Fisiología muscular: sarcómero, contracción y unión neuromuscular

Estructura del músculo esquelético y el sarcómero

El músculo esquelético representa cerca del 40 % del peso corporal. Cada músculo se organiza en fascículos de fibras: células multinucleadas de 10 a 100 µm de diámetro, formadas por la fusión de mioblastos, que pueden recorrer toda la longitud del músculo. Dentro de cada fibra, cientos a miles de miofibrillas están formadas por unidades repetidas, los sarcómeros, que van de un disco Z al siguiente.

• Filamentos gruesos: miosina II, con dos cadenas pesadas (cola y cabeza) y cuatro ligeras. La cabeza tiene el sitio de unión a la actina y la actividad ATPasa.
• Filamentos finos: actina F en doble hélice, tropomiosina en el surco y el complejo de troponina (C, I y T) cada siete monómeros. La nebulina regula su longitud.
• Titina: va del disco Z a la línea M; aporta la tensión pasiva y mantiene centrado el filamento grueso.
• Citoesqueleto: la distrofina y su complejo de glucoproteínas unen el aparato contráctil a la matriz extracelular a través del sarcolema y transmiten la fuerza lateralmente.

Con el microscopio de polarización, la superposición ordenada de filamentos produce las bandas: la A (anisótropa, oscura) corresponde al filamento grueso; la I (isótropa, clara) solo tiene filamentos finos; la zona H, en el centro de la A, solo gruesos. Según la teoría del deslizamiento de los filamentos, al contraerse la banda A no cambia y se acortan la banda I y la zona H.

Acoplamiento excitación-contracción

1. El potencial de acción de la placa motora recorre el sarcolema (dura de 1 a 5 ms) y penetra en la fibra por los túbulos T.
2. En la tríada, el receptor de dihidropiridina (DHPR, Ca_v1.1), un canal de Ca²⁺ tipo L que funciona como sensor de voltaje, cambia de conformación y abre mecánicamente el receptor de rianodina tipo 1 (RyR1) de la cisterna terminal. En el músculo esquelético no hace falta que entre Ca²⁺ extracelular.
3. El Ca²⁺ del retículo sarcoplásmico sale al citosol, donde su concentración pasa de unos 0,1 µmol/L a niveles cien veces mayores o más.
4. El Ca²⁺ se une a la troponina C; la troponina I deja de inhibir y la tropomiosina se desplaza del surco y descubre los sitios de la actina donde se une la miosina.
5. Comienzan los ciclos de puentes cruzados mientras haya Ca²⁺ y ATP.
6. Relajación: la SERCA bombea el Ca²⁺ de vuelta al retículo, donde lo fija la calsecuestrina; las fibras rápidas tienen además parvalbúmina, que lo amortigua en el citosol.

Un solo potencial de acción libera Ca²⁺ durante pocos milisegundos y produce una sacudida que dura de decenas a más de cien milisegundos, según el tipo de fibra. Como el potencial termina mucho antes que la contracción, los estímulos repetidos pueden sumarse.

Ciclo de los puentes cruzados

La cabeza de miosina convierte la energía química del ATP en movimiento en un ciclo de cuatro pasos:

1. Rigor: la cabeza sin nucleótido está unida firmemente a la actina.
2. Unión del ATP: disminuye la afinidad por la actina y la cabeza se suelta.
3. Hidrólisis: el ATP se hidroliza a ADP y fosfato inorgánico (Pi), que quedan unidos; la cabeza gira a la posición «armada» y se une débilmente a un monómero de actina más alejado.
4. Golpe de fuerza: la liberación del Pi desencadena el giro del brazo de palanca, que desplaza el filamento fino unos 5 a 10 nm hacia la línea M; al final se libera el ADP y la cabeza queda de nuevo en rigor.

El ATP cumple tres funciones en la contracción: separa la miosina de la actina, aporta la energía del golpe de fuerza y alimenta la SERCA (y la Na⁺/K⁺-ATPasa que restablece los gradientes). Sin ATP las cabezas quedan fijas en rigor: es la base de la rigidez cadavérica. Las cabezas trabajan de forma asincrónica, de modo que siempre hay algunas unidas y la fuerza es continua. La velocidad de la ATPasa de la miosina, que depende de su isoforma, determina la velocidad máxima de acortamiento de la fibra.

Relaciones longitud-tensión y fuerza-velocidad

En una contracción isométrica el músculo genera fuerza sin acortarse; en una isotónica se acorta contra una carga constante; en una excéntrica se alarga mientras se contrae (bajar una escalera).

Longitud-tensión. La fuerza activa es proporcional al número de puentes cruzados que pueden formarse, es decir, a la superposición entre filamentos. Es máxima en la meseta de longitud óptima, cuando todas las cabezas tienen actina enfrente; cae al estirar el sarcómero (menos superposición, llega a cero cuando los filamentos dejan de solaparse) y también al acortarlo demasiado (los filamentos finos se cruzan en el centro y los gruesos chocan con los discos Z). La tensión pasiva, debida a la titina y al tejido conectivo, aparece al estirar el músculo por encima de su longitud de reposo. In vivo, los músculos trabajan cerca de la longitud óptima.

