Capítulo 4: Fisiología del músculo

El ser humano ejecuta sus movimientos a través de la activación de los músculos formados por células especializadas para acortarse y desarrollar tensión llamadas fibras musculares. Los músculos se clasifican en tres tipos: los músculos esqueléticos, de los que existen alrededor de 600 y están insertados en los huesos del esqueleto; el músculo cardíaco, que conforma las paredes del corazón, y el músculo liso, responsable de la motilidad en vasos sanguíneos, tubo digestivo y otros órganos huecos. Los músculos esquelético y cardíaco comparten la característica de poseer un patrón ordenado de filamentos contráctiles que produce el aspecto estriado cuando se observa a través de un microscopio óptico de luz polarizada (figura 4-1).

Fibras musculares

Las fibras de los músculos esqueléticos son células alargadas que pueden alcanzar varios centímetros de longitud, son resultado de la fusión de múltiples células embrionarias llamadas mioblastos, lo cual explica que cada fibra posea hasta 250 núcleos celulares por milímetro de longitud. Datos recientes indican que entre 3 y 6 núcleos se localizan por debajo de la membrana postsináptica, y podrían desempeñar alguna función en la expresión de los constituyentes moleculares asociados a dicha función (Grady et al., 2005, Kummer et al., 2006).

La membrana celular o sarcolema de las fibras musculares esqueléticas, se caracteriza por la presencia de invaginaciones transversales que cruzan todo el espesor de la fibra cada 2 a 3 µm conocidas como túbulos T, las cuales, al estar abiertas al espacio extracelular, brindan una eficiente comunicación funcional entre los espacios intracelular y extracelular (figura 4-2) (Peachey y Eisenberg, 1978). Otro aspecto característico es la presencia de las caveolas, invaginaciones ciegas poco profundas, ricas en moléculas de señalización (Pike et al., 2002; Wary et al., 1998; Huang et al., 1999; Rothberg et al., 1992). Se ha reportado que las mutaciones en la proteína caveolina 3, expresada sólo en el músculo esquelético, están asociadas con algunos tipos de patología muscular reconocidas como caveolinopatías (Woodman et al., 2004). También se ha propuesto que las caveolas pueden actuar como reserva de membrana durante el estiramiento de la fibra.

La porción de la membrana muscular que forma sinapsis con las fibras musculares (unión neuromuscular) consta de una amplia membrana postsináptica y pliegues en forma de crestas con puntas anchas y bases estrechas que amplifican el potencial de placa (figura 4-3) (Couteaux and Spacek, 1988).

Las estructuras intracelulares más abundantes dentro de las fibras musculares son las miofibrillas, las cuales se extienden siguiendo el eje longitudinal de la fibra, están formadas por la unión en serie de las sarcómeras, cada milímetro de longitud de miofibrilla contiene alrededor de 450 sarcómeras (Koh & Herzog, 1998). En las fibras musculares, las bandas claras (I) y oscuras (A) de las sarcómeras de todas las miofibrillas están alineadas, lo que origina el aspecto estriado de los músculos esquelético y cardíaco. Cada miofibrilla, cuyos contornos son poligonales, mide en promedio entre 1 y 2 µm de diámetro, y está separada de sus vecinas por las mitocondrias y por los sistemas tubulares (sarcoplásmico y túbulos transversos) (figura 4-2); en una fibra de 50 µm de diámetro existen alrededor de 8 000 miofibrillas.

Las sarcómeras y sus proteínas

Las sarcómeras están formadas por tres tipos de filamentos proteínicos: gruesos, delgados y conectores. Los gruesos están formados de proteína miosina en 95%. Los delgados están compuestos por actina, troponina, tropomiosina y nebulina. Los conectores se forman por la proteína titina. La sarcómera es la unidad funcional de los músculos estriados, ya que es posible estimular y observar la contracción de una sola sarcómera. Su longitud es de aproximadamente 2.5 µm.

Los límites entre las sarcómeras son los discos Z (figura 4-4A), poseen dos bandas I y una banda A. En la banda I están los filamentos delgados y parte de los filamentos conectores; en la banda A se interdigitan parcialmente los filamentos gruesos y delgados, así como la otra parte de los filamentos conectores (figura 4-4A). Los filamentos conectores se extienden desde el centro de la sarcómera hasta los discos Z adosados a los filamentos de miosina en la banda A. En la parte central de la banda A se localiza la banda H, región de baja densidad óptica debido a la ausencia de filamentos de actina. En la mitad de la zona H existe una región oscura, la línea M, que marca el centro de la sarcómera. La línea M está formada por proteínas filamentosas que conectan de forma cruzada a los filamentos de miosina colocados en ambos lados, contribuyen a conservar su distribución en un plano romboidal regular. En adición a las bien conocidas líneas Z y M existen otras menos visibles, transversales a las bandas I, llamadas líneas N (Eisenberg, 1983), que bien podrían estar relacionadas con la troponina de los puentes I propuestos por Pollack (1990).

