Estructura y Función de la Célula Muscular: Contracción y Metabolismo Energético

Estructura de la Célula Muscular (Fibra Muscular)

La célula o fibra muscular contiene en su citoplasma una gran cantidad de estructuras cilíndricas proteicas llamadas miofibrillas. Estas están estructuradas por filamentos proteicos denominados miofilamentos delgados (compuestos principalmente por Actina) y miofilamentos gruesos (compuestos principalmente por Miosina). La interacción de estos filamentos permite la contracción muscular.

Sarcómero: Unidad Funcional

El músculo esquelético estriado se llama así por la visión microscópica de la alternancia de bandas oscuras (Bandas A) y bandas claras (Bandas I). La unidad funcional de la fibra muscular se denomina sarcómero, que corresponde al segmento de miofibrilla comprendido entre dos discos Z consecutivos. Los discos Z son el punto de sujeción de los miofilamentos delgados.

Organización del Sarcómero

• Banda A (oscura): Contiene tanto miofilamentos gruesos (Miosina) como delgados (Actina) superpuestos.
• Banda I (clara): Contiene únicamente miofilamentos delgados (Actina). Es bisecada por el disco Z.
• Banda H: Zona más clara en el centro de la Banda A, donde solo hay miofilamentos gruesos (Miosina).
• Línea M: Se encuentra en el centro de la Banda H y del sarcómero; es el punto de unión de los miofilamentos gruesos.

Proteínas Clave del Sarcómero

• Actina: Proteína globular (Actina G) que se polimeriza para formar filamentos (Actina F). Dos filamentos F se entrelazan para formar el eje del miofilamento delgado.
• Miosina: La proteína más importante de los miofilamentos gruesos. Posee una cola fibrosa (carboxilo terminal) y una cabeza globular laxa (amino terminal) que interactúa con la actina.
• Alfa-actinina: Proteína que forma los discos Z, anclando los filamentos de actina.
• Tropomiosina: Proteína filamentosa que recorre el surco del miofilamento delgado, cubriendo los sitios de unión de la miosina en la actina en estado de reposo.
• Troponina: Complejo proteico asociado a la tropomiosina (aproximadamente cada 7-9 monómeros de actina) en los miofilamentos delgados. Tiene un sitio de unión para el calcio (Ca++) que regula la interacción actina-miosina.
• Titina: Proteína elástica muy grande que mantiene los miofilamentos gruesos centrados en el sarcómero y contribuye a la elasticidad pasiva del músculo.
• Tropomodulina: Proteína que estabiliza el extremo libre (negativo) de los filamentos delgados de actina.

Tipos de Células Musculares

• Célula muscular lisa: De contracción involuntaria, mononucleada (un solo núcleo).
• Célula muscular estriada esquelética: De contracción voluntaria, multinucleada. Se origina por la fusión de varias células (mioblastos) formando un sincitio (célula con muchos núcleos). Las fibras musculares pueden tener la misma longitud que el músculo completo.
• Célula muscular estriada cardíaca: De contracción involuntaria, generalmente mononucleada o binucleada, con estriaciones similares al músculo esquelético pero con características propias (discos intercalares).

Mecanismo de Contracción Muscular

Señal Nerviosa y Liberación de Calcio

La contracción muscular es iniciada por una señal nerviosa. En la sinapsis neuromuscular (unión especializada donde la neurona motora se comunica con la fibra muscular), la neurona libera el neurotransmisor acetilcolina. La acetilcolina se une a receptores en la membrana plasmática de la célula muscular (sarcolema), generando un potencial de acción que se propaga por el sarcolema y penetra en la célula a través de invaginaciones llamadas Túbulos T. Esta señal se transmite al retículo sarcoplásmico (retículo endoplasmático liso especializado del músculo), que almacena calcio. La llegada de la señal altera la permeabilidad de la membrana del retículo sarcoplásmico, provocando la liberación de grandes cantidades de iones Ca++ al citosol (citoplasma muscular).

