C u r s o: Biología Mención Módulo 3
Unidad II: Procesos y Funciones Vitales. Re c e p t o r e s y e f e c t o r e s .
Microfotografía electrónica de transmisión de una retina de un primate; a la derecha una microfotografía de barrido de conos y bastones
1. Introducción. Los seres vivos tienen la propiedad de adaptarse minuto a minuto tanto a los cambios ambientales como a sus propios cambios corporales, lo que en definitiva, determina su posterior capacidad de sobrevivencia. Todo ser vivo al ser estimulado es capaz de generar respuestas que le significan su adaptación al cambio. Los encargados de recibir dichos estímulos son los receptores y los encargados de generar tales respuestas adaptativas son los efectores. Los receptores corresponden a células nerviosas modificadas, terminaciones nerviosas, o bien células conectadas con estas últimas. Su función es transducir formas ambientales de energía (lumínica, mecánica, térmica, etc) en impulsos nerviosos (energía electroquímica). 2.
Receptores.
Clasificación de los Receptores: Según su funcionamiento Primarios: Se trata de neuronas capaces de recibir, transducir y conducir (sin pasar por el tálamo) impulsos nerviosos al SNC. Ejemplo: receptores del olfato. Secundarios: Se trata de células no neuronales sólo capaces de recibir estímulos. Serán neuronas sensitivas (ubicadas en el tálamo), con las que estos receptores hacen sinápsis, las que conduzcan los impulsos nerviosos al SNC. Ejemplos: receptores del gusto, de la audición, visión, del sentido del equilibrio, etc.
Según el origen del estímulo
Según su distribución
Exteroceptores: Aquellos que detectan cambios en el ambiente. Ejemplos: receptores de la visión, la audición, el olfato, el tacto, el frío, etc.
Sentido general: Ampliamente distribuidos por el cuerpo. Ejemplos: receptores cutáneos del tacto y de la temperatura.
Interoceptores: Aquellos que detectan cambios internos. Ejemplos: receptores del dolor visceral, del pH y de la concentración de CO2 sanguíneos, etc.
Sentido especial: Ubicados en lugares específicos del cuerpo. Ejemplos: receptores de la visión, del gusto, del oído y del equilibrio.
Propioceptores: Aquellos que, ubicados en músculos y tendones, detectan cambios en la posición del cuerpo. Ejemplos: Huso muscular (en músculos), órgano tendinoso de Golgi (en tendones).
Según el tipo de estímulo Mecanorreceptores: Excitables por estímulos mecánicos. Son los receptores del tacto, del oído, del equilibrio y de la presión sanguínea (barorreceptores), entre otros. Fotorreceptores: Excitables por estímulos luminosos (Conos y bastones de la retina del ojo). Quimiorreceptores: Excitables por estímulos químicos. Son los receptores del gusto, del olfato, del pH y CO2 sanguíneos (en el bulbo raquídeo) entre otros. Termorreceptores: Aquellos excitables por cambios de temperatura. Son los receptores del frío y calor. Algorreceptores (nociceptores): Aquellos excitables por estímulos exacerbados de variada naturaleza. Son terminaciones nerviosas cutáneas libres.
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2.1. Características generales de los receptores: Excitabilidad.
Al estimularse un receptor se produce una pequeña despolarización en su membrana, llamada potencial generador. La magnitud del estímulo determina la amplitud y duración del potencial generador y al mismo tiempo la frecuencia de los potenciales de acción generados a partir del receptor. Lo anterior constituye una excepción a la ley del “Todo o nada” pues mientras más potenciales de acción lleguen al SNC en un período de tiempo, mayor es la sensación provocada por el estímulo. Otro mecanismo responsable de que los estímulos más fuertes provoquen sensaciones más intensas tiene que ver con la cantidad de receptores activados. Al aumentar la intensidad de los estímulos se van activando las neuronas que tienen umbrales mayores, de modo que más neuronas envían impulsos al SNC. Características del potencial generador: a)
Son cambios locales de permeabilidad de las membranas del receptor, análogas a los potenciales postsinápticos excitatorios (PEPS) de la sinapsis entre neuronas.
b)
No responden a la ley del todo o nada. Al aumentar la intensidad del estímulo aumenta la intensidad del potencial generador hasta alcanzar un máximo (punto de saturación). Por otra parte, la frecuencia de los potenciales de acción resultantes aumenta al aumentar la intensidad del potencial generador.