Las miofibrillas contienen cerca de 60% de las proteínas de las fibras musculares. Las proteínas actina y miosina representan 65% de los miofilamentos, pero se identifican otras proteínas con función estructural y que influyen en la interacción de la actina y la miosina durante la contracción muscular (figura 4-4A). Las cantidades relativas y las funciones, más frecuentes reportadas para estas proteínas se presentan en el cuadro 4-1.

La organización estructural mantiene un orden preciso desde las proteínas miofibrilares hasta el músculo completo. La figura 4-4A y B ilustra este orden: en la sarcómera los filamentos delgados se distribuyen en un arreglo hexagonal alrededor de cada filamento grueso. Los filamentos gruesos se mantienen en el centro de la sarcómera por la acción de los filamentos conectores que unen a cada extremo de los filamentos gruesos con los discos Z (figura 4-4B). Los discos Z son anclados por los filamentos intermedios del citoesqueleto a los discos Z de las sarcómeras circundantes; este andamiaje termina ligado a proteínas integrales de la membrana que por su cara externa se unen a la matriz extracelular. El tramo de la fibra muscular con el citoesqueleto y las sarcómeras de todas las miofibrillas entre dos discos Z se llama costamero (figura 4-5).

Filamento grueso. Los filamentos gruesos están constituidos principalmente por miosina, que es un dímero de casi 150 nm de largo, con dos cabezas globulares y una cola formada por el trenzado de dos segmentos filamentosos (figura 4-6). En el músculo estriado, los filamentos gruesos están formados por unas 300 moléculas de miosina, resultando una estructura de 15 nm de diámetro y 1 500 nm de longitud, lo cual implica que tiene 150 moléculas (300 cabezas) de miosina por cada hemisarcómera (Madoka et al., 2005). La agregación de las miosinas ocurre en función de la afinidad electrostática e interacciones hidrofóbicas de las colas, empaquetándose en el núcleo central del filamento grueso con las cabezas decorando la superficie (Squire, 1981, Padrón, 2007). Existe un segmento de 294 aminoácidos con cuatro agrupamientos de residuos de carga negativa y positiva indispensables para el autoensamble de las miosinas (Shoffner y De Lozanne, 1996, Miroshnichenkof, 2000).

Mediante las enzimas proteolíticas tripsina o quimotripsina se puede fraccionar la molécula de miosina en meromiosina ligera (LMM), formada por la cola, y meromiosina pesada (HMM), que contiene el bastón, formado por el superenrollamiento de los segmentos filamentosos entre sí en conformación de hélice α, y las dos cabezas formadas por el dominio globular o motor. Utilizando la papaína es posible fraccionar la HMM en el bastón (S2), y las dos cabezas (S1) (figura 4-6). En el bastón se localizan dos cadenas ligeras: reguladora y esencial. La fosforilación de estas cadenas es parte de los fenómenos de la activación molecular de la contracción.

La LMM confiere a la molécula de miosina su capacidad para la autoasociación, los segmentos S1 funcionan como palancas transductoras de la acción mecánica del puente cruzado, y los segmentos S2 tienen la función de la transformación de la energía química del ATP en energía mecánica (actividad de ATPasa).

Las hemisarcómeras están definidas por la línea M, región en la que las moléculas de miosina se unen entre sí por sus colas y también a las proteínas de la línea M. Esta zona queda sin cabezas, pues se orientan en dirección opuesta; el resto de las moléculas en cada mitad continúa asociándose cola con cola y manteniendo su orientación Al parecer, las fuerzas que intervienen en la unión de las moléculas de miosina se debilitan gradualmente y producen el adelgazamiento en los extremos de los filamentos (figura 4-7A).

Los puentes cruzados tienen una distribución en cuatro bandas helicoidales sobre la superficie del filamento grueso a lo largo de su eje longitudinal, observándose que entre dos puentes cruzados sucesivos de la misma hélice existe una rotación de 60°, y cada 43 nm se observan con la misma orientación (figura 4-7B) (Padrón, 2007).

Las cabezas globulares y los bastones forman los puentes cruzados que miden entre 13 y 20 nm de longitud, suficiente para cubrir la distancia hasta el filamento delgado. Estudios bioquímicos han identificado que la cabeza posee tres dominios con pesos moleculares de 50, 25 y 20 kDa (figura 4-8).

El segmento de 50 kDa presenta una hendidura con un bolsillo para unir e hidrolizar el ATP, y los sitios para unirse a la actina (Vibert y Cohen, 1988; Rayment, et al., 1993). El ancho de la hendidura es controlado por las interacciones del ATP con el bolsillo, su apertura debilita la unión del segmento 50 kDa con la actina y su cierre hace más fuerte dicha unión. El bolsillo para el ATP también puede abrirse, inclinando las cabezas de miosina y alterando el ángulo del puente cruzado.