Interacción Actina-Miosina

El aumento de la concentración de Ca++ citosólico desencadena la contracción:

1. El Ca++ se une a la Troponina.
2. Esta unión provoca un cambio conformacional en el complejo Troponina-Tropomiosina.
3. La Tropomiosina se desplaza, descubriendo los sitios de unión para la miosina en los filamentos de Actina.
4. Las cabezas de Miosina (previamente activadas por la hidrólisis de ATP) se unen espontáneamente a los sitios activos de la Actina, formando puentes cruzados. Esta unión inicial es energéticamente favorable por afinidad y no requiere gasto directo de ATP en este paso.
5. Se necesita el aporte de ATP para el ciclo de los puentes cruzados: la hidrólisis de ATP (ADP + Pi) energiza la cabeza de miosina, permitiendo que se separe de la actina, cambie de ángulo (se "recargue") y se vuelva a unir a un nuevo sitio en la actina, más cercano al disco Z. Este ciclo de unión, tracción (golpe de fuerza) y liberación provoca el deslizamiento de los miofilamentos delgados hacia el centro del sarcómero.

Durante la contracción, los miofilamentos delgados se deslizan sobre los gruesos hacia el centro, acortando el sarcómero. Como resultado, la Banda I y la Banda H se acortan o incluso desaparecen en una contracción máxima, mientras que la Banda A mantiene su longitud.

Relajación Muscular

La relajación ocurre cuando cesa la señal nerviosa:

1. Se necesita ATP para hacer funcionar las bombas de Ca++ en la membrana del retículo sarcoplásmico. Estas bombas transportan activamente el Ca++ desde el citosol de vuelta al interior del retículo sarcoplásmico.
2. Al disminuir la concentración de Ca++ citosólico, el calcio se disocia de la Troponina.
3. El complejo Troponina-Tropomiosina vuelve a su conformación original, bloqueando nuevamente los sitios de unión Actina-Miosina.
4. Las cabezas de miosina se desacoplan de la actina (este desacople también requiere ATP) y los filamentos vuelven a su posición de reposo, permitiendo que el sarcómero y la fibra muscular se relajen.

Metabolismo Energético Muscular

La contracción y relajación muscular son procesos que requieren una gran cantidad de energía, principalmente en forma de ATP (Adenosín Trifosfato).

Fuentes de ATP

El músculo obtiene ATP a través de varios mecanismos:

• Reserva pequeña de ATP preexistente.
• Fosfocreatina (una reserva rápida de fosfato de alta energía).
• Respiración celular (anaeróbica y aeróbica).

Respiración Celular

La respiración celular es el proceso mediante el cual la célula extrae energía de moléculas orgánicas (como la glucosa) y la almacena en moléculas más pequeñas y utilizables como el ATP. Así, cuando la célula necesita energía, rompe enlaces de ATP en lugar de moléculas más grandes como la glucosa. La respiración celular puede ocurrir en ausencia (anaeróbica) o presencia (aeróbica) de oxígeno.

Glicólisis (Anaerobia)

La glicólisis es la primera etapa, que ocurre en el citosol y no requiere oxígeno. Una molécula de glucosa (6 carbonos) se convierte en dos moléculas de piruvato (3 carbonos).

• Se invierten 2 ATP (fase de inversión de energía: fosforilación de la glucosa a glucosa-6-fosfato, y luego a fructosa-1,6-bifosfato).
• Se producen 4 ATP y 2 NADH (fase de beneficio energético: oxidación del gliceraldehído-3-fosfato a piruvato).
• Ganancia neta: 2 ATP y 2 NADH por molécula de glucosa.

Si no hay oxígeno disponible o la demanda de energía es muy alta y rápida, el piruvato sigue una ruta de fermentación para regenerar el NAD+ necesario para que la glicólisis continúe.