Especificidad
Significa que responden principalmente (pero no exclusivamente) a un único tipo de estímulo, para el cual poseen un bajo umbral de excitación (bajo umbral de descarga)
Adaptabilidad
Cuando el estímulo sobre el receptor se hace sostenido en el tiempo y de intensidad constante, la frecuencia de los potenciales de acción disminuyen con el tiempo. Aquellos que se adaptan rápidamente son los receptores fásicos. Aquellos que lo hacen muy lentamente o incompletamente son los receptores tónicos. Las causales de adaptación serían: a)
En algunos receptores su membrana se fatigaría impidiendo la posterior generación de potenciales de receptor. Así por ejemplo los fotorreceptores pasan por períodos de adaptación en los cuales generan ciertos pigmentos visuales.
b)
Cambios en el potencial de membrana del receptor debido a la estimulación sostenida.
c)
Agotamiento de los neurotransmisores del receptor generando fatiga sináptica.
3
3.
Las sensaciones.
¿Es dulce el azúcar? ¿Es roja la sangre? ¿Es fría la nieve? Para responder estas preguntas debemos hacernos cargo de la siguiente afirmación. Si bien son los estímulos los que al actuar sobre los receptores desencadenan en ellos impulsos nerviosos que viajan al SNC, resulta que la sensación es un fenómeno subjetivo que depende del funcionamiento de nuestro propio SNC y que es independiente del estímulo en sí. Es decir, el azúcar no es dulce ni la sangre es roja, sólo que las percibimos como dulce y roja, respectivamente, para cuando dichos estímulos sean procesados por nuestra corteza sensitiva cerebral. La sensación generada depende del desarrollo y estructura de la zona cortical cerebral a la cual llegan los impulsos nerviosos procedentes del receptor estimulado. En cambio, la intensidad de la sensación depende de la frecuencia de descarga de la neurona sensitiva estimulada y del número total de neuronas sensitivas estimuladas por los receptores. La secuencia de eventos en la percepción sensorial se describe en el esquema siguiente y se ejemplifica con la visión (Figura 1).
Luz
Órgano de los sentidos
Transductor
Potencial de Acción
Decodificador
Ojo
Células Retinales
Nervio Óptico
Corteza Visual
Figura 1. Esquema de la percepción sensorial de la visión
3.1.
Cerebro y Elaboración de las sensaciones.
Las sensaciones son elaboradas en los siguientes lóbulos cerebrales: a) Sensación del tacto, presión, frío, calor y dolor. En la corteza somestésica del lóbulo parietal. b) Sensación auditiva: Alrededor de la cisura de Silvio, principalmente en el lóbulo temporal, pero también en el lóbulo de la ínsula. c)
Sensación visual: Alrededor de la cisura calcarina en el lóbulo occipital.
d) Sensación del olfato: De elaboración difusa en varias áreas cerebrales subcorticales (en el sistema límbico) cada una de ellas asociada con diferentes aspectos del proceso de la olfacción. Es decir, la olfacción no tiene representación alguna en la corteza cerebral. e) Sensación del gusto: En la corteza soméstica del lóbulo parietal, en el área de sensibilidad para la lengua.
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4.
Sentido y receptor.
4.1.
Visión
En el humano, el sentido especial predominante es la visión. Aproximadamente el 70% de la información que requerimos en forma externa, es visual. Nuestro sistema está construido de modo que nuestros dos ojos vean porciones muy parecidas del mundo exterior (visión binocular o estereoscópica). Sin embargo, lo que ve un ojo es ligeramente distinto de lo que ve el otro, por lo cual nuestra capacidad para ver en profundidad es muy grande. Con un solo ojo nuestra capacidad para percibir la profundidad está muy disminuida y requerimos información adicional, tal como saber que los tamaños relativos de los objetos disminuyen con la distancia, para poder desenvolvernos en esta condición. Los rayos de luz llegan a ambos ojos y el sistema visual funde las imágenes dejando una sola. El sentido de la visión es bastante distinto a los otros sentidos especiales y se deberán revisar algunos conceptos que se refieren a la energía específica que activa este sistema. 4.2.
