CAPÍTULO 49: Músculo y citoesqueleto

Después de estudiar este capítulo, usted debe ser capaz de:

• Entender las características bioquímicas generales de la contracción de los músculos esquelético, cardiaco y liso.

• Conocer los efectos biológicos del óxido nítrico (NO).

• Indicar los diferentes combustibles metabólicos requeridos para un sprint y para el maratón.

• Conocer las estructuras y funciones generales de los principales componentes del citoesqueleto, a saber: los microfilamentos, los microtúbulos y los filamentos intermedios.

• Comprender las bases de la hipertermia maligna, las distrofias musculares de Duchenne y Becker, las cardiomiopatías hereditarias, el síndrome de Hutchinson-Gilford (progeria) y varias de las enfermedades de la piel debidas a queratinas anormales.

Las proteínas tienen importancia en el movimiento en los ámbitos tanto de órgano (p. ej., músculo esquelético, corazón e intestino) como celular. En este capítulo, se describen las funciones de proteínas específicas y algunas otras moléculas clave (p. ej., Ca²⁺) en la contracción muscular. También se presenta una breve cobertura de las proteínas citoesqueléticas.

El conocimiento de la base molecular de varias enfermedades que afectan el músculo ha avanzado mucho durante los últimos años. El entendimiento de la base molecular de la distrofia muscular tipo Duchenne aumentó mucho cuando se encontró que se debía a mutaciones del gen que codifica para distrofina (véase la historia de caso núm. 7 en el cap. 57). También se ha logrado progreso importante en el entendimiento de la base molecular de la hipertermia maligna, una seria complicación en algunos pacientes que reciben ciertos tipos de anestesia. La insuficiencia cardiaca es una enfermedad médica muy frecuente, con diversas causas; su terapia racional exige entendimiento de las características bioquímicas del músculo cardiaco. Un grupo de enfermedades que causa insuficiencia cardiaca son las miocardiopatías, algunas de las cuales están determinadas por mecanismos genéticos. Se ha encontrado que el óxido nítrico (NO) es un importante regulador del tono del músculo liso. Muchos vasodilatadores ampliamente usados —como la nitroglicerina, que se utiliza en el tratamiento de angina de pecho— actúan al aumentar la formación de NO. El músculo, debido en parte a su masa, desempeña funciones importantes en el metabolismo general del organismo.

El músculo es el principal transductor bioquímico (máquina) que convierte energía potencial (química) en energía cinética (mecánica). El músculo, el tejido único de mayor tamaño en el cuerpo del ser humano, constituye poco menos de 25% de la masa corporal en el momento del nacimiento, más de 40% en el adulto joven, y poco menos de 30% en el adulto de edad avanzada. Se comentarán aspectos de los tres tipos de músculo que se encuentran en vertebrados: esquelético, cardiaco y liso. El músculo tanto esquelético como cardiaco tiene aspecto estriado en la observación al microscopio; el músculo liso es no estriado. Si bien el músculo esquelético está bajo el control nervioso voluntario, el control de los músculos tanto cardiaco como liso es involuntario.

El sarcoplasma de las células musculares contiene ATP, fosfocreatina y enzimas glucolíticas

El músculo estriado está compuesto por células de fibras musculares multinucleadas rodeadas por una membrana plasmática eléctricamente excitable, el sarcolema. Una célula de fibra muscular individual, que puede extenderse por toda la longitud del músculo, contiene un fascículo de muchas miofibrillas dispuestas en paralelo, embebidas en el líquido intracelular llamado sarcoplasma. Dentro de este líquido hay glucógeno, los compuestos de alta energía ATP y fosfocreatina, y enzimas de la glucólisis.

El sarcómero es la unidad funcional del músculo

En la figura 49-1 se presenta una perspectiva general del músculo voluntario en varios niveles de organización.

Cuando la miofibrilla se examina mediante microscopia electrónica, pueden observarse bandas oscuras y claras alternantes (bandas anisotrópicas, que significa birrefringentes en la luz polarizada, y bandas isotrópicas, que significa no alteradas por la luz polarizada). Así, estas bandas se denominan bandas A e I, respectivamente. La región central de la banda A (la banda H) tiene aspecto menos denso que el resto de la banda. La banda I está bisecada por una línea Z muy densa y estrecha (figura 49-2).

El sarcómero se define como la región entre dos líneas Z (figuras 49-1 y 49-2) y se repite a lo largo del eje de una fibrilla a distancias de 1 500 a 2 300 nm dependiendo de la etapa de la contracción.

El aspecto estriado de los músculos voluntario y cardiaco en estudios con microscopia óptica depende de su alto grado de organización, en la cual la mayor parte de las células de la fibra muscular están alineadas de modo que sus sarcómeros se encuentran en registro paralelo (figura 49-1).

Los filamentos gruesos contienen miosina, y los delgados, actina, tropomiosina y troponina

Cuando se examinan miofibrillas mediante microscopia electrónica, parece ser que cada una está construida por dos tipos de filamentos longitudinales. Un tipo, el filamento grueso, confinado a la banda A, contiene principalmente la proteína miosina. Estos filamentos tienen alrededor de 16 nm de diámetro, y están dispuestos en el corte transversal en forma hexagonal (figura 49-2, centro; corte transversal del lado derecho).

El filamento delgado (de alrededor de 7 nm de diámetro) yace en la banda I, y se extiende hacia la banda A pero no hacia su zona H (figura 49-2). Los filamentos delgados contienen las proteínas actina, tropomiosina y troponina (figura 49-3). En la banda A, los filamentos delgados están dispuestos alrededor del filamento grueso (miosina) como una disposición hexagonal secundaria. Cada filamento delgado yace de manera simétrica entre tres filamentos gruesos (fig. 49-2, centro; corte transversal de en medio), y cada filamento grueso está rodeado de manera simétrica por seis filamentos delgados.

Los filamentos grueso y delgado interactúan por medio de puentes transversales que surgen a intervalos de 14 nm a lo largo de los filamentos gruesos. Los puentes transversales (figura 49-2, dibujados como puntas de flecha en cada extremo de los filamentos de miosina, pero no mostrados extendiéndose por completo a través de los filamentos delgados) tienen polaridades opuestas en los dos extremos de los filamentos gruesos. Los dos polos de los filamentos gruesos están separados por un segmento de 150 nm (la banda M, no marcada en la figura) que está libre de proyecciones.

El modelo de puente transversal de filamento deslizante es el fundamento del pensamiento actual acerca de la contracción muscular

Este modelo fue propuesto de manera independiente durante el decenio de 1950-1959 por Henry Huxley y Andrew Huxley y sus colegas. Se basó en gran parte en observaciones morfológicas cuidadosas en músculo en reposo, extendido y en contracción. Básicamente, cuando el músculo se contrae, no hay cambio de la longitud de los filamentos gruesos y delgados, pero las zonas H y las bandas I se acortan (véase el pie de la figura 49-2). Así, las disposiciones de filamentos interdigitados deben deslizarse más allá una de otra durante la contracción. Los puentes transversales que enlazan filamentos gruesos y delgados en determinadas etapas del ciclo de contracción generan la tensión y la sostienen. La tensión creada durante la contracción muscular es proporcional a la superposición de filamento y al número de puentes transversales. Cada cabeza de puente transversal está conectada al filamento grueso por medio de un segmento fibroso flexible que se puede flexionar hacia afuera desde el filamento grueso. Este segmento flexible facilita el contacto de la cabeza con el filamento delgado cuando es necesario, pero también es suficientemente flexible como para adaptarse en el espacio interfilamento.

La masa de un músculo está constituida por 75% de agua y más de 20% de proteína. Las dos proteínas principales son la actina y la miosina.

La actina G monomérica (43 kDa; G, globular) constituye 25% de la proteína muscular por peso. A fuerza iónica fisiológica y en presencia de Mg²⁺, la actina G se polimeriza de modo no covalente para formar un doble filamento helicoidal insoluble llamado actina F (figura 49-3). La fibra de actina F tiene 6 a 7 nm de grosor, y una estructura repetitiva cada 35.5 nm.

Las miosinas constituyen una familia de proteínas; se han identificado al menos 12 clases en el genoma del ser humano. La miosina que se comenta en este capítulo es la miosina-II, y cuando se hace referencia a la miosina en este libro, se alude a esta especie a menos que se indique lo contrario. La miosina-I es una especie monomérica que se une a las membranas celulares. Puede servir como un enlace entre microfilamentos y la membrana celular en ciertas ubicaciones.

