Mecanismos Moleculares de Contracción Muscular y Replicación del ADN

Mecanismos Moleculares de la Contracción Muscular

Las células musculares (fibras musculares) contienen estructuras especializadas para la contracción. La unidad funcional básica es el sarcómero.

Componentes del Sarcómero

• Miofilamentos Delgados: Compuestos principalmente por actina. La actina G se polimeriza para formar filamentos F (F-actina). Dos de estos filamentos se entrelazan para constituir un miofilamento delgado.
• Miofilamentos Gruesos: Compuestos principalmente por miosina.
• Banda A (oscura): Contiene ambos tipos de miofilamentos (gruesos y delgados).
• Banda I (clara): Contiene solo miofilamentos delgados. Es bisecada por el Disco Z.
• Banda H: Zona dentro de la Banda A que contiene solo miofilamentos gruesos en estado relajado.
• Línea M: Se encuentra en el centro de la Banda H y del sarcómero; es el punto de unión y organización de los filamentos gruesos.
• Discos Z: Estructuras que delimitan los extremos del sarcómero y anclan los filamentos delgados.

Proteínas Clave del Músculo

• Actina: Componente principal de los filamentos delgados, posee sitios de unión para la miosina.
• Miosina: Proteína motora principal de los filamentos gruesos. Posee una cola fibrosa (extremo carboxilo terminal) y una cabeza globular (extremo amino terminal) que se une a la actina e hidroliza ATP.
• Alfa-actinina: Proteína que forma los discos Z, anclando los filamentos delgados.
• Tropomiosina: Proteína filamentosa que recorre el surco entre las dos cadenas de actina F en el miofilamento delgado, cubriendo los sitios de unión de la miosina en reposo.
• Troponina: Complejo proteico (TnT, TnI, TnC) asociado a la tropomiosina. La subunidad TnC une Ca++, iniciando el cambio conformacional que expone los sitios de unión en la actina. Se ubica periódicamente a lo largo del filamento delgado.
• Titina: Proteína elástica gigante que ancla los miofilamentos gruesos a los discos Z y los mantiene centrados en el sarcómero, contribuyendo a la elasticidad muscular.
• Tropomodulina: Proteína que se une al extremo (-) de los filamentos delgados de actina, regulando su longitud y estabilidad.

Acoplamiento Excitación-Contracción

1. Señal Nerviosa (Unión Neuromuscular): Una neurona motora libera el neurotransmisor acetilcolina en la sinapsis neuromuscular.
2. Despolarización del Sarcolema: La acetilcolina se une a receptores en el sarcolema (membrana plasmática de la fibra muscular), generando un potencial de acción.
3. Transmisión por Túbulos T: El potencial de acción se propaga por el sarcolema y desciende hacia el interior de la fibra a través de los Túbulos T (invaginaciones del sarcolema).
4. Liberación de Calcio: La despolarización de los Túbulos T activa canales de calcio en la membrana del Retículo Sarcoplásmico (RS), el cual es el retículo endoplasmático liso especializado del músculo que almacena Ca++.
5. Aumento de Ca++ Citosólico: El Ca++ es liberado desde el RS hacia el citosol (sarcoplasma).

Ciclo de Contracción y Relajación

Contracción:

El aumento de Ca++ citosólico desencadena la contracción:

• El Ca++ se une a la troponina C.
• Este complejo troponina-Ca++ provoca un cambio conformacional que desplaza a la tropomiosina.
• Los sitios de unión en la actina quedan expuestos para las cabezas de miosina.
• Las cabezas de miosina (previamente cargadas con ADP+Pi derivado de la hidrólisis de ATP) se unen a la actina formando puentes cruzados.
• La liberación de Pi y luego ADP provoca el "golpe de fuerza": la cabeza de miosina pivota, deslizando el filamento delgado hacia el centro del sarcómero.
• La unión de una nueva molécula de ATP a la cabeza de miosina provoca su separación de la actina.
• La hidrólisis del ATP (ATP -> ADP + Pi) reenergiza y reposiciona la cabeza de miosina para el siguiente ciclo.