La Luz
La luz es la parte del espectro electromagnético a la cual son sensibles nuestros fotorreceptores. La retina en donde se ubican los fotorreceptores, es sensible a la radiación electromagnética entre 400 y 700 nanómetros (luz visible para los humanos). El “color” blanco es la mezcla de colores y la ausencia de luz se interpreta como negro. La corteza visual (occipital) interpreta las longitudes de onda más cortas (y más energéticas) como los colores violeta y azul y las más largas (menos energéticas) como el naranja y el rojo. 4.3.
El Globo Ocular. (Anatomía)
La principal estructura del ojo humano es el globo ocular, órgano aproximadamente esférico alojado en una cavidad ósea, la órbita, y protegida por los párpados. En la parte superior y externa de cada órbita se ubica una glándula lacrimal, la que secreta permanentemente lágrimas que limpian y lubrican la superficie del globo ocular y que además contienen una enzima bactericida, la lisozima. Generalmente las lagrimas se evaporan o son drenadas hacia las fosas nasales por dos pequeños conductos lacrimales. La cavidad interna del globo ocular comprende ciertos compartimientos especiales. Una cámara anterior pequeña, entre el cristalino y la córnea, y una cámara posterior, limitada por el iris, el cristalino y los procesos ciliares. Ambas cámaras se encuentran ocupadas por una sustancia líquida, el humor acuoso. Entre el cristalino y la retina está la cámara o cuerpo vítreo, lleno de un líquido gelatinoso denominado humor vítreo. Tanto el humor acuoso como el humor vítreo son medios transparentes que contribuyen a mantener la forma del globo ocular gracias a la presión que ejercen en el interior de éste. El ojo desempeña dos funciones diferentes aunque estrechamente relacionadas. En primer lugar, es un sistema óptico capaz de recoger las ondas luminosas del exterior y proyectarlas como imágenes en la retina. En segundo lugar, es un receptor que responde a las imágenes formadas en la retina y envía la información sensitiva a las áreas visuales del cerebro (corteza occipital). Para alcanzar el fondo del globo ocular, la luz debe atravesar una serie de estructuras cuyo orden desde afuera hacia adentro es: córnea, humor acuoso, cristalino y humor vítreo, hasta llegar a la retina. 5
Toda la información visual se recoge en la retina, la que constituye una porción del sistema nervioso central desplazada hacia la periferia. Histológicamente, en el globo ocular se pueden describir tres capas concéntricas que desde el exterior al interior son: la esclerocórnea, la coroides y la retina (Figura 2).
Figura 2. Esquema de un corte medio horizontal del ojo.
1)
Esclerocórnea: está constituida por la esclerótica (parte blanca del globo ocular) y la córnea (parte anterior), la cual es más convexa y transparente, que permite la entrada de la luz y ayuda a concentrar los rayos luminosos que penetran al ojo. En su cara anterior, el globo ocular está recubierto por una membrana delgada transparente, la conjuntiva ocular, que también reviste la cara interna de los párpados. La conjuntiva no cubre la pupila.
2)
Coroides: se ubica inmediatamente por debajo de la esclerótica y es una capa de tejido conectivo laxo, muy rica en vasos sanguíneos, lo que ayuda a mantener una temperatura adecuada y una eficiente nutrición a las estructuras del globo ocular. Es pigmentada, lo que ayuda a absorber el exceso de luz y oscurece el interior del ojo.
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A partir de la coroides se forman el cuerpo ciliar, que se relaciona a su vez con otras cuatro estructuras: a) Los procesos ciliares, que secretan el humor acuoso. b) El iris, que es una especie de disco cuya pigmentación confiere el color de los ojos. El iris deja al centro un orificio llamado pupila, a través del cual penetra la luz. Su diámetro variable determina la cantidad de luz que ingresa a las cámaras mas internas del globo ocular. En el reflejo pupilar intervienen los músculos radiales del iris (dilatación) y los músculos circulares del iris (constricción). c) Los ligamentos suspensorios del cristalino, que sostienen el cristalino tensándolo periféricamente, de acuerdo a la presión interna del globo ocular (el cristalino es de naturaleza elástica, por lo que cede a la tracción "estirándose" y aplanándose). d) Los músculos ciliares presentes en los cuerpos ciliares. La disposición de esta musculatura es variada, destacándose un anillo que recorre el cuerpo ciliar a la manera de un esfínter (fibras circulares). La contracción de estos músculos actúa en contra de la presión intraocular, determinando una disminución de la tensión de los ligamentos suspensorios del cristalino y permitiendo la retracción elástica de la lente de modo que aumenta su diámetro central y poder de convergencia.