Fuerza-velocidad. Cuanto mayor es la carga, más lento se acorta el músculo: la velocidad es máxima sin carga y nula cuando la carga iguala la fuerza isométrica máxima (F₀). La relación es hiperbólica (ecuación de Hill). La potencia (fuerza × velocidad) es máxima con cargas de cerca de un tercio de F₀, lo que explica las marchas de una bicicleta. En la contracción excéntrica el músculo soporta fuerzas mayores que F₀ con menor gasto de ATP, pero produce más microlesiones: es la causa del dolor muscular de aparición tardía.

Unidades motoras, sumación y tetania

Una unidad motora es una motoneurona α y todas las fibras que inerva; sus fibras están dispersas en el músculo y se contraen a la vez. Los músculos de control fino (extraoculares, laríngeos, de la mano) tienen unidades de pocas fibras; los grandes músculos posturales y de los miembros, unidades de cientos a miles de fibras. El sistema nervioso gradúa la fuerza de dos maneras:

• Reclutamiento (sumación de fibras múltiples): según el principio del tamaño de Henneman, las motoneuronas pequeñas, de unidades lentas y resistentes a la fatiga, se activan primero; las grandes y rápidas se suman cuando se necesita más fuerza. Así los incrementos son finos con fuerzas bajas.
• Frecuencia (sumación temporal): si llega un nuevo potencial antes de que termine la sacudida, la fuerza se suma; a frecuencias altas las sacudidas se funden en una contracción sostenida, la tetania (tétanos fisiológico), que puede alcanzar varias veces la fuerza de una sacudida aislada porque el Ca²⁺ permanece alto y se estiran por completo los componentes elásticos en serie.

Las unidades motoras se activan de forma asincrónica, lo que da contracciones suaves aun a frecuencias de descarga bajas. El tono muscular de reposo depende de impulsos de baja frecuencia regulados por los husos musculares. La fatiga resulta de varios factores: acumulación de Pi y H⁺, menor liberación de Ca²⁺, depleción de glucógeno y factores centrales.

Tipos de fibras musculares

Las fibras se clasifican por la isoforma de cadena pesada de miosina, que fija la velocidad de su ATPasa, y por su metabolismo. Todas las fibras de una unidad motora son del mismo tipo.

En el ser humano la fibra rápida glucolítica expresa miosina IIx; la IIb de los roedores es prácticamente ausente. La proporción de tipos es en buena parte genética, pero el entrenamiento la modifica: el de resistencia aeróbica aumenta las mitocondrias y los capilares y desplaza fibras IIx hacia IIa; el de fuerza produce hipertrofia, sobre todo de las fibras tipo II. La denervación, la inmovilización y el envejecimiento (sarcopenia) causan atrofia.

Metabolismo energético del músculo

El ATP almacenado en el músculo alcanza para apenas un par de segundos de contracción máxima. Se regenera por tres sistemas, que se superponen y no se activan en secuencia estricta:

• Fosfocreatina: la creatina cinasa transfiere su fosfato al ADP de forma casi instantánea. Junto con el ATP almacenado sostiene unos 8 a 10 s de esfuerzo máximo (un sprint corto).
• Glucólisis anaerobia: el glucógeno muscular se degrada a piruvato y lactato; genera ATP con rapidez, pero poco por glucosa (2 a 3 ATP), y sostiene el esfuerzo intenso cerca de 1,3 a 1,6 minutos.
• Fosforilación oxidativa: oxida glucosa, ácidos grasos y, en menor medida, aminoácidos en la mitocondria; rinde mucho más ATP por molécula, pero con menor potencia. Mantiene el ejercicio prolongado mientras haya sustrato y oxígeno.

La adenilato cinasa regenera ATP a partir de dos ADP y produce AMP, que activa la AMPK y estimula la captación de glucosa por el GLUT4 de forma independiente de la insulina: por eso el ejercicio mejora la glucemia en la diabetes tipo 2. Tras el ejercicio, el consumo de oxígeno se mantiene elevado (deuda de oxígeno) para reponer la fosfocreatina, el ATP y el glucógeno. La eficiencia mecánica del músculo es menor del 25 %: el resto de la energía se convierte en calor, que contribuye a la termorregulación (escalofríos).

