que la densidad de canales Nav 1.1). ACOPLAMIENTO EXCITOCONTRÁCTIL La principal función de la membrana excitable del ME es la de proporcionar el vínculo entre la actividad eléctrica y la contracción muscular. Experimentalmente, en una fibra muscular incapaz de conducir potenciales de acción – por bloqueo de los canales Nav 1.4 con tetrodotoxina – el aparato contráctil puede activarse mediante una despolarización causada, por ej., por aumento de la concentración extracelular de K+ (ver POTENCIAL DE MEMBRANA). El aparato contráctil comienza a activarse cuando el potencial de membrana alcanza -55 mV y la activación es máxima a -25 mV. No obstante, fisiológicamente la despolarización es causada por el potencial de acción, que por una parte provee un considerable margen de seguridad por su gran amplitud, y además, debido a su rápida propagación, asegura la activación casi simultánea del aparato contráctil en toda la extensión de la fibra. Esta sincronización aumenta notablemente la capacidad del ME para desarrollar fuerza y trabajo mecánico. Un papel sincronizante comparable al de la propagación longitudinal del potencial de acción por el eje de la fibra lo cumple, en sentido transversal, la propagación radial del potencial de acción por el sistema t. La extensión de la excitación al sistema t es importante porque las fibras musculares tienen gran diámetro (hasta 100 Músculo esquelético: electrofisiología Dr. Fernando D. Saraví 12 μm ó 0.1 mm) y, por tanto, los procesos difusionales desde la superficie hasta el centro de la fibra serían demasiado lentos. La velocidad de propagación del sistema t es de aprox. 10 mm/s en dirección radial y algo menor en dirección longitudinal. Esto significa que, en una fibra de 100 μm de diámetro, la excitación proveniente de la membrana de superficie alcanza el eje de la fibra en sólo 5 ms. La membrana del sistema t tiene los mismos canales iónicos que la membrana de superficie, así como Na, K-ATPasa. A medida que el potencial de acción se propaga por la membrana de superficie, también excita a su paso la membrana de los túbulos t, con lo cual se abren los canales Nav 1.4. La despolarización del sistema t activa canales de Ca2+ de tipo L (Cav 1.1), impropiamente llamados “receptores de dihidropiridina”.9 Canales Cav 1.1 El Cav 1.1 del ME posee cuatro subunidades: α1S (190 a 212 kDa), α2-δ (125 kDa), β (52 a 58 kDa) y γ (25 kDa). La subunidad α1S forma el poro del canal (conductancia = 20 pS) y es también la que se une a dihidropiridinas. La subunidad α2- δ consta de dos cadenas unidas entre sí por puentes disulfuro. Los Cav 1.1 se concentran en la membrana del túbulo t a nivel de la tríada, donde se asocian como tetrámeros y cumplen una doble función. Además de permitir el ingreso de Ca2+, funcionan como sensores de potencial capaces de iniciar la liberación intracelular de Ca2+ desde el retículo sarcoplásmico. Se estima que el ingreso de Ca2+ por canales de la membrana de superficie explica menos de 5 % del ión que ingresa al mioplasma durante la contracción. Por ello, en el ME el Ca2+ extracelular no es necesario para que se produzca la contracción. No obstante, sí es necesaria la activación de los canales Cav 1.1, es decir el cambio en su configuración espacial causado por la despolarización. Como se mencionó al principio del capítulo,el sistema de túbulos t forma triadas con las cisternas de retículo sarcoplásmico, el cual es la principal fuente (> 95 %) del Ca2+ necesario para la activación del aparato contráctil. 