3)
Retina: es una membrana originada a partir del tubo neural (ectoderma), y básicamente está constituida por tres capas celulares sucesivas que se disponen en sentido horizontal de exterior a interior (células receptoras, células bipolares, células ganglionares) como se muestra en la figura 3.
Figura 3. Esquema que muestra las capas de la retina. Solamente se han ilustrado los receptores visuales y las neuronas de conducción directa.
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Las neuronas receptoras son fundamentalmente de dos tipos: bastones y conos. A su vez, hay tres variedades de conos. Los bastones son muy sensibles a la luz; son responsables de la visión más difusa y de la visión en la oscuridad. También participan en la visión lateral ya que su ubicación es preferentemente periférica en la retina. Contienen un pigmento llamado rodopsina, que consta de una parte proteica (opsina) unida a un derivado de la vitamina A, el retinaldehído o retinal. El retinal existe en dos configuraciones (isómeros). Los conos son menos sensibles a la luz que los bastones y son responsables de la visión diurna, y de la percepción de los detalles y colores. Su ubicación es preferentemente central en la retina. Su pigmento fotosensible se denomina iodopsina y existe en tres variedades distintas, que originan a su vez tres tipos de conos (que son sensibles a tres tipos distintos de luz: azul, roja y verde). La fina discriminación de colores en el humano se debe a la disposición y gran sensibilidad de cada tipo de conos. La porción de retinaldehído es la misma que aquella encontrada en los bastoncitos. 4.4. El Cristalino. Detrás de la pupila se dispone el cristalino, lente biconvexo y elástico, que se encuentra unido por sus bordes a los procesos ciliares, y es mantenido en su lugar por los ligamentos suspensorios (en conjunto: zónula). El cristalino desvía la luz hacia el interior de la cavidad ubicándola centradamente en el fondo del ojo (foco). A pesar de ser de forma lenticular, el cristalino se puede modificar en su forma cambiando la ubicación de la luz respecto a la retina, esto es la distancia focal. Este cambio es favorable, cuando la imagen no está clara. El cristalino varía su forma, expandiéndose o contrayéndose para ver una imagen correcta; puede ser desfavorable cuando existen patologías que se oponen a la visión normal y que serán consideradas posteriormente. 4.5. Generación de impulsos nerviosos La capa de las células receptoras es un mosaico de cerca de 160 millones de unidades, por lo cual la imagen del mundo exterior se construye por porciones. Al ser estimulada por la luz, cada célula fotorreceptora produce una respuesta eléctrica proporcional a la intensidad de la luz recibida. Este potencial es transmitido a las neuronas bipolares de la capa adyacente, que a su vez lo hacen llegar a las neuronas ganglionares de la tercera capa. Los potenciales pueden también desplazarse lateralmente por medio de interneuronas, de modo que cada neurona ganglionar está conectada a un número importante de fotorreceptores. Las conexiones son más abundantes en la región periférica del ojo (es decir, más alejadas de la fóvea). La salida del sistema se produce por los axones de las células ganglionares, que convergen en el nervio óptico. La información es transportada por el nervio óptico hasta los cuerpos cuadrigéminos anteriores (que intervienen principalmente en la orientación de los ojos, la cabeza y el cuerpo de modo de mantener la imagen de un objeto detectado en el campo visual periférico en la retina central) y los cuerpos geniculados laterales del tálamo (estructura de enlace que transmite los mensajes visuales a las regiones de la corteza cerebral ubicadas en los polos occipitales de los hemisferios cerebrales).