La miosina contribuye con 55% de la proteína muscular por peso, y forma los filamentos gruesos. Es un hexámero asimétrico con una masa molecular de aproximadamente 460 kDa. La miosina tiene una cola fibrosa que consta de dos hélices entrelazadas. Cada hélice tiene una porción de cabeza globular fija en un extremo (figura 49-4). El hexámero consta de un par de cadenas pesadas (H), cada una con una masa molecular de aproximadamente 200 kDa, y dos pares de cadenas ligeras (L), cada una con una masa molecular de alrededor de 20 kDa. Las cadenas L difieren; una se denomina la cadena ligera esencial, y la otra la cadena ligera reguladora. La miosina del músculo esquelético se une a la actina para formar actomiosina (actina-miosina), y su actividad de ATPasa intrínseca está notoriamente aumentada en este complejo. Hay isoformas de miosina cuyas cantidades pueden variar en diferentes situaciones anatómicas, fisiológicas y patológicas.

Las estructuras de la actina y de la cabeza de miosina se han determinado mediante cristalografía con rayos X; estos estudios han confirmado varios datos más tempranos respecto a sus estructuras, y han dado lugar también a mucha información nueva.

La digestión limitada de miosina con proteasas ha ayudado a dilucidar su estructura y función

Cuando la miosina se digiere con tripsina, se generan dos fragmentos de miosina (meromiosinas). La meromiosina ligera (LMM) consta de fibras helicoidales α insolubles, agregadas, desde la cola de miosina (figura 49-4). La LMM no muestra actividad de ATPasa, y no se une a la actina F.

La meromiosina pesada (HMM; masa molecular de alrededor de 340 kDa) es una proteína soluble que tiene tanto una porción fibrosa como una porción globular (figura 49-4). Muestra actividad de ATPasa y se une a la actina F. La digestión de la HMM con papaína genera dos subfragmentos, S-1 y S-2. El fragmento S-2 es de carácter fibroso, carece de actividad de ATPasa, y no se une a la actina F.

El S-1 (masa molecular de aproximadamente 115 kDa) muestra actividad de ATPasa, se une a cadenas L, y en ausencia de ATP se unirá a actina y la decorará con “puntas de flecha” (figura 49-5). Tanto S-1 como HMM muestran actividad de ATPasa, que se acelera 100 a 200 veces al formar complejos con actina F. La actina F aumenta mucho el índice al cual la ATPasa de miosina libera sus productos, ADP y P_i (véase más adelante). De esta manera, aunque la actina F no afecta el paso de hidrólisis en sí, su capacidad para promover la liberación de los productos sintetizados por la actividad de ATPasa acelera mucho el índice general de catálisis.

¿De qué modo la hidrólisis del ATP puede producir movimiento macroscópico? La contracción muscular consta en esencia de la fijación y el desprendimiento cíclicos de la cabeza S-1 de miosina a los filamentos de actina F. Este proceso también puede denominarse formación y rotura de puentes transversales. La fijación de actina a la miosina va seguida por cambios conformacionales que tienen particular importancia en la cabeza S-1, y dependen de cuál nucleótido está presente (ADP o ATP). Tales cambios dan por resultado el golpe de potencia, que impulsa el movimiento de filamentos de actina más allá de los filamentos de miosina. La energía para el golpe de potencia finalmente es proporcionada por el ATP, que se hidroliza hacia ADP y P_i. Sin embargo, el golpe de potencia en sí ocurre como resultado de cambios conformacionales en la cabeza de miosina cuando el ADP la abandona.

Los principales eventos bioquímicos que ocurren durante un ciclo de contracción y relajación musculares pueden representarse en los cinco pasos que se muestran en la figura 49-6, y son como sigue:

1. En la fase de relajación de la contracción muscular, la cabeza de miosina S-1 hidroliza ATP hacia ADP y P_i, pero estos productos permanecen unidos. El complejo ADP-P_i-miosina resultante se ha energizado y se encuentra en una conformación denominada de alta energía.

2. Cuando la contracción del músculo es estimulada (por medio de fenómenos que comprenden Ca²⁺, troponina, tropomiosina y actina, que se describen más adelante), la actina se hace accesible, y la cabeza S-1 de la miosina la encuentra, se une a ella, y forma el complejo de actina-miosina-ADP-P_i indicado.

3. La formación de este complejo promueve la liberación de P_i, lo que inicia el golpe de poder. Esto va seguido por liberación de ADP, y se acompaña de un cambio conformacional grande en la cabeza de miosina en relación con su cola (figura 49-7), que tira de la actina alrededor de 10 nm hacia el centro del sarcómero; éste es el golpe de potencia. La miosina ahora se encuentra en un estado llamado de baja energía, indicado como actina-miosina.

4. Otra molécula de ATP se une a la cabeza S-1, y forma un complejo de actina-miosina-ATP.

5. La miosina-ATP tiene baja afinidad por la actina y, así, se libera la actina. Este último paso es el componente clave de la relajación, y depende de la unión del ATP al complejo de actina-miosina.

A continuación comienza otro ciclo con la hidrólisis de ATP (paso 1 de la figura 49-6), lo que vuelve a constituir la conformación de alta energía.

De esta manera, la hidrólisis del ATP se usa para impulsar el ciclo; el golpe de potencia real es el cambio conformacional en la cabeza S-1 que ocurre en el momento de liberación de ADP. Las regiones bisagra de la miosina (a las cuales se hace referencia como puntos flexibles en cada extremo de S-2 en la leyenda de la figura 49-7) permiten el gran rango de movimiento de S-1, y que S-1 encuentre filamentos de actina.

Si las concentraciones intracelulares de ATP disminuyen (p. ej., después de la muerte), no hay ATP disponible para unirse a la cabeza S-1 (paso 4, véase antes), la actina no se disocia, y no ocurre relajación (paso 5). Ésta es la explicación del rigor mortis, la rigidez del cuerpo que ocurre después de la muerte.

Los cálculos han indicado que la eficiencia de la contracción es de alrededor de 50%; la del motor de combustión interna es de menos de 20%.

La tropomiosina y el complejo de troponina presentes en filamentos delgados desempeñan funciones clave en el músculo estriado

En el músculo estriado, hay otras dos proteínas que son menores en cuanto a su masa, pero importantes en términos de su función. La tropomiosina es una molécula fibrosa que consta de dos cadenas, alfa y beta, que se fijan a la actina F en el surco entre sus filamentos (figura 49-3). La tropomiosina está presente en todas las estructuras musculares y parecidas a músculo. El complejo de troponina es singular para el músculo estriado, y consta de tres polipéptidos. La troponina T (TpT) se une a la tropomiosina, así como a los otros dos componentes de la troponina. La troponina I (TpI) inhibe la interacción entre actina F y miosina, y se une también a los otros componentes de la troponina. La troponina C (TpC) es un polipéptido de unión a calcio, análogo desde los puntos de vista estructural y funcional a la calmodulina, una importante proteína de unión a calcio ampliamente distribuida en la naturaleza. Cuatro moléculas de ion de calcio se unen por cada molécula de troponina C o calmodulina, y ambas moléculas tienen una masa molecular de 17 kDa.

El Ca²⁺ es fundamental en la regulación de la contracción muscular

La contracción de músculos de todas las fuentes ocurre mediante el mecanismo general antes descrito. Los músculos de diferentes organismos y de distintas células y tejidos dentro del mismo organismo pueden tener diferentes mecanismos moleculares que se encargan de regular su contracción y relajación. En todos los sistemas, el Ca²⁺ es un regulador clave. Hay dos mecanismos generales de regulación de la contracción muscular: basada en actina y basada en miosina. El primero opera en los músculos esquelético y cardiaco, y el segundo en el músculo liso.

La regulación basada en actina ocurre en el músculo estriado

La regulación basada en actina del músculo ocurre en los músculos esquelético y cardiaco de vertebrados, ambos estriados. En el mecanismo general antes descrito (figura 49-6), el único factor en potencia limitante en el ciclo de la contracción muscular podría ser el ATP. El sistema del músculo esquelético está inhibido en reposo; esta inhibición se suprime para activar la contracción. El inhibidor del músculo estriado es el sistema de troponina, que está unido a la tropomiosina y la actina F en el filamento delgado (figura 49-3). En el músculo estriado, no hay control de la contracción a menos que los sistemas de tropomiosina-troponina estén presentes junto con los filamentos de actina y miosina. Como se describió, la tropomiosina yace a lo largo del surco de la actina F, y los tres componentes de la troponina —TpT, TpI y TpC— están unidos al complejo de actina F-tropomiosina. La TpI evita la unión de la cabeza de miosina a su sitio de fijación a actina F al alterar la conformación de esta última por medio de las moléculas de tropomiosina, o al simplemente girar la tropomiosina hacia una posición que bloquea de manera directa los sitios en la actina F a los cuales se fijan las cabezas de miosina. Uno u otro método evita la activación de la ATPasa de la miosina que está mediada por unión de la cabeza de miosina a actina F. Por tanto, el sistema TpI bloquea el ciclo de contracción en el paso 2 de la figura 49-6. Esto explica el estado inhibido del músculo estriado relajado.