Resultado: Los miofilamentos delgados se deslizan sobre los gruesos hacia el centro, el sarcómero se acorta, y las bandas I y H disminuyen su longitud o desaparecen.

Relajación:

• Cesa la señal nerviosa.
• Se necesita ATP para la bomba de Ca++ (SERCA) en la membrana del RS, que transporta activamente el Ca++ desde el citosol de vuelta al interior del RS.
• Al disminuir la concentración de Ca++ citosólico, el calcio se disocia de la troponina.
• La troponina y la tropomiosina vuelven a su posición original, bloqueando los sitios de unión actina-miosina.
• Los puentes cruzados se desacoplan y la fibra muscular se relaja, a menudo por fuerzas elásticas (como la titina) o la acción de músculos antagonistas.

Fundamentos de la Replicación del ADN

La replicación del ADN es el proceso mediante el cual una molécula de ADN se duplica para producir dos copias idénticas.

La Horquilla de Replicación y Síntesis Direccional

• La replicación comienza en orígenes específicos y avanza bidireccionalmente, formando horquillas de replicación.
• La enzima Helicasa desenrolla la doble hélice de ADN, separando las dos cadenas molde.
• Las Proteínas de unión a cadena sencilla (SSB) estabilizan las cadenas separadas, evitando que se vuelvan a unir.
• La Girasa (Topoisomerasa II) alivia la tensión torsional (superenrollamientos) generada por delante de la horquilla de replicación.
• Ambas cadenas nuevas se sintetizan en dirección 5' → 3'. Debido a la naturaleza antiparalela del ADN molde:
  • Una cadena (hebra líder o continua) se sintetiza de forma ininterrumpida en la misma dirección que avanza la horquilla.
  • La otra cadena (hebra rezagada o discontinua) se sintetiza en dirección opuesta al avance de la horquilla, en segmentos cortos llamados Fragmentos de Okazaki.

Cebadores y Enzimas Iniciadoras

• Las ADN Polimerasas, las enzimas que sintetizan ADN, no pueden iniciar una cadena de novo. Necesitan un extremo 3'-OH libre preexistente.
• La enzima Primasa (una ARN Polimerasa específica, como DnaG en procariotas) sintetiza un corto segmento de ARN llamado cebador (o primer) sobre la cadena molde de ADN.
• Este cebador proporciona el extremo 3'-OH necesario para que la ADN Polimerasa comience a añadir desoxirribonucleótidos.

Proceso de Elongación

1. La Primasa (parte del complejo llamado primosoma) sintetiza los cebadores de ARN: uno para la hebra líder y múltiples para la hebra rezagada (uno por cada fragmento de Okazaki).
2. La ADN Polimerasa III (Pol III) (en procariotas, la principal enzima replicativa) extiende los cebadores añadiendo desoxirribonucleótidos complementarios al molde, siempre en dirección 5' → 3'.
3. La hebra líder se sintetiza de manera continua.
4. La hebra rezagada se sintetiza de manera discontinua en fragmentos de Okazaki. A menudo forma un bucle para coordinar su síntesis con la de la hebra líder.
5. La ADN Polimerasa I (Pol I) (en procariotas) elimina los cebadores de ARN (usando su actividad exonucleasa 5' → 3') y rellena los huecos resultantes con ADN (usando su actividad polimerasa 5' → 3').
6. Finalmente, la ADN Ligasa une covalentemente los fragmentos de ADN adyacentes (especialmente los fragmentos de Okazaki después de reemplazar los cebadores), sellando las mellas en el esqueleto de fosfodiéster.

Componentes Esenciales para la Replicación

• Molde de ADN preexistente (las dos cadenas parentales).
• Cebador (Primer) de ARN.
• Precursores activados: Los cuatro desoxirribonucleósidos trifosfato (dATP, dGTP, dCTP, dTTP). La energía para la polimerización proviene de la hidrólisis de los enlaces fosfato de estos precursores.
• Enzimas y Proteínas:
  • ADN Polimerasas (ej. Pol I, Pol III en procariotas; Pol δ, Pol ε en eucariotas).
  • Primasa.
  • Helicasa.
  • Girasas/Topoisomerasas.
  • ADN Ligasa.
  • Proteínas de unión a cadena sencilla (SSB).