9 Esta denominación común es inadecuada, pues sugiere que los Cav 1.1 son canales activados por ligando, cuando realmente son canales activados por despolarización. Las dihidropiridinas, como la nifedipina, no son ligandos naturales sino fármacos que bloquean estos canales. Canal de Ca2+ “receptor de rianodina” Las cisternas del retículo sarcoplásmico poseen un canal de Ca2+, que convendría denominar canal liberador intracelular de Ca2+, aunque se lo llama “receptor de rianodina” (RyR) y por la fuerza de la costumbre deberemos conservar esta denominación.10 Se han identificado tres RyR llamados RyR1, RyR2 y RyR3, codificados por tres genes diferentes, que tienen una homología de aprox. 70 %. La isoforma RyR1 es la propia del ME (Fig. 13) y la RyR2 del músculo cardíaco. Cada una es imprescindible para el acoplamiento excitocontráctil del respectivo músculo, ya que la liberación de Ca2+ desde el retículo sarcoplásmico es necesaria para la contracción. En cambio RyR3 se identificó inicialmente en el sistema nervioso, pero está presente en otras células, incluido el ME, aunque en escasa proporción. Se desconoce la función precisa de esta isoforma en el músculo. Los canales RYR tienen una masa molecular unas 10 veces mayor que la del Cav 1.1 y una conductancia al Ca2+ cinco veces mayor. El RyR1 es un canal formado por cuatro monómeros iguales de 560 a 565 kDa que se concentra en la membrana de reticulo sarcoplásmico que forma parte de las triadas, La mayor parte de su masa se encuentra en el mioplasma, con una porción menor que atraviesa la membrana del retículo sarcoplásmico y otra porción intrarreticular. 10 La rianodina es un alcaloide obtenido de árboles o arbustos del género Ryania. Se liga con gran afinidad al canal liberador de Ca2+. En concentraciones muy bajas aumenta su conductancia y en concentraciones micromolares o mayores lo bloquea. El polvo de Ryania se emplea como insecticida ecológico. Músculo esquelético: electrofisiología Dr. Fernando D. Saraví 13 Los canales RyR forman un complejo macromolecular de señalización que incluye kinasas, fosfatasas y otras moléculas que regulan la actividad del canal y por tanto la liberación de Ca2+ desde el retículo sarcoplásmico. Interacción entre Cav 1.1 y RYR1 En las triadas, uno de cada dos canales RyR1 está físicamente vinculado con tetrámeros de canales Cav 1.1 (tétradas) en una estructura muy organizada. Cuando estos últimos se activan, sufren un cambio conformacional que a su vez activa al canal RyR1, lo cual permite la salida de Ca2+ desde el retículo sarcoplásmico hacia el mioplasma. Esta es la principal interacción que permite el acoplamiento entre excitación y contracción (Fig. 14). Varias proteínas que tienen la función de mantener la integridad estructural de las tríadas, incluyendo el acoplamiento entre canales Cav 1.1 y RyR1. Su ausencia o su expresión reducida altera el acoplamiento excitocontráctil. Entre ellas está la mitsugumina 29, proteína relacionada con la sinaptofisina, que se encuentra en la membrana del túbulo t y del retículo sarcoplásmico; la junctofilina-45 (45 kDa) presente en la membrana del retículo sarcoplásmico y las junctofilinas 1 y 2 (no emparentadas con la anterior), que conectan físicamente las membranas del sistema t y del retículo sarcoplásmico. Las junctofilinas 1 y 2 Tabla 2: Efectos de diferentes reguladores y moduladores sobre el canal liberador intracelular de Ca2+ (RyR1) Regulador Efecto sobre RyR1 Observaciones Mioplasma Canal Cav 1.1 Activa Principal regulador fisiológico Calmodulina Facilita si [Ca2+] < 200 nmol/L Inhibe si [Ca2+] > 1 μmol/L También modula la actividad del canal Cav 1.1 Proteína kinasa A Aumenta sensibilidad al Ca2+ Reduce afinidad por calstabina Induce estado de subconductancia Por fosforilación de serina 2843 PDE4D3 Efecto opuesto a proteína kinasa A Defosforila