Unión neuromuscular

1. El potencial de acción llega al terminal y abre canales de Ca²⁺ tipo P/Q (Ca_v2.1) de las zonas activas.
2. El Ca²⁺ se une a la sinaptotagmina y el complejo SNARE (sinaptobrevina, sintaxina y SNAP-25) fusiona las vesículas con la membrana: cada impulso libera unas 125 vesículas de unas 10.000 moléculas de acetilcolina (ACh) cada una.
3. La ACh cruza la hendidura (20 a 30 nm) y se une a los receptores nicotínicos de las crestas de los pliegues: cada receptor necesita dos moléculas para abrir su canal catiónico inespecífico, por el que entra sobre todo Na⁺.
4. Se genera el potencial de placa, local y graduado, que despolariza los canales de Na⁺ (Na_v1.4) del fondo de los pliegues y dispara un potencial de acción que se propaga por toda la fibra.
5. La acetilcolinesterasa hidroliza la ACh en milisegundos; la colina se recapta para sintetizar nueva ACh.

La transmisión es uno a uno: en condiciones normales el potencial de placa supera varias veces el necesario para alcanzar el umbral (factor de seguridad). Las enfermedades de la unión reducen ese margen, por eso producen debilidad fatigable. La liberación espontánea de vesículas aisladas produce potenciales de placa en miniatura, sin contracción.

Músculo liso y músculo cardíaco

Músculo liso. Forma la pared de vasos, vísceras huecas, vías aéreas, útero y vejiga. No tiene sarcómeros: los filamentos finos se anclan a cuerpos densos (equivalentes a los discos Z) y a la membrana, y la célula se acorta en todas direcciones. Su regulación depende de la miosina, no de la troponina:

1. El Ca²⁺ sube por entrada a través de canales tipo L y por liberación del retículo mediada por el inositol trifosfato (IP₃), estimulada por hormonas y neurotransmisores que actúan sobre receptores acoplados a proteína G_q.
2. El Ca²⁺ se une a la calmodulina; el complejo activa la cinasa de la cadena ligera de miosina (MLCK).
3. La MLCK fosforila la cadena ligera reguladora de la miosina, lo que permite el ciclo de puentes cruzados.
4. La fosfatasa de la cadena ligera (MLCP) la desfosforila y produce relajación. La Rho-cinasa inhibe la MLCP y aumenta la fuerza sin más Ca²⁺ (sensibilización al calcio); el óxido nítrico, por GMPc y la proteína cinasa G, activa la MLCP y baja el Ca²⁺: relaja.

En el estado de cerrojo (latch), los puentes desfosforilados se separan muy despacio y mantienen la tensión con un consumo mínimo de ATP: así se sostiene durante horas el tono vascular o de los esfínteres. El músculo liso unitario (visceral) tiene uniones en hendidura y ondas lentas marcapasos, y se contrae como una unidad; el multiunitario (iris, conducto deferente, piloerectores) depende de la inervación de cada célula.

Músculo cardíaco. Es estriado, con sarcómeros como el esquelético, pero sus células, de un solo núcleo central, se conectan por discos intercalares con desmosomas y uniones en hendidura (conexina 43) y forman un sincitio funcional. En el acoplamiento, el Ca²⁺ que entra por canales tipo L durante la meseta abre el RyR2 (liberación de Ca²⁺ inducida por Ca²⁺); la mayor parte del calcio sale del retículo. No hay reclutamiento ni tetania: la fuerza se gradúa por la cantidad de Ca²⁺ liberado (inotropismo) y por la longitud del sarcómero (Frank-Starling).

Valores normales de referencia

Valores orientativos de los tratados de referencia; cada laboratorio fija sus propios intervalos.

Fórmulas y relaciones

Ecuación de Hill (fuerza-velocidad)

(F + a) (v + b) = (F₀ + a) · b

F: carga; v: velocidad de acortamiento; F₀: fuerza isométrica máxima; a y b: constantes (a/F₀ ≈ 0,25).

Potencia muscular

P = F · v

Máxima con F cerca de 0,3 F₀ y v cerca de 0,3 V_máx.

Bandas del sarcómero

Banda I = L_S − L_grueso
Zona H = L_S − 2 · L_fino

L_S: longitud del sarcómero. Con L_S 2,6 µm, grueso 1,6 y fino 1,0 µm: banda I 1,0 µm y zona H 0,6 µm.

Potencial de equilibrio del K⁺ (Nernst, 37 °C)

E_K = 61,5 · log ([K⁺]_e / [K⁺]_i) mV

Con 4 y 140 mmol/L: unos −95 mV. Explica por qué la hiperpotasemia despolariza el reposo.

Reacción de la creatina cinasa

PCr + ADP + H⁺ ⇌ Cr + ATP

Amortigua el ATP en los primeros segundos de ejercicio.

Eficiencia mecánica

η = trabajo externo / energía química consumida

Menor del 25 % en el músculo esquelético.

Correlación clínica

Otros sistemas

• Sistema cardiovascular
• Sistema respiratorio
• Sistema renal
• Líquidos, electrolitos y ácido-base
• Sistema digestivo e hígado
• Sistema endocrino
• Sistema nervioso
• Sangre, hemostasia e inmunidad
• Sistema reproductor