El documento describe los motores moleculares de la contracción muscular. Explica que el sarcómero es la unidad funcional del músculo estriado y contiene filamentos delgados y gruesos que se deslizan entre sí mediante la miosina. La miosina es un motor molecular que utiliza la energía del ATP para producir fuerza y movimiento a través de su cabeza catalítica y brazo articulado. La troponina y la tropomiosina regulan la interacción actina-miosina en respuesta al calcio.

1. Laboratorio de Fisiología Celular de Músculo 2008
Alejandra Carla
Espinosa Basualto
INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES
MOLECULARES DE LA CONTRACCIÓN
MUSCULAR
Enrique Jaimovich
Instituto de Ciencias Biomédicas Sonja Mariana
Facultad de Medicina, Universidad de Chile Buvinic Casas
Structure of the 3 muscle types. The drawings at right show these muscles in cross section. Skeletal muscle
is composed of large, elongated, multinucleated fibers. Cardiac muscle is composed of irregular branched
cells bound together longitudinally by intercalated disks. Smooth muscle is an agglomerate of fusiform cells.
The density of the packing between the cells depends on the amount of extracellular connective tissue
present.
Skeletal Muscle Cells
Skeletal muscle cells are long (up to 30 cm), possess a diameter of 10-100
m, and are multinucleated as a result of myoblast fusion
Nuclei are found just below the sarcolemma
Each muscle fiber is inervated by a motor nerve
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2. Estructura jerarquizada del músculo esquelético
Muscle Cerca de la mitad de la masa corporal
corresponde al músculo esquelético,
con la mayoría de los músculos unidos
al hueso mediante tendones; las fuerzas
y movimientos que se desarrolan
Muscle fibers durante las contracciones,
se transmiten al esqueleto.
.
Muscle fiber
Myofibril
Sarcomere
Modified from McMahon, Muscles, Reflexes and Locomotion
Princeton University Press, 1984.
Sarcómero: unidad funcional del músculo estriado Cómo funciona el músculo estriado:
Modelo de filamentos deslizantes
Z line
Micrografía El movimiento de palanca desplaza el filamento de actina relativo a la cabeza de
electrónica miosina (~5 nm), y, al deformar estructuras elásticas internas, produce fuerza (~5 pN).
Filamentos gruesos y delgados se interdigitan y deslizan unos respecto a otros
Para que el músculo gastrocnemio produzca ~ 45 Kg de fuerza, unos 1014 motores
deben actuar en paralelo simultáneamente.
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3. Acoplamiento mecanoquímico – conversión de energía La velocidad de acortamiento depende
química (ATP, unas 7 kcal/mol) en fuerza/movimiento. de la actividad ATPasa
Diferentes cadenas pesadas de miosina (MHCs)
tienen actividades ATPasa distintas.
Hay al menos 7 genes separados para MHC de músculo esquelético
ordenados en serie en el cromosoma 17.
Dos genes de MHC cardíaco localizados en tandem en el cromosoma 14.
El gen MHC lento β cardíaco se expresa en forma predominante
en las fibras lentas de mamíferos
Unión débil Unión fuerte
• ATP es termodinámicamente inestable
• Dos etapas energéticamente favorables:
1. Unión de ATP a miosina
2. Liberación de fosfato desde miosina
• La velocidad del ciclo depende de la actividad M·ATPasa y de la carga
externa. Goldspink (1999) J Anat 194:323-334.
Filamentos gruesos y finos
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4. Miosina es un motor molecular Myosin is a hexamer:
2 myosin heavy chains
4 myosin light chains
Cabeza de miosina: retiene todas las funciones de motor de la miosina,
es decir, la abilidad de producir fuerza y movimiento.
Estructura cristalina del
fragmento S1 de miosina
NH2-terminal catalytic neck region/lever arm Ruegg et al., (2002)
(motor) domain News Physiol Sci 17:213-218.
Vale & Milligan (2000) Science 288: 88 Modelo hipotético del brazo
móvil
El golpe de trabajo se produce por
apertura y cierre del
Sitio activo, resultando en rotación
de la región regulatoria (cuello)
en torno a una bisagra (región Power Stroke
convertidora)
Cambios de menos de 1 nm
en el sitio activo se amplifican
mediante engranajes hasta
desplazamientos de 5-10 nm
en el extremo del brazo articulado
Ruegg et al., (2002) News Physiol Sci 17:213-218.
Experimentos de molécula única
Ruegg et al., NIPS 17: 213
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5. Longitud del sarcómero y distancia entre filamentos gruesos
Ciclo de puentes cruzados y finos
f: puente cruzado
ejerciendo fuerza
Gordon et al., (2001) NIPS 16: 49 MacIntosh (2003) NIPS 18: 222
Sensibilidad de miofilamentos al calcio
- fosforilación
cadena regulatoria
-sarcómero corto
-sarcómero largo
- pH bajo
MacIntosh (2003)
NIPS 18: 222
F-actina Actina y complejo de troponinas
Troponin-tropomyosin complex
Troponin is a complex formed by 3 proteins:
TnT: binds strongly to tropomyosin
TnC: binds Ca2+ ions
TnI: Inhibits myosin-actin interaction
Gordon et al., (2000)Physiol Rev 80: 853
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6. Troponina C y calcio Tropomiosina
Gordon et al., (2000)Physiol Rev 80: 853 Gordon et al., (2001) NIPS 16: 49
Ciclo de Lymn y Taylor, swinging cross-bridge
Troponinas I, C y T
Lymn & Taylor (1971) Biochemistry 10: 4617 Luo et al., (Tao) (2000) J Mol Biol 296: 899
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7. 7

8. The metabolic response to exercise is similar to the fasting response because similar fuels must be mobilized and generated for
oxidation. For short-term exercise, lasting seconds, stored creatine phosphate and ATP provide the energy at a rate of about 50
Kcal/min. If exercise continues, the stores may be depleted. Then muscle glycogen is broken down to glucose-6-phosphate which
undergoes glycolysis, yielding energy at about 30 Kcal/min. The accumulation of lactic acid in muscle and circulation is a limiting
factor for glycolysis, not the depletion of muscle glycogen.
After several minutes of exhaustive anerobic exercise, one incurs an oxygen debt of up to 12 L. From 6 to 8 L are required to
resynthesize the lactic acid to glucose or oxidize it to CO2. About 2 L are required for normal replenishment of muscle ATP and
creatine phosphate. About 2 L more are needed to replenish the oxygen normally found in the lungs and body fluids bound to
hemoglobin or myoglobin.
If the period of exercise is less intense but of longer duration, substrates required to produce the necessary energy undergo aerobic
oxidation, about 12 Kcal/min. Glucose substrates from the circulation are added to muscle glycogen and there is a manyfold increase
in glucose uptake from the plasma by some groups of muscles. Glycogenolysis takes place to offset this glucose drain. As glycogen
stores become exhausted by continued exercise, gluconeogenesis takes place from amino acids released by muscle proteolysis. Finally,
free fatty acids are liberated from adipose tissue. In time, these free fatty acids will supply two thirds of the energy needed to maintain
the exercise. After the termination of exercise, energy is needed to rebuild the glycogen stores in the liver and muscle.
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