Por su parte, las dos cadenas ligeras, reguladora y esencial, están unidas a la porción de 20 kDa. Las cadenas ligeras se clasifican en dos clases químicas: la ligera alcalina (LC1 o LC3) y la ligera DTNB [5,5´-dithiobis-(ácido 2-nitrobenzoico)] (LC2). Las cadenas LC1 y LC3 se denominan esenciales, y la LC2 reguladora. Cada cabeza de la molécula de miosina contiene dos cadenas ligeras, una LC2 y otra LC1 o LC3. La distribución de las LC1 y LC3 en el humano es la siguiente: la LC1 se expresa en músculo esquelético rápido y lento, aurícula, músculo embrionario y músculo liso, mientras que la LC3 en músculo esquelético rápido y una variante de LC1 (LC1a) en músculo esquelético lento (Collins, 2009).

Aunque las cadenas ligeras no son indispensables para la actividad enzimática de la miosina, la interacción de las cadenas ligeras con la miosina desempeña un papel importante en la conversión de energía química en movimiento. La remoción de ambas cadenas disminuye la velocidad de los filamentos delgados de 8.8 µm⁻¹ a 0.8 µm⁻¹, sin alteración en la actividad de ATPasa (Lowey et al., 1993).

Otras proteínas del filamento grueso. En cada mitad de un filamento grueso se localizan siete bandas de proteína C (Clamp protein), de 150 kDa, con forma de V, cuyos brazos, de 20 nm, se proyectan hacia el filamento delgado, formando una pinza molecular que junto con las proteínas H y X, detectadas en la banda A contribuyen a la estabilización estructural y al ensamblaje de los filamentos gruesos.

En la región M (además de la miosina) se encuentran dos proteínas: la proteína M o miomesina, que forma a los filamentos M, y la proteína creatina cinasa, que sintetiza ATP a partir de creatina fosfato. Tres filamentos M, una creatina cinasa y otras proteínas no plenamente identificadas, se unen a las moléculas de miosina mediante entrecruzamientos proteínicos formando el soporte que mantiene los filamentos de miosina en un patrón hexagonal estable.

Filamento delgado. El filamento delgado tiene entre 300 y 400 monómeros de la proteína actina G acomodados en dos cadenas enrolladas entre sí, formando una hélice que da un giro completo cada 76 nm, el doble de la distancia entre dos puentes cruzados de la miosina orientados hacia el mismo plano. La actina G se polimeriza mediante la hidrólisis de un ATP-Mg por monómero (Splettstoesser, 2008). El polímero presenta polaridad que se invierte en cada una de las bandas I de la sarcómera, característica esencial para el mecanismo del filamento deslizante. Algunas evidencias indican que esta polimerización se apoya en la proteína nebulina, que es filamentosa con un peso molecular de 500 kDa.

La estructura de la actina G es conocida a resolución atómica, recientemente el equipo de Sawaya (2008) realizó una aproximación más exacta basándose en múltiples cristales de dímeros de actina que contactan en los residuos 199-205 y 287-291. La estructura del filamento sólo se tiene a baja resolución, Splettstoesser (2006) desarrolló un modelo plausible (figura 4-9).

En cada surco, entre las dos cadenas de la actina F se encuentra un dímero de la proteína filamentosa tropomiosina con una estructura de hélices enrolladas que interactúa con siete monómeros de actina cubriendo los puntos de interacción con la miosina. En el extremo de cada molécula de tropomiosina hay una molécula de troponina formada por tres subunidades: la troponina T (TnT) que une a la troponina con la tropomiosina, la troponina I (TnI) que participa en la inhibición de la interacción entre la actina y la miosina, y la troponina C (TnC) que al fijar el calcio, durante la activación contráctil, provoca un cambio conformacional que libera los puntos para la formación de la unión actina-miosina.

Filamento conector. Los filamentos conectores, de aproximadamente 5 nm de diámetro, se extienden desde la región M hasta el disco Z, están formados por 6 a 12 moléculas de titina. La titina es una proteína elástica, semejante a un resorte con un peso molecular de 3 MDa. Las micrografías electrónicas de la proteína purificada muestran una estructura de dominios globulares repetidos, que son de inmunoglobulina y fibronectina. Además, en la región de la banda I posee un segmento rico en los aminoácidos prolina, ácido glutámico, valina y lisina conocida como segmento PEVK.

La porción de los filamentos de titina localizada en la banda I contribuye en gran parte a la elasticidad de las fibras musculares cuando éstas son estiradas, ya sea por fuerzas externas aplicadas en los extremos del músculo o por el desigual acortamiento de las sarcómeras durante la contracción.