El retículo sarcoplásmico regula las concentraciones intracelulares de Ca²⁺ en el músculo esquelético

En el sarcoplasma del músculo en reposo, la concentración de Ca²⁺ es de 10^–8 a 10^–7 mol/L. El estado de reposo se logra porque el Ca²⁺ se bombea hacia el retículo sarcoplásmico (SR) por medio de la acción de un sistema de transporte activo, llamado Ca²⁺ ATPasa (figura 49-8), lo que inicia la relajación. El SR es una red de sacos membranosos finos. Dentro del SR, el Ca²⁺ está unido a una proteína de unión a Ca²⁺ específica designada calsecuestrina. El sarcómero está rodeado por una membrana excitable (el sistema de túbulos T) compuesta de canales transversos (T) estrechamente relacionados con el SR.

Cuando un impulso nervioso excita el sarcolema, la señal se transmite hacia un sistema de túbulos T y se abre un canal de liberación de Ca²⁺ en el SR cercano, lo que libera Ca²⁺ desde el SR hacia el sarcoplasma. La concentración de Ca²⁺ en el sarcoplasma aumenta rápidamente a 10^–5 mol/L. El Ca²⁺ ocupa con rapidez los sitios de unión a Ca²⁺ en TpC en el filamento delgado. El TpC-4Ca²⁺ interactúa con TpI y TpT para alterar su interacción con la tropomiosina. En consecuencia, la tropomiosina se mueve hacia afuera del camino o altera la conformación de la actina F de modo que la cabeza de miosina-ADP-P_i (figura 49-6) puede interactuar con la actina F para empezar el ciclo de contracción.

El canal de liberación de Ca²⁺ también se conoce como receptor de rianodina (RYR). Hay dos isoformas de este receptor: RYR1 y RYR2; el primero está presente en el músculo esquelético, y el segundo en el músculo cardiaco y en el cerebro. La rianodina es un alcaloide vegetal que se une de manera específica a RYR1 y RYR2, y modula sus actividades. El canal de liberación de Ca²⁺ es un homotetrámero constituido de cuatro subunidades de 565 kDa. Tiene secuencias transmembrana en su carboxilo terminal, y éstas probablemente forman el canal de Ca²⁺. El resto de la proteína sobresale hacia el citosol, y llena la brecha entre el SR y la membrana tubular transversa. El canal es activado por un ligando; el Ca²⁺ y el ATP trabajan de manera sinérgica in vitro, aunque no está claro cómo opera in vivo. En la figura 49-9 se muestra una posible secuencia de eventos que llevan a la abertura del canal. El canal yace muy cerca del receptor de dihidropiridina (DHPR), un canal de Ca²⁺ lento, activado por voltaje) del sistema de túbulos transversos (figura 49-8). Experimentos in vitro en los que se emplea un método con cromatografía en columna de afinidad han indicado que un tramo de 37 aminoácidos en el RYR1 interactúa con un asa específica del DHPR.

La relajación ocurre cuando el Ca²⁺ sarcoplásmico cae por debajo de 10^–7 mol/L debido a su resecuestro hacia el SR por la Ca²⁺ ATPasa. Así, el TpC-4Ca²⁺ pierde su Ca²⁺. Por tanto, la troponina, por medio de interacción con tropomiosina, inhibe la interacción adicional entre la cabeza de miosina y la actina F, y en presencia de ATP la cabeza de miosina se desprende de la actina F.

De este modo, el Ca²⁺ controla la contracción y relajación del músculo esquelético mediante un mecanismo alostérico mediado por TpC, TpI, TpT, tropomiosina y actina F.

Un decremento de la concentración de ATP en el sarcoplasma (p. ej., por uso excesivo durante el ciclo de contracción-relajación o por formación disminuida, como podría ocurrir en la isquemia) tiene dos efectos importantes: 1) la Ca²⁺ATPasa (bomba de Ca²⁺) en el SR deja de mantener la concentración baja de Ca²⁺ en el sarcoplasma. De esta manera, se promueve la interacción de las cabezas de miosina con actina F. 2) El desprendimiento de cabezas de miosina, dependiente de ATP, desde la actina F, no puede ocurrir, y surge rigidez (contractura). El estado de rigor mortis, después de la muerte, es una extensión de estos eventos.

La contracción muscular es un delicado equilibrio dinámico de la fijación y el desprendimiento de cabezas de miosina a actina F, sujeto a regulación fina por medio del sistema nervioso.

En el cuadro 49-1 se resumen los eventos generales en la contracción y relajación del músculo esquelético.

Las mutaciones en el gen que codifica para el canal de liberación de Ca²⁺ son una causa de hipertermia maligna humana

Algunos pacientes que tienen predisposición genética experimentan una reacción grave, designada hipertermia maligna, cuando quedan expuestos a ciertos anestésicos (p. ej., halotano) y relajantes del músculo esquelético despolarizantes (p. ej., succinilcolina). La reacción consta principalmente de rigidez de los músculos esqueléticos, hipermetabolismo y fiebre alta. Una concentración citosólica alta de Ca²⁺ en el músculo esquelético es un factor importante en su causa. A menos que la hipertermia maligna se reconozca y trate de inmediato, los pacientes pueden morir de manera aguda por fibrilación ventricular, o sobrevivir para sucumbir después por otras complicaciones serias. El tratamiento apropiado consta de suspender el anestésico y administrar el fármaco dantroleno por vía intravenosa. El dantroleno es un relajante del músculo esquelético que actúa para inhibir la liberación de Ca²⁺ desde el SR hacia el citosol, lo que evita el aumento del Ca²⁺ citosólico que se encuentra en la hipertermia maligna (MH).

La MH también ocurre en cerdos. Los animales homocigotos para MH susceptibles muestran respuesta al estrés con una reacción mortal (síndrome de estrés porcino) similar a la que se observa en los seres humanos. Si la reacción ocurre antes de la matanza, afecta de manera adversa la calidad de la carne, lo que da por resultado un producto inferior. Ambos eventos puedan dar por resultado considerables pérdidas económicas para la industria porcina.

Una concentración alta de Ca²⁺ citosólico en el músculo en sujetos con MH sugirió que la enfermedad podría producirse por anormalidades en la Ca²⁺ ATPasa o del canal de liberación de Ca²⁺. No se detectaron anormalidades en la primera, pero la secuenciación de cDNA para la segunda proteína proporcionó información, particularmente en cerdos. Todos los cDNA de cerdos con MH examinados hasta ahora, han mostrado una sustitución de C1843 por T, lo que da por resultado la sustitución de Arg⁶¹⁵ por Cis en el canal de liberación de Ca²⁺. La mutación afecta la función del canal por cuanto se abre con mayor facilidad y permanece abierto durante más tiempo; el resultado neto es liberación masiva de Ca²⁺ hacia el citosol, lo que finalmente causa contracción muscular sostenida.

El cuadro es más complejo en seres humanos, puesto que la MH muestra heterogeneidad genética. Los miembros de varias familias que sufren hipertermia maligna no han mostrado enlace genético con el gen RYR1. Se ha encontrado que algunos seres humanos susceptibles a MH muestran la misma mutación que se encuentra en cerdos, y otros tienen diversas mutaciones puntuales en diferentes loci del gen RYR1. Se ha hallado que ciertas familias con MH tienen mutaciones que afectan el DHPR. Es posible que las mutaciones que afectan otras proteínas musculares, como la calsecuestrina-1, una proteína de unión a Ca²⁺ del SR que modula la función de RyR1, también cause MH. En la figura 49-10 se resume la probable cadena de eventos en la hipertermia maligna. La principal promesa de estos datos es que, una vez que se detecten mutaciones adicionales, será posible la detección, usando sondas de DNA idóneas, de individuos en riesgo de presentar MH durante anestesia. Las pruebas de detección actuales (p. ej., la prueba de cafeína-halotano in vitro) son relativamente poco fiables. Entonces podrían administrarse a los afectados anestésicos alternativos, que no pondrían en peligro su vida. También debe ser posible, si se desea, eliminar la MH de poblaciones de cerdos usando prácticas de cría idóneas.