serina 2843 Calstabina-1 Inhibe Unión a RyR inhibida por fosforilación (Ser 2843) Ca2+ Facilita si [Ca2+] < 10 μmol/L Mg2+ Inhibe ATP Facilita Oxido nítrico Facilita o inhibe Según concentración Luz del retículo sarcoplásmico Calsecuestrina-1 Inhibe cuando se une en complejo con triadina y junctina Facilita cuando se liga directamente Mitsugumina-29 Facilita Aumenta probabilidad de apertura del canal Músculo esquelético: electrofisiología Dr. Fernando D. Saraví 14 también previenen la liberación de Ca2+ en ausencia de excitación de los túbulos t. Otros reguladores o moduladores de RyR1 La porción intramioplásmica de RYR1 está asociada con varias enzimas que modulan su función (Tabla 2). Entre ellas están la proteína kinasa A, la prolil cis-trans isomerasa, calstabina- 1 (proteína estabilizadora del canal de Ca2+, también llamada FKBP12), la calmodulina, la fosfatasa de proteína 1 (PP1) y la fosfodiesterasa 4 (PDE4D3), además de moléculas adaptadoras mAKAP y espinofilina. La porción intrarreticular del RyR1 está vinculada con las proteínas calsecuestrina, triadina y junctina. La calsecuestrina es la principal de un grupo de proteínas acídicas que ligan Ca2+ dentro del retículo sarcoplásmico. Otras proteínas de esta clase son HRC (Histidine- Rich Calcium binding protein) y la proteína ligada a la membrana, junctata. El calcio total contenido en la organela es la suma del Ca2+ libre más el Ca2+ unido a proteínas; ambas formas están en equilibrio entre sí. En conjunto, las proteínas que ligan Ca2+ mantienen el Ca2+ libre dentro del retículo sarcoplásmico próximo a 1 mmol/L. Además de los componentes proteicos asociados a RyR1, el ATP, los iones Mg2+ y los propios iones Ca2+, pueden modular la función del canal liberador de Ca2+ (Tabla 2). Ingreso de Ca2+ no relacionado con el acoplamiento excitocontráctil En condiciones en que la concentración de Ca2+ en el retículo sarcoplásmico es adecuada, el ión abandona la organela hacia el mioplasma en las tríadas y posteriormente es recaptado por una ATPasa (SERCA) presente en la porción longitudinal del retículo endoplásmico. No obstante, cuando la reserva de Ca2+ del reticulo sarcoplásmico se reduce, se produce un ingreso de Ca2+ desde el medio extracelular directamente hacia el retículo. Esta reposición se denomina ingreso capacitivo de calcio y más modernamente, ingreso de calcio operado por almacenamiento o SOCE (Store Operated Calcium Entry). La principal vía para el SOCE involucra un canal de Ca2+ que no participa en el acoplamiento excito-contráctil, llamado Orai 1 y un sensor denominado STIM1 (STromal Interaction Molecule 1). El canal Orai 1 no pertenece a las familias de canales de Ca2+ previamente conocidas.11 Tiene cuatro dominios transmembrana y forma tetrámeros en la membrana del sistema t. STIM 1 es una proteína sensora de Ca2+ que se inserta en la membrana del retículo sarcoplásmico. Según un modelo, cuando los depósitos de Ca2+ son adecuados, el ión se liga a STIM 1 y éste permanece desconectado de Orai 1. Cuando se produce depleción de Ca2+ dentro del retículo, STIM 1 se acopla con Orai 1, el cual sufre un cambio conformacional que permite el ingreso de Ca2+ desde el medio intracelular al mioplasma (Fig. 15). Existen otras posibles formas de ingreso de Ca2+ relacionados con el almacenamiento, pero exceden los límites de esta obra. 11 Orai 1 se descubrió en linfocitos. Su mutación causa inmunodeficiencia combinada severa. El nombre es la palabra griega para “horas”, que eran los guardianes de las puertas del cielo en la mitología griega. Los orai eran armonía (eunomia), justicia (dyké) y paz (eirené).
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