Sistema tubular

Las miofibrillas están rodeadas de un complejo sistema de túbulos longitudinales a manera de brazalete en cada sarcómera formados por el retículo sarcoplásmico, que en los mamíferos está interrumpido en el límite entre las bandas A e I por los túbulos T. El retículo sarcoplásmico presenta unos ensanchamientos que flanquean a los túbulos T llamados cisternas que continúan hacia el centro de la sarcómera con unos túbulos longitudinales y una zona fenestrada. De esta manera, resulta que cada túbulo transverso (túbulo T) está flanqueado por las dos cisternas de las sarcómeras vecinas. El conjunto que forman las dos cisternas y el túbulo T se llama tríada (figura 4-10).

La membrana del retículo sarcoplásmico posee una alta densidad de bombas de calcio (ATPasa-Ca⁺⁺) que ingresan el calcio al retículo sarcoplásmico. Los iones de Ca⁺⁺ son ligados por la secuestrina y la enzima ATPasa de alta afinidad. Su actividad es permanente y logra un alto gradiente de Ca⁺⁺ entre el retículo sarcoplásmico y el sarcoplasma (1 a 10⁻⁷ M).

En el túbulo T, a nivel de la tríada, se encuentran los receptores a dihidropiridina (DHPR) los cuales se acoplan a los receptores a rianodina (RYR) de la membrana de las cisternas terminales. Cuando un potencial de acción pasa por estas zonas los DHPR transmiten una señal a los RYR para que se abran y permitan la salida de iones de calcio siguiendo su gradiente electroquímico. Este proceso se conoce como acople excitación-contracción (acople e-c), pues el calcio liberado es el factor activador de la contracción muscular (figura 4-11).

El ATP unido a las cabezas de la miosina (puentes cruzados), en conjunto con la interposición de la tropomiosina, evita la contracción muscular al bloquear la interacción fuerte entre la miosina y la actina. Cuando el calcio se une a la troponina c, la tropomiosina es desplazada hacia el surco entre las dos cadenas de monómeros de actina, dejando al descubierto el sitio para la formación del complejo actina-miosina. Este complejo es una potente ATPasa que provoca la acción del puente cruzado que impulsa el filamento delgado hacia el centro de la sarcómera. La extinción del complejo ocurre cuando una nueva molécula de ATP se une a la cabeza de miosina, lo cual permite retornar a su posición original, a partir de la cual podrá otra vez actuar sobre la actina si persiste la presencia del calcio en la troponina C (figura 4-12).

Activación de las fibras musculares

Las motoneuronas de las astas anteriores de la médula espinal activan los músculos mediante potenciales de acción que llegan hasta la unión neuromuscular. El potencial de acción provoca la liberación de acetilcolina en la hendidura sináptica, la cual difunde hasta la membrana postsináptica e interactúa con sus receptores causando cambios en la permeabilidad de la membrana que produce un potencial de placa. Si la intensidad de éste es suficiente para alcanzar el umbral de disparo se producirá un potencial de acción que recorrerá toda la membrana celular, incluidos los túbulos transversos, a una velocidad cercana a los 10 m/s, esto significa que para una fibra de 0.1 m el potencial realizará su recorrido en tan sólo 10 ms.

El calcio liberado desde las cisternas del retículo sarcoplásmico por el potencial de acción es recapturado finalmente por las bombas de calcio, generando un gradiente que lo separa de las proteínas contráctiles.

Fenomenología de la contracción muscular

En el animal íntegro, la activación del sistema motor como consecuencia de respuestas reflejas o acciones voluntarias causa la contracción de grupos musculares de manera sincronizada. Estas actividades motoras se ejecutan a partir de un tono muscular, mantenido por mecanismos reflejos que involucran al sistema motor eferente γ y a los receptores musculares. La contracción muscular se manifiesta, según las condiciones en las que se realiza, de manera estática o dinámica.

Es estática cuando el músculo no cambia de longitud debido a que la carga es superior a la capacidad de desarrollo de tensión del músculo, en este caso no se desarrolla trabajo y la energía se disipa en forma de calor. Este tipo de contracción se conoce como isométrica.

Es dinámica cuando el músculo cambia de longitud mientras los mecanismos moleculares de la contracción están activos, y puede ser: a) concéntrica, el músculo se acorta acercando los puntos de inserción. b) Excéntrica, el músculo se alarga porque la fuerza externa es mayor y en dirección opuesta a la tensión muscular. En ambos casos (concéntrica y excéntrica) la contracción se reconoce como isotónica.

En la contracción isométrica, si bien no hay un acortamiento externo apreciable, existe un pequeño acortamiento interno (deslizamiento de los filamentos contráctiles), en el orden de 2%, que se produce a expensas de la deformación (estiramiento y acortamiento) de los componentes mecánicos pasivos intracelulares y extracelulares.