Otra enfermedad debida a mutaciones en el gen RYR1 es la miopatía congénita de corpúsculos centrales. Ésta es una miopatía rara que se presenta durante la lactancia, con hipotonía y debilidad de músculos proximales. La microscopia electrónica revela falta de mitocondrias en el centro de muchas fibras musculares tipo I (véase más adelante). Los datos morfológicos parecen depender de daño de las mitocondrias inducido por concentraciones intracelulares altas de Ca²⁺ consecutivas a funcionamiento anormal de RYR1.

Varias proteínas adicionales desempeñan diversas funciones en la estructura y función del músculo. Incluyen titina (la proteína de mayor tamaño conocida), nebulina, α-actinina, desmina, distrofina y calcineurina. En el cuadro 49-2 se resumen algunas propiedades de estas proteínas.

La distrofina despierta especial interés. Como se comenta en el caso número 9 del capítulo 57, se ha mostrado que las mutaciones en el gen que codifica para esta proteína son la causa de la distrofia muscular de Duchenne, y de la más leve distrofia muscular de Becker. También quedan implicadas en algunos casos de miocardiopatía dilatada (véase más adelante). La distrofina forma parte de un complejo grande de proteínas que se fijan al plasmalema o que interactúan con el mismo (figura 49-11). La distrofina enlaza el citoesqueleto de la actina a la ECM, y parece ser necesaria para el montaje de la unión sináptica. Se cree que el deterioro de estos procesos por formación de distrofina defectuosa es crucial en la causa de la distrofia muscular de Duchenne. Las mutaciones en los genes que codifican para algunos de los componentes del complejo de sarcoglucano (figura 49-11) son la causa de distrofia muscular de la cintura escapulohumeral o pélvica, y de algunas otrasformas congénitas de distrofia muscular.

Se ha encontrado que las mutaciones en genes que codifican para varias glucosiltransferasas involucradas en la síntesis de las cadenas de azúcar del α-distroglucano son la causa de ciertos tipos de distrofia muscular congénita (cap. 47).

El cuadro general de la contracción muscular en el corazón semeja el de la contracción del músculo esquelético. El músculo cardiaco, al igual que el esquelético, es estriado, y usa el sistema de actina-miosina-tropomiosina-troponina antes descrito. Al contrario del músculo esquelético, el músculo cardiaco muestra ritmicidad intrínseca, y miocitos individuales se comunican entre sí debido a su naturaleza sincitial. El sistema tubular T está más desarrollado en el músculo cardiaco, mientras que el SR es menos extenso, y por consiguiente el aporte intracelular de Ca²⁺ para la contracción es menor. Así, la contracción del músculo cardiaco depende del Ca²⁺ extracelular; si el músculo cardiaco aislado queda privado de Ca²⁺, deja de latir en el transcurso de aproximadamente 1 min, mientras que el músculo esquelético puede seguir contrayéndose durante un periodo más prolongado sin una fuente extracelular de Ca²⁺. El AMP cíclico desempeña una función más notoria en el músculo cardiaco que en el esquelético. Modula las concentraciones intracelulares de Ca²⁺ por medio de la activación de proteína cinasas; estas enzimas fosforilan diversas proteínas de transporte en el sarcolema y el SR, y en el complejo regulador de troponina-tropomiosina, lo que afecta las concentraciones intracelulares de Ca²⁺ o las respuestas a las mismas. Hay una correlación gruesa entre la fosforilación de TpI y la contracción aumentada del músculo cardiaco inducida por catecolaminas. Esto puede explicar los efectos inotrópicos (contractilidad aumentada) de los compuestos β-adrenérgicos sobre el corazón. En el cuadro 49-3 se resumen algunas diferencias entre los músculos esquelético, cardiaco y liso.

El Ca²⁺ entra a los miocitos mediante canales de Ca²⁺, y los abandona por medio del intercambiador de Na⁺-Ca²⁺ y la Ca²⁺ ATPasa

Como se mencionó, el Ca²⁺ extracelular desempeña una función importante en la contracción del músculo cardiaco, no así en la del esquelético. Esto significa que el Ca²⁺ entra a los miocitos y sale de los mismos de una manera regulada. Se considerarán brevemente tres proteínas transmembrana que participan en este proceso.

Canales de Ca²⁺

El Ca²⁺ entra en los miocitos por medio de estos canales, que permiten la entrada sólo de iones de Ca²⁺. La principal puerta de entrada es el tipo L (corriente de larga duración, conductancia grande) o canal de Ca²⁺ lento, que es activado por voltaje, se abre durante despolarización inducida por propagación del potencial de acción cardiaco, y se cierra cuando el potencial de acción declina. Estos canales son equivalentes a los receptores de dihidropiridina del músculo esquelético (figura 49-8). Los canales de Ca²⁺ lentos están regulados por proteína cinasas dependientes de cAMP (estimuladoras) y cGMP-proteína cinasas (inhibidoras), y quedan bloqueados por los llamados bloqueadores de los canales de calcio (p. ej., verapamilo). Los canales de Ca²⁺ rápidos (o T, transitorios) también están presentes en el plasmalema, aunque en números mucho menores; probablemente contribuyen a la fase temprana del incremento del Ca²⁺ mioplásmico.

El aumento resultante del Ca²⁺ en el mioplasma actúa sobre el canal de liberación de Ca²⁺ del SR para abrirlo. Esto se llama liberación de Ca²⁺ inducida por Ca²⁺ (CICR). Se estima que alrededor de 10% del Ca²⁺ involucrado en la contracción entra en el citosol desde el líquido extracelular, y 90% desde el SR. Empero, el primer 10% es importante, puesto que el índice de aumento de Ca²⁺ en el mioplasma es importante, y la entrada por medio de los canales de Ca²⁺ contribuye de manera apreciable a esto.

Intercambiador de Ca²⁺-Na⁺

Se trata de la principal ruta de salida de Ca²⁺ desde los miocitos. En miocitos en reposo, ayuda a mantener una concentración baja de Ca²⁺ intracelular libre al intercambiar un Ca²⁺ por tres Na⁺. La energía para el movimiento torrente arriba de Ca²⁺ hacia afuera de la célula proviene del movimiento torrente abajo de Na⁺ hacia la célula desde el plasma. Este intercambio contribuye a la relajación, pero puede correr en la dirección inversa durante la excitación. Debido al intercambiador de Ca²⁺-Na⁺, cualquier cosa que cause aumento del Na⁺ intracelular (Na⁺_i) ocasionará de manera secundaria aumento del Ca²⁺_i, lo que origina contracción más enérgica. Esto se denomina efecto inotrópico positivo. Un ejemplo es cuando el fármaco digital se usa para tratar insuficiencia cardiaca. La digital inhibe la Na⁺-K⁺ ATPasa sarcolémica, lo que disminuye la salida de Na⁺ y, así, aumenta el Na⁺_i. Esto a su vez causa incremento del Ca²⁺, por medio del intercambiador de Ca²⁺-Na⁺. El Ca²⁺_i aumentado suscita incremento de las fuerzas de la contracción cardiaca (figura 49-12), que resulta beneficioso en personas con insuficiencia cardiaca.

Ca²⁺ ATPasa

Esta bomba de Ca²⁺, situada en el sarcolema, también contribuye a la salida de Ca²⁺, pero se cree que tiene un papel relativamente menor en comparación con el intercambiador de Ca²⁺-Na⁺.

Cabe hacer notar que hay diversos canales de ion (cap. 40) en casi todas las células, para Na⁺, K⁺, Ca²⁺, etc. Muchos de ellos se han clonado durante los últimos años, y se ha determinado su disposición en sus membranas respectivas (número de veces que cada uno cruza su membrana, ubicación del sitio de transporte de ion real en la proteína, etc.). Pueden clasificarse como se indica en el cuadro 49-4. El músculo cardiaco tiene alto contenido de canales de ion, y estos últimos también tienen importancia en el músculo esquelético. Se ha mostrado que las mutaciones de los genes que codifican para canales de ion causan varias enfermedades relativamente raras que afectan el músculo. Estas y otras enfermedades debidas a mutaciones de canales de ion se han llamado canalopatías; algunas se listan en el cuadro 49-5.