• Fermentación Láctica: Ocurre en células animales (como las musculares durante ejercicio intenso) y algunas bacterias. El piruvato se reduce a ácido láctico (o lactato), oxidando el NADH a NAD+. No se produce ATP adicional en este paso. El exceso de ácido láctico puede contribuir a la fatiga muscular y los calambres musculares.
• Fermentación Alcohólica: Ocurre en levaduras y algunas bacterias. El piruvato se descarboxila a acetaldehído, que luego se reduce a etanol, oxidando el NADH a NAD+.

Respiración Aeróbica

Si hay oxígeno disponible, el piruvato ingresa a la mitocondria para continuar su oxidación completa.

1. Descarboxilación Oxidativa del Piruvato

Ocurre en la matriz mitocondrial. El piruvato (3C) se convierte en un grupo acetilo (2C) que se une a la Coenzima A, formando Acetil-CoA.

• Se libera una molécula de CO2 (descarboxilación).
• Se reduce una molécula de NAD+ a NADH (oxidación del piruvato).
• Resultado por molécula de glucosa (2 piruvatos): 2 Acetil-CoA, 2 NADH y 2 CO2.

2. Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

Ocurre en la matriz mitocondrial. El grupo acetilo (2C) del Acetil-CoA se une al oxalacetato (4C) para formar citrato (ácido cítrico, 6C). A través de una serie de reacciones de óxido-reducción, el citrato se degrada nuevamente a oxalacetato, liberando CO2 y generando moléculas transportadoras de electrones reducidas y ATP.

• Resultado por cada Acetil-CoA (el ciclo ocurre dos veces por glucosa): 3 NADH, 1 FADH2 (otro transportador de electrones), 1 ATP (o GTP, equivalente energético) y 2 CO2.
• Resultado total por molécula de glucosa (2 ciclos): 6 NADH, 2 FADH2, 2 ATP y 4 CO2.
• La función principal es generar moléculas reducidas (NADH y FADH2) que llevarán electrones a la siguiente etapa.

3. Cadena Transportadora de Electrones

Ocurre en la membrana mitocondrial interna. Los electrones transportados por NADH y FADH2 (provenientes de la glicólisis, descarboxilación del piruvato y ciclo de Krebs) pasan a través de una serie de complejos proteicos integrales de membrana.

• El primer aceptor de electrones suele ser el Complejo I (para NADH) o el Complejo II (para FADH2).
• Los electrones fluyen de un complejo a otro (ayudados por transportadores móviles como el Citocromo C y la Ubiquinona) en una serie de reacciones redox, liberando energía en cada paso.
• Esta energía se utiliza para bombear protones (H+) desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana, creando un gradiente electroquímico (acumulación de protones).
• El oxígeno (O2) es el aceptor final de electrones. Al aceptar los electrones y combinarse con protones, se forma agua (H2O).
• Resultado principal: Creación de un gradiente de protones y formación de agua. No se produce ATP directamente aquí.

4. Fosforilación Oxidativa (Quimiosmosis)

Es el proceso final donde se sintetiza la mayor parte del ATP. La energía almacenada en el gradiente de protones se utiliza para producir ATP.

• Los protones acumulados en el espacio intermembrana fluyen de regreso a la matriz mitocondrial a través de un canal proteico especializado llamado ATP sintasa.
• La ATP sintasa consta de dos partes principales: F0 (anclada en la membrana interna, forma el canal de protones) y F1 (en la matriz mitocondrial, posee la actividad enzimática).
• El flujo de protones a través de F0 hace girar parte de la enzima, lo que impulsa la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi) en la subunidad F1.
• Resultado: Producción de una gran cantidad de ATP.

Rendimiento Energético Total

• Respiración Anaerobia (Glicólisis + Fermentación): Ganancia neta de 2 ATP por molécula de glucosa.
• Respiración Aerobia (Glicólisis + Ciclo de Krebs + Fosforilación Oxidativa): Ganancia neta teórica de aproximadamente 30 a 32 ATP por molécula de glucosa (el rendimiento real puede variar).