En la vida diaria existen muchos ejemplos de contracciones isotónicas e isométricas. Al levantar un objeto ligero con el brazo se realiza una contracción isotónica; en cambio, cuando se intenta sin lograrlo, al levantar un objeto pesado se realiza una contracción isométrica. Algunas actividades que involucran amplios grupos musculares incluyen una combinación dinámica de todos los tipos de contracción, así, al caminar hacia adelante, el balanceo de las piernas es ejecutado por los glúteos, los cuales desarrollan tensión mientras se alargan.

Equivalente mecánico del músculo

El equivalente mecánico del músculo integra cuatro componentes: el contráctil, dos elásticos (uno en serie —CES— y otro en paralelo, CEP) y el viscoso (figura 4-13A), los tres últimos son los componentes mecánicos pasivos (CMP). Los elementos del CEP son el tejido conjuntivo, el sarcolema y la matriz filamentosa extrasarcomérica; mientras que los elementos del CES son los tendones, los tejidos conjuntivos que unen las fibras musculares a los tendones, el material de la línea Z y los filamentos conectores de titina. Un importante componente adicional que contribuye a la elasticidad en serie es el puente cruzado, que funciona como un resorte y opera cuando, estando unido a la actina, es deformado por una fuerza externa.

El componente viscoso está representado por el sarcoplasma y las interacciones tipo gel entre las moléculas que lo componen. Al activarse el componente contráctil deforma los CMP antes de actuar sobre la carga externa (figura 4-13B y C), y cuando la tensión desarrollada sobre los componentes mecánicos pasivos iguala al peso de la carga, el músculo comienza a acortarse (figura 4-13D). En el instante representado en la figura 4-13C la contracción es isométrica, mientras en la figura 4-13D ya se convirtió en isotónica y la carga finalmente puede levantarse.

La función de los CMP es amortiguar el efecto de las acciones individuales e independientes de los componentes contráctiles a nivel molecular, los cuales podrían provocar un crecimiento de la tensión en forma discontinua. Además, parte de la energía de la hidrólisis del ATP es almacenada como energía potencial en estos componentes, y en las sucesivas contracciones es liberada como energía cinética.

Componentes del desarrollo de tensión

Estado activo. Corresponde a la formación de los complejos de actomiosina, su duración y amplitud dependen directamente de la concentración de calcio libre en el sarcoplasma. En una sacudida muscular simple la duración del estado activo es menor que el tiempo de contracción debido al ajuste de los CMP, y la tensión generada por los puentes cruzados es mayor que la registrada en la sacudida muscular, pues parte de la fuerza es amortiguada por dichos componentes.

Un modo de prolongar el estado activo es aplicar a la fibra altas frecuencias de estimulación. El estado activo que sigue a cada estímulo se une al siguiente, con lo cual los músculos alcanzan la tensión máxima posible, conocida como tensión tetánica completa.

Contracción. El acortamiento o la tensión de la sacudida muscular simple alcanza su máximo entre 10 y 500 ms a partir de su inicio, dependiendo del tipo de músculo, de la temperatura y la carga. En la figura 4-14, se presentan las sacudidas y tétanos completos de un músculo lento (sóleo) y un músculo rápido (plantaris). La duración de la sacudida es mayor en el sóleo, aunque su tensión es menor si se le compara con las respuestas del plantaris.

A primera vista, parecería que el mecanismo contráctil progresa lento; sin embargo, es importante no confundir el curso temporal de la tensión desarrollada por el músculo con el curso temporal de la activación de los puentes cruzados que dan lugar al estado activo. Recuérdese que tras la excitación de los túbulos T, el calcio liberado por el retículo sarcoplásmico debe difundir y unirse con las proteínas contráctiles y activarse el complejo actina-miosina para que se inicie el deslizamiento de los filamentos delgados. Más aún, el deslizamiento debe suprimir la laxitud del CMP antes de desarrollar la tensión y acortarse.

La arquitectura de los músculos determina su desempeño. Los parámetros considerados en las arquitectura muscular son la longitud del músculo, la longitud de las fibras musculares y su ángulo de anclaje en el tendón (ángulo de plumación), la forma del músculo (fusiforme, plumado, biplumado) y el área de corte transversal. A mayor área de corte transversal mayor fuerza, a mayor longitud mayor velocidad, a menor ángulo de plumación mayor eficiencia en la transmisión de la fuerza al tendón pero menor área de corte transversal.

El ejercicio físico aumenta el número y diámetro de las miofibrillas en las fibras musculares, y por tanto, del área de corte transversal, asimismo, incrementa el número y tamaño de las mitocondrias mejorando la resistencia a la fatiga.