Las miocardiopatías hereditarias se deben a trastornos del metabolismo de energía cardiaco o a proteínas miocárdicas anormales

Una miocardiopatía hereditaria es cualquier anormalidad estructural o funcional del miocardio ventricular debida a una causa hereditaria. Hay tipos de miocardiopatía no hereditarios, pero no se describirán aquí. Las causas de las miocardiopatías hereditarias caen dentro de dos clases amplias (cuadro 49-6): 1) trastornos del metabolismo de energía cardiaco, que reflejan principalmente mutaciones en genes que codifican para enzimas o proteínas involucradas en la oxidación de ácidos grasos (una importante fuente de energía para el miocardio) y la fosforilación oxidativa, y 2) mutaciones en genes que codifican para proteínas que participan en la contracción miocárdica o que la afectan, como la miosina, tropomiosina, las troponinas, y la proteína C de unión a miosina cardiaca. Las mutaciones en los genes que codifican para estas últimas proteínas causan miocardiopatía hipertrófica familiar, que se comentará a continuación.

Las mutaciones en el gen que codifica para la cadena pesada de la β-miosina cardiaca son una causa de miocardiopatía hipertrófica familiar

La miocardiopatía hipertrófica familiar es una de las enfermedades cardiacas hereditarias más frecuentes. Los pacientes muestran hipertrofia —a menudo masiva— de uno o ambos ventrículos, que empieza en etapas tempranas de la vida, y no se relaciona con alguna causa extrínseca, como hipertensión. La mayor parte de los casos se transmite de una manera autosómica dominante; el resto es esporádico. Hasta hace poco, su causa era oscura. Con todo, esta situación cambió cuando los estudios de una familia afectada mostraron que la enfermedad dependía de una mutación sin sentido (esto es, sustitución de un aminoácido por otro) en el gen que codifica para cadena pesadade β-miosina. Estudios subsiguientes han mostrado varias mutaciones sin sentido en este gen, todas las cuales codifican para residuos muy conservados. Algunos individuos han mostrado otras mutaciones, como la formación de un gen híbrido que codifica para cadena pesada de α/β-miosina. Los pacientes con miocardiopatía hipertrófica familiar pueden mostrar gran variación del cuadro clínico; esto refleja en parte la heterogeneidad genética; esto es, la mutación en varios otros genes (p. ej., los que codifican para actina cardiaca, tropomiosina, troponinas cardiacas I y T, cadenas ligeras de miosina esenciales y reguladoras, proteína C de unión a miosina cardiaca, titina, y tRNA-glicina y tRNA-isoleucina mitocondriales) también puede causar miocardiopatía hipertrófica familiar. Además, las mutaciones en diferentes sitios en el gen que codifica para cadena pesada de β-miosina pueden afectar en mayor o menor grado la función de la proteína. Las mutaciones sin sentido están agrupadas en las regiones de la cabeza y de cabeza-varilla de la cadena pesada de miosina. Una hipótesis es que los polipéptidos mutantes (“polipéptidos veneno”) causan formación de miofibrillas anormales, lo que finalmente da por resultado hipertrofia compensadora. Algunas mutaciones alteran la carga del aminoácido (p. ej., sustitución de glutamina por arginina), lo que quizá afecta de manera más notoria la conformación de la proteína y, así, altera su función. En pacientes que tienen estas mutaciones la esperanza de vida es significativamente más breve que en aquellos en quienes la mutación no produjo alteración de la carga. De este modo, quizá resulte que la definición de las mutaciones precisas involucradas en la génesis de FHC tenga utilidad pronóstica importante; puede lograrse mediante el uso apropiado de la reacción en cadena de polimerasa en DNA genómico obtenido a partir de una muestra de linfocitos sanguíneos. La figura 49-13 es un esquema simplificado de los eventos que causan miocardiopatía hipertrófica familiar.

Otro tipo de miocardiopatía se denomina miocardiopatía dilatada. Las mutaciones en los genes que codifican para distrofina, proteína LIM muscular (así llamada porque se encontró que contiene un dominio con alto contenido de cisteína originalmente detectado en tres proteínas: Lin-II, Isl-1 y Mec-3), la proteína de unión a elemento de respuesta cíclica (CREB), desmina y lámina, han quedado implicadas en la causa de esta enfermedad. Las primeras dos proteínas ayudan a organizar el aparato contráctil de las células de músculo cardiaco, y la CREB participa en la regulación de varios genes de estas células. La investigación actual no sólo está elucidando las causas moleculares de las miocardiopatías, sino que también está revelando mutaciones que causan trastornos del desarrollo cardiaco (p. ej., defecto de tabique) y arritmias (p. ej., debidas a mutación que afecta canales de ion).

El Ca²⁺ también regula la contracción del músculo liso

Si bien todos los músculos contienen actina, miosina y tropomiosina, sólo los músculos estriados de vertebrados contienen el sistema de troponina. De esta manera, los mecanismos que regulan la contracción deben diferir en diversos sistemas contráctiles.

El músculo liso tiene estructura molecular similar a la del estriado, pero los sarcómeros no están alineados de modo que generen el aspecto estriado. El músculo liso contiene moléculas de α-actinina y tropomiosina, como el esquelético. El músculo liso carece del sistema de troponina, y las cadenas ligeras de las moléculas de miosina del músculo liso difieren de las de la miosina del estriado. La regulación de la contracción del músculo liso está basada en miosina, a diferencia de la del músculo estriado, que está basada en actina. Aun así, al igual que el músculo estriado, la contracción del músculo liso está regulada por Ca²⁺.

La fosforilación de cadenas ligeras de miosina inicia la contracción del músculo liso

Cuando la miosina del músculo liso se une a actina F en ausencia de otras proteínas musculares como la tropomiosina, no hay actividad de ATPasa detectable. Esta ausencia de actividad es bastante poco semejante a la situación descrita para la miosina y la actina F del músculo estriado, que tiene abundante actividad de ATPasa. La miosina del músculo liso contiene cadenas ligeras que evitan la unión de la cabeza de miosina a actina F; se deben fosforilar antes de que permitan que la actina F active a la ATPasa de miosina. La actividad de ATPasa entonces alcanzada hidroliza el ATP unas 10 veces más lentamente que la actividad correspondiente en el músculo esquelético. El fosfato en las cadenas ligeras de miosina puede formar un quelado con el Ca²⁺ unido al complejo de tropomiosina-TpC-actina, lo que lleva a un índice aumentado de formación de puentes transversales entre las cabezas de miosina y la actina. La fosforilación de cadenas ligeras inicia el ciclo de contracción del músculo liso con fijación-desprendimiento.

La cinasa de cadena ligera de miosina se activa por calmodulina-4Ca²⁺, y después fosforila las cadenas ligeras

El sarcoplasma del músculo liso contiene una cinasa de cadena ligera de miosina, dependiente del calcio. La activación de la cinasa de cadena ligera de miosina por el Ca²⁺ requiere unión de calmodulina-4Ca²⁺ a su subunidad cinasa (figura 49-14). La cinasa de cadena ligera activada por calmodulina-4Ca²⁺ fosforila las cadenas ligeras, que después dejan de inhibir la interacción entre miosina y actina F. Entonces empieza el ciclo de contracción.

En el músculo liso hay otra vía no dependiente de Ca²⁺ para iniciar la contracción, la cual comprende Rho cinasa, que es activada por diversos estímulos (que no se muestran en la figura 49-14). Esta enzima fosforila a la fosfatasa de cadena ligera de miosina, lo que la inhibe y, así, aumenta la fosforilación de la cadena ligera. La Rho cinasa también fosforila de modo directo la cadena ligera de miosina. Estas dos acciones aumentan la contracción del músculo liso.

El músculo liso se relaja cuando la concentración de Ca²⁺ cae por debajo de 10^–7 molar

El músculo liso se relaja cuando el Ca²⁺ sarcoplásmico cae por debajo de 10^–7 mol/L. El Ca²⁺ se disocia de la calmodulina que, a su vez, se disocia de la cinasa de cadena ligera de miosina, lo que inactiva la cinasa. No se fijan nuevos fosfatos a la cadena ligera p, y la proteína fosfatasa de cadena ligera, que es continuamente activa, e independiente del calcio, elimina de las cadenas ligeras los fosfatos existentes. La cadena ligera p de miosina desfosforilada a continuación inhibe la unión de cabezas de miosina a actina F y la actividad de ATPasa. La cabeza de miosina se desprende de la actina F en presencia de ATP, pero no puede volver a fijarse debido a la presencia de cadena ligera p desfosforilada; por consiguiente, ocurre relajación.

En el cuadro 49-7 se resume y compara la regulación de las interacciones entre actina y miosina (activación de la ATPasa de miosina) en músculos estriado y liso.