Periodo de latencia, velocidad y grado de acortamiento musculares. El periodo de latencia es el lapso transcurrido entre la estimulación y el inicio de la contracción, corresponde a la suma de los tiempos requeridos para la excitación de la membrana, su propagación por los túbulos T al interior de la fibra, la liberación y difusión del Ca⁺⁺ y la activación de los puentes cruzados. El tiempo entre el potencial de acción y la primera señal de desarrollo de tensión, en el músculo de rana sin carga, puede ser de sólo 2 ms.

La velocidad de acortamiento disminuye al incrementar la carga del músculo. La velocidad máxima se alcanza cuando la carga es cero, en cuyo caso el trabajo desarrollado por el músculo también es cero. Si la carga colocada es lo suficientemente pesada, no tendrá lugar acortamiento apreciable y la contracción será, por definición, isométrica y el trabajo será cero.

La musculatura lisa forma las paredes de los órganos huecos de nuestro cuerpo. Estos órganos requieren contraerse y relajarse de forma lenta, sostenida y con reducido gasto energético, lo cual permite modificar su volumen, y así se puede ajustar el flujo sanguíneo en los vasos, la conductancia de las vías aéreas, o se efectúa el vaciado de la vejiga o la propulsión de comida.

Tipos de células musculares lisas

Para facilitar su estudio se distinguen dos tipos de células musculares lisas, las cuales representan los extremos de un espectro continuo de su diversidad fenotípica. Éstos son:

1. Músculo liso unitario, también llamado fásico, visceral o sincitial, las células musculares lisas forman paquetes de fibras, rodeadas de tejido conjuntivo, dispuestas en capas ensambladas con uniones estrechas (tight junctions) intercelulares, lo que permite que la fuerza generada en una célula se transmita a la siguiente. Están acopladas eléctricamente por medio de uniones comunicantes (gap junctions), por lo que su inervación es escasa. Esto crea un sincitio funcional. Son moduladas por hormonas o por factores tisulares locales (paracrinos y autocrinos) como: aumento de la temperatura, cambios en presión parcial de O₂, CO₂, pH o en nutrientes, como la proporción de oligosacáridos o monosacáridos.

2. Músculo multiunitario, las células musculares lisas actúan con una relativa independencia, lo que las asemeja a las fibras esqueléticas. Presentan mayor densidad de inervación, pocas uniones comunicantes y estrechas. Sus contracciones son graduadas, según el nivel de despolarización causado por la actividad de la inervación. Este estado de tensión se denomina tono, y está definido como un nivel constante y estable de contracción cuya intensidad es modulada por los nervios, así como por otros estímulos endocrinos y paracrinos.

Estructura

Las células musculares lisas son mononucleadas y fusiformes. Su longitud celular varía de 20 a 500 mm, y su diámetro de 2 a 10 mm. Se ensamblan de tal forma que la parte más angosta de una célula se pone en contacto con la parte más amplia de células vecinas.

Los filamentos de miosina y actina forman su maquinaria contráctil, cuya estructura es muy plástica y adaptable. Por ejemplo, las células musculares lisas de vías respiratorias alcanzan estiramientos que duplican su longitud inicial, y después de un periodo de adaptación, bajo un amplio intervalo de longitudes, recuperan su capacidad para generar fuerzas isométricas maximales. Esto es posible por lo ajustable de sus dimensiones y arreglos sarcoméricos, no permanentes. Su proporción actina/miosina es muy heterogénea (valor máximo de 15:1). La longitud de sus filamentos delgados y gruesos va de 1.35 a 4.5 µm, y de 1.6 a 8 µm, respectivamente. Sus miofilamentos forman fascículos alineados con el eje principal de la célula y se anclan a cuerpos densos compuestos por filamentos intermedios de α-actinina, filamina, desmina y vimentina, no homogéneamente distribuidos en el citoplasma. Esta retícula transitoria de filamentos intermedios y miofilamentos permite hasta 80% de reducción en la longitud celular durante la contracción. Los miofilamentos también se unen a la envoltura nuclear, lo cual explica por qué al estiramiento el núcleo se alarga, proponiendo una vía directa de envío de señales para la expresión de genes y de otros eventos nucleares, indispensables para la plasticidad de su maquinaria contráctil. Su acople mecánico asegura la transmisión de fuerza a células musculares lisas vecinas.

Su retículo sarcoplásmico no posee un sistema de túbulos T, ni cisternas terminales. Forma una red tubular muy cercana a las caveolas, al núcleo y rodea a las mitocondrias, con separaciones de 10 a 40 nm. Hileras de numerosas cisternas membranosas o caveolas (densidad ~ 35/μm²), intercaladas entre uniones estrechas, incrementan cerca de 75% de su superficie celular, desempeñando una función importante en los movimientos de Ca⁺⁺, además de realizar endocitosis.