El cAMP no afecta o activa de manera directa la cinasa de cadena ligera de miosina. De cualquier modo, la proteína cinasa activada por cAMP puede fosforilar a la cinasa de cadena ligera de miosina (no las cadenas ligeras en sí). La cinasa de cadena ligera de miosina fosforilada muestra una afinidad significativamente menor por calmodulina-Ca²⁺ y, así, es menos sensible a activación. En consecuencia, un aumento del cAMP disminuye la respuesta de contracción del músculo liso a un aumento dado del Ca²⁺ sarcoplásmico. Este mecanismo molecular puede explicar el efecto relajante de la estimulación β-adrenérgica sobre el músculo liso.

Otra proteína que parece desempeñar una función dependiente de Ca²⁺ en la regulación de la contracción del músculo liso es la caldesmona (87 kDa). Esta proteína es omnipresente en el músculo liso y se encuentra también en tejido que no es músculo. A concentraciones bajas de Ca²⁺, se une a la tropomiosina y actina. Esto evita la interacción de la actina con la miosina, y mantiene el músculo en un estado relajado. A concentraciones más altas de Ca²⁺, la Ca²⁺-calmodulina se une a la caldesmona, lo que la libera de la actina. Esta última a continuación está libre para unirse a la miosina, y puede ocurrir contracción. La caldesmona también está sujeta a fosforilación-desfosforilación; cuando está fosforilada, no puede unirse a la actina, lo que de nuevo libera a esta última para interactuar con la miosina. La caldesmona quizá también participe en la organización de la estructura del aparato contráctil en el músculo liso. Muchos de sus efectos se han demostrado in vitro, y aún se está investigando su importancia fisiológica.

El ingreso a ciclos lentos de los puentes transversales permite la contracción prolongada del músculo liso (p. ej., en vísceras y vasos sanguíneos) con menos utilización de ATP en comparación con el músculo estriado (cuadro 49-3). La capacidad del músculo liso para mantener fuerza a velocidades de contracción reducidas se denomina estado de pestillo; ésta es una característica importante del músculo liso, y su base molecular precisa se encuentra en estudio.

El óxido nítrico (NO) relaja el músculo liso de los vasos sanguíneos, y tiene muchas otras funciones biológicas importantes

La acetilcolina es un vasodilatador que actúa al causar relajación del músculo liso de los vasos sanguíneos; sin embargo, no actúa de manera directa sobre el músculo liso. Una observación clave fue que si las células endoteliales se separaban de las células de músculo liso subyacentes, la acetilcolina ya no ejercía su efecto vasodilatador. Este dato indicó que los vasodilatadores como la acetilcolina inicialmente interactúan con las células endoteliales de los vasos sanguíneos de pequeño calibre por medio de receptores. Los receptores están acoplados al ciclo de la fosfoinositida, lo que lleva a la liberación intracelular de Ca²⁺ por medio de la acción del trifosfato de inositol. A su vez, el aumento del Ca²⁺ lleva a la liberación de factor relajante derivado del endotelio (EDRF), que se difunde hacia el músculo liso adyacente. Ahí, reacciona con la porción hem de una guanilil ciclasa soluble, lo que da por resultado la activación de esta última, con aumento consiguiente de las concentraciones intracelulares de cGMP (figura 49-15). Esto, a su vez, estimula las actividades de ciertas proteína cinasas dependientes de cGMP, que probablemente fosforila proteínas musculares específicas, lo que causa relajación; no obstante, los detalles aún se están esclareciendo. El importante vasodilatador de arteria coronaria, nitroglicerina, ampliamente usado para aliviar angina de pecho, actúa para aumentar la liberación intracelular de EDRF y, así, de cGMP.

De manera bastante inesperada, se encontró que el EDRF es el gas óxido nítrico (NO). El NO se forma mediante la acción de la enzima NO sintasa, que es citosólica. Las formas endotelial y neuronal de la NO sintasa se activan por medio de Ca²⁺ (cuadro 49-8). El sustrato es arginina, y los productos son citrulina y NO.

La NO sintasa cataliza una oxidación de cinco electrones de un nitrógeno amidina de la arginina. La l-hidroxiarginina es un intermediario que permanece estrechamente unido a la enzima. La NO sintasa es una enzima muy compleja; emplea cinco cofactores redox: NADPH, FAD, FMN, hem y tetrahidrobiopterina. El NO también puede formarse a partir de nitrito, derivado de vasodilatadores como trinitrato de glicerilo durante su metabolismo. El NO tiene una vida muy breve (de aproximadamente 3 a 4 s) en los tejidos porque reacciona con oxígeno y superóxido. El producto de la reacción con superóxido es el peroxinitrito (ONOO⁻), que se descompone para formar el radical OH∙ muy reactivo. El NO es inhibido por la hemoglobina y otras proteínas, que se le unen de manera estrecha. Ahora se dispone de inhibidores químicos de la NO sintasa que pueden disminuir de manera notoria la formación de NO. La administración de esos inhibidores a animales y seres humanos lleva a vasoconstricción y un notorio aumento de la presión arterial, lo que indica que el NO tiene gran importancia en el mantenimiento de la presión arterial in vivo. Otro efecto cardiovascular importante es que al aumentar la síntesis de cGMP, actúa como un inhibidor de la agregación plaquetaria (cap. 51).

Desde el descubrimiento de la función del NO como vasodilatador, ha habido intenso interés experimental por esta molécula. Ha resultado que desempeña diversas funciones fisiológicas, que comprenden casi todos los tejidos del organismo (cuadro 49-9). Se han identificado tres isoformas importantes de la NO sintasa, cada una de las cuales se ha clonado, y se han determinado las ubicaciones cromosómicas de sus genes en seres humanos. Se han realizado experimentos de noqueo de gen sobre cada una de las tres isoformas, y han ayudado a establecer algunas de las funciones postuladas del NO.

En resumen, la investigación efectuada durante el decenio pasado ha mostrado que el NO desempeña una función importante en muchos procesos fisiológicos y patológicos.

El ATP requerido como la fuente de energía constante para el ciclo de la contracción-relajación de músculo puede generarse: 1) mediante glucólisis, usando glucosa sanguínea o glucógeno muscular, 2) mediante fosforilación oxidativa, 3) a partir de fosfato de creatina y 4) a partir de dos moléculas de ADP en una reacción catalizada por adenilil cinasa (figura 49-16). La cantidad de ATP en el músculo esquelético sólo es suficiente para proporcionar energía para contracción durante algunos segundos, de modo que el ATP se debe renovar constantemente a partir de una o más de las fuentes anteriores, dependiendo de las condiciones metabólicas. Como se comenta más adelante, hay al menos dos tipos de fibras en el músculo esquelético, una predominantemente activa en condiciones aeróbicas, y la otra en condiciones anaeróbicas; como es de esperarse, usan cada una de las fuentes de energía anteriores en diferentes grados.

El músculo esquelético contiene grandes reservas de glucógeno

El sarcoplasma del músculo esquelético contiene grandes reservas de glucógeno, ubicadas en gránulos cerca de las bandas I. La liberación de glucosa a partir del glucógeno depende de una glucógeno fosforilasa muscular específica (cap. 19), que puede ser activada por Ca²⁺, epinefrina y AMP. Para generar glucosa 6-fosfato para glucólisis en el músculo esquelético, la glucógeno fosforilasa b debe activarse hacia fosforilasa mediante fosforilación por la fosforilasa b cinasa (cap. 19). El Ca²⁺ promueve la activación de fosforilasa b cinasa, también mediante fosforilación. Así, el Ca²⁺ tanto inicia la contracción muscular como activa una vía para proporcionar la energía necesaria. La hormona epinefrina también activa la glucogenólisis en el músculo. El AMP, que se produce por desintegración del ADP durante el ejercicio muscular, también puede activar a la fosforilasa b sin causar fosforilación. La glucógeno fosforilasa b muscular es inactiva en la enfermedad de McArdle, una de las enfermedades por depósito de glucógeno (cap. 19).

En condiciones aeróbicas, el músculo genera ATP principalmente mediante fosforilación oxidativa

La síntesis de ATP por medio de fosforilación oxidativa requiere un aporte de oxígeno. Los músculos que tienen demanda alta de oxígeno como resultado de contracción sostenida (p. ej., para mantener la postura) lo almacenan unido a la porción hem de la mioglobina. Debido a la porción hem, los músculos que contienen mioglobina son de color rojo, mientras que aquellos con poca o ninguna mioglobina son de color blanco. La glucosa, derivada de la glucosa sanguínea o de glucógeno endógeno, y los ácidos grasos derivados de los triacilgliceroles del tejido adiposo, son los principales sustratos que se usan para el metabolismo aeróbico en el músculo.

El fosfato de creatina constituye una importante reserva de energía en el músculo

El fosfato de creatina evita el agotamiento rápido de ATP al proporcionar un fosfato de alta energía fácilmente disponible que puede usarse para regenerar ATP a partir de ADP. El fosfato de creatina se forma a partir de ATP y creatina (figura 49-16) en momentos en que el músculo está relajado y las demandas de ATP no son tan grandes. La enzima que cataliza la fosforilación de la creatina es la creatina cinasa (CK), una enzima específica para músculo que tiene utilidad clínica en la detección de enfermedades agudas o crónicas de este último.

Se han detectado diferentes tipos de fibras en el músculo esquelético. Una clasificación las subdivide en tipo I (de contracción lenta), tipo IIA (contracción rápida-oxidativa) y tipo IIB (contracción rápida-glucolítica). En aras de la sencillez, sólo se considerarán dos tipos: tipo I (contracción lenta, oxidativa) y tipo II (contracción rápida, glucolítica) (cuadro 49-10). Las fibras tipo I son rojas porque contienen mioglobina y mitocondrias; su metabolismo es aeróbico, y mantienen contracciones relativamente sostenidas. Las fibras tipo II carecen de mioglobina y contienen pocas mitocondrias, son de color blanco: obtienen su energía a partir de la glucólisis anaeróbica, y muestran duraciones de contracción relativamente breves. La proporción de estos dos tipos de fibras varía entre los músculos del cuerpo, dependiendo de la función (p. ej., si un músculo participa o no en la contracción sostenida, como el mantenimiento de la postura). La proporción también varía con el entrenamiento; por ejemplo, el número de fibras tipo I en ciertos músculos de las piernas aumenta en atletas que entrenan para maratones, mientras que el número de fibras tipo II se incrementa en corredores de velocidad o sprinters.

Un corredor de velocidad usa fosfato de creatina y glucólisis anaeróbica para sintetizar ATP, mientras que un maratonista emplea fosforilación oxidativa

En vista de los dos tipos de fibras en el músculo esquelético y de las diversas fuentes de energía ya descritas, es interesante comparar su participación en un sprint (p. ej., 100 m) y en el maratón (42.2 km; poco más de 26 millas) (cuadro 49-11).

Las principales fuentes de energía en el sprint de 100 m son el fosfato de creatina (primeros 4 a 5 s) y después la glucólisis anaeróbica, usando el glucógeno muscular como la fuente de glucosa. Los dos principales sitios de control metabólico están en la glucógeno fosforilasa y en la PFK-1. La primera se activa mediante el Ca²⁺ (liberado a partir del SR durante la contracción), epinefrina y AMP. La PFK-1 se activa por AMP, P_i y NH₃. El flujo por glucólisis puede aumentar hasta 1 000 veces durante un sprint, lo que atestigua la eficiencia de estos procesos.

En contraste, en el maratón, el metabolismo aeróbico es la principal fuente de ATP. Las principales fuentes de combustible son la glucosa sanguínea y los ácidos grasos libres, en su mayor parte derivados de la desintegración de triacilgliceroles en el tejido adiposo, estimulada por la epinefrina. El glucógeno hepático se degrada para mantener la concentración de glucosa en la sangre. El glucógeno muscular también es una fuente de combustible, pero se degrada de manera mucho más paulatina que en un sprint. Se ha calculado que durante un maratón la cantidad de glucosa en la sangre, glucógeno en el hígado, glucógeno en el músculo y triacilglicerol en el tejido adiposo es suficiente para proporcionar energía al músculo durante 4, 18, 70 y aproximadamente 4 000 min, respectivamente. Sin embargo, la tasa de oxidación de ácidos grasos por el músculo es más lenta que la de glucosa, de tal modo que la oxidación de glucosa y de ácidos grasos es una fuente importante de energía en el maratón.

Los atletas han usado diversos procedimientos para contrarestar la fatiga muscular y la fuerza inadecuada, entre los cuales se incluyen carga de carbohidratos, carga de soda (bicarbonato de sodio), dopaje con sangre (administración de eritrocitos), e ingestión de creatina y androstenediona. Su lógica y eficacia no se comentarán aquí.

En seres humanos, la proteína del músculo esquelético es la principal fuente de energía almacenada que no es grasa. Esto explica las pérdidas muy grandes de masa muscular, particularmente en adultos, originadas por nutrición calórica insuficiente prolongada.

Es difícil estudiar in vivo la desintegración de proteína hística, porque los aminoácidos que se liberan durante la desintegración de proteína intracelular pueden reutilizarse de manera extensa para la síntesis de proteína dentro de las células, o los aminoácidos se pueden transportar hacia otros órganos donde entran en vías anabólicas. Empero, la actina y miosina se metilan mediante una reacción postraduccional, y forman 3-metilhistidina. Durante la desintegración intracelular de actina y de miosina, se libera 3-metilhistidina y se excreta hacia la orina. El gasto urinario del aminoácido metilado proporciona un índice fiable del índice de desintegración de proteínas miofibrilares en la musculatura de seres humanos.

El cuadro 49-12 resume diversas características del metabolismo muscular, la mayor parte de las cuales se aborda en otros capítulos de este libro.

Las células no musculares desempeñan trabajo mecánico, lo que incluye autopropulsión, morfogénesis, división, endocitosis, exocitosis, transporte intracelular, y cambio de la forma de la célula. Estas funciones celulares se llevan a cabo mediante una extensa red intracelular de estructuras filamentosas que constituyen el citoesqueleto. El citoplasma celular no es un saco de líquido, como alguna vez se creyó. En esencia, todas las células eucarióticas contienen tres tipos de estructuras filamentosas: filamentos de actina (también conocidos como microfilamentos), microtúbulos y filamentos intermedios. Cada tipo de filamento puede distinguirse desde el punto de vista bioquímico y mediante el microscopio electrónico.

Los cuadros 49-13 y 49-14 resumen algunas propiedades de estas tres estructuras.

Las células no musculares contienen actina que forma microfilamentos

La actina G está presente en casi todas las células del cuerpo, si no es que en todas. Con concentraciones apropiadas de magnesio y cloruro de potasio, se polimeriza de manera espontánea para formar filamentos de actina F de doble hélice como los que se observan en el músculo. Hay al menos dos tipos de actina en células no musculares: β-actina y γ-actina. Ambos tipos pueden coexistir en la misma célula, y probablemente incluso copolimerizarse en el mismo filamento. En el citoplasma, la actina F forma microfilamentos de 7 a 9.5 nm que suelen existir como fascículos de una red de aspecto enmarañado. Estos fascículos son notorios justo por debajo de la membrana plasmática de muchas células, y se denominan fibras de estrés. Dichas fibras desaparecen a medida que la motilidad celular aumenta o en el momento de transformación maligna de células por sustancias químicas o virus oncogénicos.

Aunque no están organizados como en el músculo, los filamentos de actina en células no musculares interactúan con miosina para causar movimientos celulares.

Los microtúbulos contienen α- y β-tubulinas

Los microtúbulos, un componente integral del citoesqueleto celular, constan de tubos citoplásmicos de 25 nm de diámetro, y a menudo de longitud extrema (figura 49-17). Los microtúbulos se necesitan para la formación y función del huso mitótico y, así, están presentes en todas las células eucarióticas. También participan en el movimiento intracelular de vesículas endocíticas y exocíticas, y forman los principales componentes estructurales de cilios y flagelos. Los microtúbulos son un componente importante de los axones y las dendritas, en los cuales mantienen la estructura y participan en el flujo axoplásmico de material a lo largo de estas prolongaciones neuronales.