Mecanismos de activación

Las células musculares lisas se encuentran inervadas por nervios autónomos del sistema simpático y parasimpático que se distribuyen en forma difusa sobre sus capas tisulares, sin entrar en contacto directo con ellas, por lo que no hay placas neuromusculares. En su lugar se observan múltiples varicosidades axónicas terminales muy próximas a la superficie muscular, que segregan neurotransmisores. Su potencial de membrana está entre −50 a −60 milivoltios y contienen mayor densidad de canales de calcio que la fibra muscular esquelética y escasos canales de sodio.

El flujo de Ca⁺⁺ es el principal responsable de la generación de sus potenciales de acción y de su contracción, con una participación casi constante del sistema Rho/Rho cinasas. Se distinguen tres mecanismos básicos generadores de señales de Ca⁺⁺ que permiten el control de sus diferentes funciones fisiológicas.

Las células musculares lisas fásicas (vasos deferentes, vejiga, útero, etc.) son activadas a través de canales operados por receptor (ROC) induciendo la despolarización (ΔV) a través de canales de voltaje dependientes (VOC) que aumentan la entrada de Ca⁺⁺. Esta despolarización puede ser provocada por neurotransmisores o por medio de la operación de un oscilador de membrana.

Muchas células musculares lisas tónicas (vasculares, linfáticas, de vías respiratorias, etc.) dependen de un oscilador de Ca⁺⁺ citosólico que libera pulsos periódicos de Ca⁺⁺ del retículo sarcoplásmico. Estos pulsos periódicos provocan cambios de potencial en la membrana, pero no forman parte del mecanismo primario de activación, sino que tienen una función secundaria en la sincronización del oscilador, que también conduce a la contracción. Este oscilador también responde a un umbral de distensión. Los neurotransmisores, hormonas y autacoides actúan modulando la frecuencia de este oscilador citosólico.

Un oscilador similar está presente en células marcapasos, como las células intersticiales de Cajal y algunas células musculares lisas atípicas (gastrointestinales y uretrales) que mediante la activación de corrientes entrantes de Ca⁺⁺ promueven cambios en el potencial de membrana, el cual se propaga a través de uniones comunicantes con células vecinas, las cuales sincronizan la señal de despolarización (ΔV) y la contracción. Esta sincronía permite movilizar lentamente el contenido de un órgano en dirección distal, generando y controlando la peristalsis, producida a nivel del tracto gastrointestinal y del tracto urinario.

Contracción-relajación de las células musculares lisas (CML)

El deslizamiento de los filamentos de actina y miosina es su mecanismo básico de contracción. La regulación de su contracción está principalmente asociada a la miosina y no a la actina, fenómeno concurrente con la carencia de troponina.

Una amplia variedad de estímulos extracelulares activa la contracción a través de receptores acoplados a proteína G, provocando la liberación de inositol trifosfato (IP₃), diacilglicerol (DG), que junto con Ca⁺⁺ activan la proteína cinasa C (PKC) y la cinasa Rho, las cuales fosforilan otras proteínas como la cinasa de cadena ligera de miosina (MLCK), ERK1/2, p160ROCK, y la proteína cinasa II dependiente de calmodulina, así como a varios canales iónicos (de Ca⁺⁺ tipo L) y algunos transportadores (figura 4-15).

Al aumentar el [Ca⁺⁺], éste se une a la calmodulina formando el complejo Ca⁺⁺/calmodulina (CaCM), el cual cambia la ubicación de la tropomiosina en los filamentos delgados y estimula la actividad de la actomiosina ATPasa. Al disminuir el [Ca⁺⁺], el CaCM se disocia y se inhibe la actividad de esta ATPasa.

Además, las CML poseen una isoforma de la cadena ligera de miosina conocida como MLC2 (myosine light chain 2) de 20 kDa, fosforilable por la cinasa de la cadena ligera de la miosina (MLCK), activada por CaCM. Cuando la miosina se desfosforila, los filamentos se desensamblan y se disocian de la actina, controlando así de forma alterna la contracción. Así, el tono muscular varía y se mantiene de acuerdo con el nivel de fosforilación, esto juega un papel en la fisiopatología de la hipertensión, el asma y otras enfermedades. El estado de fosforilación de la MLC también está regulado por la actividad de la fosfatasa de la cadena ligera de miosina (MLCP), la cual hidroliza el enlace fosfato del complejo MLC-fosfato y permite la relajación del músculo liso. Esta fosfatasa de MLC posee tres subunidades, una de las cuales se une a miosina cuando se encuentra fosforilada, inhibiendo la actividad de la MLCP, manteniendo el tono muscular (figura 4-15).

La relajación ocurre como resultado de la desaparición del estímulo contráctil o por la acción de sustancias que inhiben el mecanismo contráctil (por ejemplo un vasodilatador). Cualquiera que sea el causante de la relajación, se requiere una reducción del Ca⁺⁺ intracelular y un incremento en la actividad de la MLCP. La reducción de [Ca⁺⁺] se logra por su traslado al lumen del retículo sarcoplásmico mediante una bomba de Ca⁺⁺ del retículo sarcoplásmico. Otras proteínas que unen calcio también contribuyen, por ejemplo la calsecuestrina. En el sarcolema se localizan bombas de calcio e intercambiadores Na⁺/Ca⁺⁺ que expulsan Ca⁺⁺ al exterior celular. Este último mecanismo puede ser inhibido por amilorida y quinidina. La inhibición de canales del calcio contribuye a la relajación, ejemplos de estos antagonistas son dihidropiridina, fenilalquilaminas y benzodiazepinas, que se unen a diferentes sitios del canal e impiden la entrada de Ca⁺⁺.

Cuando aumentan los niveles de cAMP y de cGMP, las CML se relajan. Estos nucleótidos cíclicos se generan por diferentes estímulos. La relajación por cAMP, generada por agonistas β-adrenérgicos, adenosina, o PGI₂ se produce sin cambiar [Ca⁺⁺]. En este caso, la proteína cinasa A (PKA) fosforila a MLCK y evita que el complejo CaCM lo active.

Por otra parte, las células endoteliales secretan óxido nítrico (NO), el cual activa la conversión de GTP a cGMP; este último, a su vez, activa a la cinasa G (PKG) promoviendo la relajación a través de la reducción de la fosforilación de la MLC, posiblemente por un incremento de la actividad de MLCP. La relajación por presencia de cGMP en el cuerpo cavernoso ha permitido el desarrollo de fármacos que inhiben de manera selectiva a la fosfodiesterasa de cGMP, como el citrato de sildenafil.

Regeneración y proliferación celular

A diferencia del músculo estriado, las células musculares lisas conservan una capacidad de regeneración moderada. Después de un daño tisular o como resultado de estiramientos, algunas de estas células entran en mitosis y reemplazan el tejido dañado. Si la capacidad de proliferación no es suficiente para reparar el daño, se llega a producir una cicatriz de tejido conjuntivo. Un ejemplo particular se encuentra en el útero de animales preñadas donde se observa aumento del número de células y del tamaño de ellas. Otro ejemplo fisiopatológico se encuentra en la ateroesclerosis.

La caveolina 3 es la proteína del músculo estriado que forma las cavéolas. Las cavéolas juegan un importante papel en la estabilización de la membrana plasmática. Las mutaciones en el gen de caveolina ocasionan patologías de músculo esquelético y cardíaco a través de múltiples mecanismos patogénicos. La alteración de la caveolina provoca alteraciones en la membrana plasmática, desorganización de la red de túbulos T e interrupción de vías de señalización. Entre las enfermedades asociadas a las mutaciones del gen de caveolina se encuentra la miopatía de cinturas 1c (LGMD1C, del inglés limb girdle muscular dystrophy). Esta enfermedad pertenece a un grupo de trastornos genéticos autosómicos dominantes y recesivos que afectan a los músculos voluntarios, principalmente alrededor de las caderas y los hombros, la fisiopatología incluye trastornos en la síntesis de proteínas del citoesqueleto de las fibras musculares que provocan desorganización a nivel del sarcolema, el costamero o la estructura sarcomérica ocasionando pérdida de masa y fuerza muscular, que al paso del tiempo incapacitan al paciente. Su frecuencia es baja, en 1996 un estudio transversal en los Países Bajos reveló una prevalencia de 8.1 × 10⁻⁶.

La primera descripción de una miopatía de caderas asociada a alteración de la caveolina 3 fue hecha por Minetti et al. (1998) en individuos de dos familias italianas no emparentadas. La enfermedad inicia a los cinco años, con una baja a moderada debilidad de músculos proximales, seudohipertrofia de pantorrillas, signo de Gower positivo, incremento de cuatro a 25 veces en la concentración de creatina cinasa en suero y con menor frecuencia contracturas musculares después del ejercicio.

Posteriormente se han reportado casos con inicio desde los cuatro hasta los 71 años, que presentan desde síntomas ligeros sin anormalidades electromiográficas hasta casos severos con patrones miopáticos, mialgias, seudohipertrofia de pantorrillas y cardiomiopatía dilatada.

El análisis histológico de los músculos de pacientes de LGMD-1c revela variaciones en el tamaño de las fibras musculares, degeneración con incremento en el número de núcleos centrales y sustitución de tejido muscular por tejido conjuntivo. La expresión de caveolina 3 invariablemente se encuentra disminuida. Los pacientes necesitan rehabilitación para preservar la función muscular y tratamientos para los síntomas colaterales, además de una vigilancia continua del estado funcional de médula espinal, sistema respiratorio y función cardíaca debido a la posibilidad de alteraciones en las fibras musculares cardiacas. En general, el curso clínico es benigno y no reduce la expectativa de vida de los pacientes.