Los microtúbulos son cilindros de 13 protofilamentos dispuestos de manera longitudinal, cada uno de los cuales consta de dímeros de α-tubulina y β-tubulina, proteínas estrechamente relacionadas de masa molecular de aproximadamente 50 kDa. Los dímeros de tubulina se montan hacia protofilamentos y después hacia hojas y posteriormente cilindros. Un centro organizador de microtúbulos, localizado alrededor de un par de centriolos, produce nucleación del crecimiento de nuevos microtúbulos. Una tercera especie de tubulina, la γ-tubulina, parece tener una función importante en este montaje. Se requiere GTP para el montaje. Diversas proteínas se relacionan con microtúbulos (proteínas relacionadas con microtúbulos [MAP], una de las cuales es tau) y tienen funciones importantes en el montaje y la estabilización de microtúbulos. Los microtúbulos se encuentran en un estado de inestabilidad dinámica; constantemente se montan y desmontan. Muestran polaridad (extremos positivo y negativo); esto es importante en su crecimiento a partir de centriolos, y en su capacidad para dirigir el movimiento intracelular. Por ejemplo, en el transporte axonal, la proteína cinesina, con una actividad de ATPasa parecida a miosina, usa hidrólisis de ATP para mover vesículas por el axón hacia el extremo positivo de la formación microtubular. La dineína citosólica, otra proteína con actividad de ATPasa, proporciona la energía para el flujo de materiales en la dirección opuesta, hacia el extremo negativo. De modo similar, las dineínas axonémicas proveen la energía para los movimientos ciliar y flagelar. Otra proteína, la dinamina, usa GTP, y participa en la endocitosis. Las cinesinas, dineínas, dinamina y miosinas se denominan motores moleculares.

La falta de dineína en los cilios y flagelos da por resultado inmovilidad de los mismos, y lleva a esterilidad masculina, situs inversus e infección respiratoria crónica, enfermedad conocida como el síndrome de Kartagener (OMIM 244400). En individuos con este síndrome se han detectado mutaciones en genes que afectan la síntesis de dineína.

Ciertos fármacos se unen a microtúbulos y, así, interfieren con su montaje y desmontaje. Entre ellos se encuentran colchicina (que se usa para tratar artritis gotosa aguda), vinblastina (un alcaloide de la vinca usado para tratar ciertos tipos de cáncer), paclitaxel (eficaz contra cáncer ovárico) y griseofulvina (antimicótico).

Los filamentos intermedios difieren de los microfilamentos y los microtúbulos

Existe un sistema fibroso intracelular de filamentos con una periodicidad axial de 21 nm y un diámetro de 8 a 10 de nm que es intermedio entre el de microfilamentos (6 nm) y microtúbulos (23 nm). Se encuentran al menos cuatro clases de filamentos intermedios (cuadro 49-14).

Todos son moléculas alargadas, fibrosas, con un dominio de varilla central, una cabeza amino terminal, y una cola carboxilo terminal. Forman una estructura como una cuerda, y los filamentos maduros están compuestos de tetrámeros apretados entre sí de una manera helicoidal. Son componentes estructurales importantes de las células, y casi todos son componentes relativamente estables del citoesqueleto, que no pasan por montaje y desmontaje rápidos, y no desaparecen durante la mitosis, como lo hacen la actina y muchos otros filamentos microtubulares.

Una importante excepción a esto son las láminas, que, después de fosforilación, se desmontan en el momento de la mitosis y reaparecen cuando termina. Las láminas forman una red en yuxtaposición con la membrana nuclear interna.

Las mutaciones en el gen que codifica para lámina A y lámina C causan síndrome de progeria, de Hutchinson-Gilford (progeria) (OMIM 176670), caracterizado por envejecimiento acelerado y otras características. Una forma farnesilada (en la figura 26-2 se presenta la estructura del farnesil) de prelámina A se acumula en la enfermedad, porque la mutación altera el sitio de acción proteolítica normal para dividir la porción farnesilada de la lámina A. La lámina A es un importante componente del andamiaje estructural que mantiene la integridad del núcleo de una célula. Parece ser que la acumulación de la prelámina A farnesilada hace inestables a los núcleos, lo que altera su forma, y de algún modo esto predispone a la aparición de signos de envejecimiento prematuro. Experimentos en ratones han indicado que la administración de un inhibidor de la farnesiltransferasa puede aminorar la aparición de núcleos deformes. Los niños afectados por esta enfermedad a menudo mueren durante la adolescencia por aterosclerosis. En la figura 49-18 se muestra un breve esquema de la causa de la progeria.

Las queratinas forman una familia grande; se distinguen alrededor de 30 miembros. Se encuentran dos tipos principales de queratinas (cuadro 49-14); todas las queratinas individuales son heterodímeros constituidos por un miembro de cada clase.

Las vimentinas están ampliamente distribuidas en células mesodérmicas, y la desmina, la proteína ácida fibrilar glial, y la periferina, se relacionan con ellas. Todos los miembros de la familia parecida a vimentina se pueden copolimerizar entre sí.

Los filamentos intermedios son muy prominentes en las células nerviosas; los neurofilamentos se clasifican como bajos, medios y altos con base en su masa molecular. La distribución de filamentos intermedios en células normales y anormales (p. ej., cancerosas) puede estudiarse mediante el uso de técnicas de inmunofluorescencia, usando anticuerpos de especificidades apropiadas. Estos anticuerpos contra filamentos intermedios específicos también pueden ser útiles a los patólogos al ayudarlos a determinar el origen de ciertos tumores malignos desdiferenciados. Estos tumores aún pueden retener el tipo de filamentos intermedios que se encuentran en su célula de origen.

Se ha encontrado que diversas enfermedades cutáneas, principalmente caracterizadas por formación de vesículas, se deben a mutaciones en los genes que codifican para diversas queratinas. Dos de estos trastornos son la epidermólisis ampollar simple (OMIM 131800) y la queratodermia palmoplantar epidermolítica (OMIM 144200). La formación de vesículas que se encuentra en estos trastornos probablemente refleja capacidad disminuida de diversas capas de la piel para resistir a tensiones mecánicas debido a anormalidades de la estructura de la queratina.

• Las miofibrillas del músculo esquelético contienen filamentos gruesos y delgados. Los filamentos gruesos contienen miosina, y los delgados, actina, tropomiosina y el complejo de troponina (troponinas T, I y C).

• El modelo del puente transversal de filamento deslizante es el fundamento del pensamiento actual acerca de la contracción muscular. La base de este modelo es que los filamentos que muestran interdigitación se deslizan más allá uno de otro durante la contracción, y los puentes transversales entre miosina y actina generan la tensión y la sostienen.

• La hidrólisis de ATP se usa para impulsar el movimiento de filamentos. El ATP se une a cabezas de miosina y se hidroliza hacia ADP y P_i mediante la actividad de ATPasa del complejo de actomiosina.

• El Ca²⁺ desempeña una función clave en el inicio de la contracción muscular al unirse a la troponina C. En el músculo esquelético, el retículo sarcoplásmico regula la distribución de Ca²⁺ hacia los sarcómeros, mientras que el flujo hacia dentro de Ca²⁺ mediante canales de Ca²⁺ en el sarcolema tiene gran importancia en los músculos cardiaco y liso.

• Muchos casos de hipertermia maligna en seres humanos se deben a mutaciones en el gen que codifica para el canal de liberación de Ca²⁺.

• Hay varias diferencias entre los músculos esquelético y cardiaco; en particular, este último contiene diversos receptores sobre su superficie.

• Algunos casos de miocardiopatía hipertrófica familiar se deben a mutaciones sin sentido en el gen que codifica para cadena pesada de β-miosina. También se han detectado mutaciones en genes que codifican para varias otras proteínas.

• El músculo liso, a diferencia de los músculos esquelético y cardiaco, no contiene el sistema de troponina; en su lugar, la fosforilación de cadenas ligeras de miosina inicia la contracción.

• El óxido nítrico (NO) es un regulador del músculo liso vascular; el bloqueo de su formación a partir de arginina causa un aumento agudo de la presión arterial, lo que indica que la regulación de esta última es una de sus principales funciones.

• La distrofia muscular tipo Duchenne se debe a mutaciones en el gen, localizado en el cromosoma X, que codifica para la proteína distrofina.

• Dos tipos importantes de fibras musculares se encuentran en seres humanos: blancas (anaeróbicas) y rojas (aeróbicas). Las primeras se usan particularmente en sprints y las segundas en ejercicio aeróbico prolongado. Durante un sprint, el músculo usa fosfato de creatina y glucólisis como fuentes de energía; en el maratón, la oxidación de ácidos grasos tiene gran importancia durante las fases más tardías.

• Las células no musculares desempeñan diversos tipos de trabajo mecánico llevado a cabo por las estructuras que constituyen el citoesqueleto. Estas estructuras incluyen filamentos de actina (microfilamentos), microtúbulos (compuestos principalmente de α-tubulina y β-tubulina), y filamentos intermedios. Estos últimos incluyen láminas, queratinas, proteínas parecidas a vimentina, y neurofilamentos. Las mutaciones en el gen que codifica para lámina A causan progeria, enfermedad caracterizada por envejecimiento prematuro. Las mutaciones en genes que codifican para ciertas queratinas provocan diversas enfermedades de la piel.