5. Mecanismo de acomodación ocular. 8
En la visión lejana (objetos ubicados a más de seis metros de distancia del ojo) los rayos luminosos que provienen de un punto en el espacio, son considerados paralelos al ingresar al globo ocular y convergen formando un punto en la retina debido a la refracción convergente que experimentan al pasar por la córnea y el cristalino (lentes convexos). En estas circunstancias, los músculos ciliares permanecen totalmente relajados, determinando que el cristalino tenga un máximo aplanamiento y con ello su menor poder de convergencia, adecuado para hacer converger los rayos paralelos exactamente sobre la retina formándose la imagen. En la visión cercana (objetos a menos de seis metros) los rayos luminosos llegan al ojo en forma divergente por lo que el cristalino debe aumentar su poder de convergencia (aumentar su diámetro central) con el fin de proyectar la imagen sobre la retina y no detrás de ella. El proceso de enfocar el ojo para la visión a diferentes distancias se denomina acomodación ocular y se debe a cambios del diámetro central del cristalino. En el hombre y demás mamíferos, esta acomodación depende de la elasticidad del cristalino y el mecanismo correspondiente reside principalmente en el músculo ciliar. Los músculos ciliares son parte del cuerpo ciliar, estructura en forma de anillo que lleva numerosas prolongaciones - los procesos ciliares - donde se insertan los ligamentos suspensorios (zónula). El aumento de la curvatura del cristalino se lleva a cabo gracias a la contracción de los músculos ciliares. Cuando éstos se contraen, el cuerpo ciliar y la coroides son arrastrados hacia adelante, hacia la córnea. Como consecuencia de este desplazamiento, el ligamento suspensorio se afloja y el cristalino por su propia elasticidad, adquiere la convexidad necesaria para la "visión próxima o cercana" (el cristalino aumenta su diámetro central). Si se mira un objeto distante, los músculos ciliares se relajan, permitiendo que la presión intraocular desplace el cuerpo ciliar hacia atrás y provoque el estiramiento del ligamento suspensorio. Como resultado, el cristalino se aplana y queda en condiciones apropiadas para la “visión lejana” (Figura 4).
Figura 4. Acomodación ocular, a la izquierda visión lejana, y a la derecha visión cercana.
6. Vía visual. Los dos nervios ópticos (derecho e izquierdo) se dirigen hacia el encéfalo, cruzando por delante de la silla turca y formando el quiasma óptico. De allí, en forma de cintilla óptica se dirigen al tálamo, desde donde cursan hacia la corteza cerebral occipital. 9
Las fibras visuales provenientes de la fóvea, no viajan junto al resto de las fibras visuales incluidas en el fascículo geniculocalcaríno. Una lesión de este fascículo no afecta a las fibras provenientes de la fóvea (Figura 5).
A A C B
B
C
Figura 5. Vías Visuales. Las lesiones de las vías marcadas con líneas e identificadas con letras causan los defectos del campo visual que se muestran en los diagramas de la derecha.
La vía visual está cruzada de modo relativamente complicado. Cada ojo tiene un campo visual que puede ser dividido en mitades en el plano vertical. Por la curvatura del globo ocular, las hemirretinas temporales (es decir que quedan orientadas hacia los lóbulos temporales) ven las porciones internas (campos visuales nasales), mientras las hemirretinas nasales (que quedan hacia adentro) ven los campos visuales temporales (es más fácil recordarlo como "dentro mira afuera", "afuera mira dentro"). Las fibras de la retina temporal no se cruzan en el quiasma 10
óptico, pero sí lo hacen las fibras de la retina nasal. Esto trae como consecuencia que distintas alteraciones en la vía visual conducirán a distintas reducciones de los campos visuales. En la figura 6 está esquematizada la vía visual y la consecuencia de la sección en distintos puntos de la vía. 7.
ANOMALÍAS Y PATOLOGÍAS OCULARES.
A continuación se detallan brevemente las principales patologías del ojo humano (Figura 6). Miopía: en el ojo miope, el globo ocular está alargado de modo que los rayos luminosos paralelos convergen formando un punto por delante de la retina (sobre la línea de puntos, que representa la posición de la retina en el ojo normal) y dan lugar, por lo tanto, a una imagen borrosa sobre la retina. Este defecto se corrige colocando una lente cóncava delante del ojo, que hace divergir los rayos de tal manera que el cristalino puede enfocarlos sobre la retina. Hipermetropía: en el ojo hipermétrope, el globo ocular es demasiado corto y los rayos convergen por detrás de la retina. Una lente convexa los hace converger de modo tal que el cristalino los enfoca sobre la retina. Astigmatismo: En el ojo astigmático, los rayos luminosos que pasan por una parte del ojo convergen sobre la retina, mientras que los que pasan por otra zona, no lo hacen, debido a la curvatura desigual del cristalino o de la córnea. Una lente cilíndrica corrige este defecto, pues desvía solamente los rayos que pasan por ciertas partes del ojo.
Figura 6. Esquemas que ilustran los defectos corrientes del ojo humano. En todos los casos se muestra la acomodación pasiva para la visión de objetos lejanos.
Glaucoma: Aumento de la presión intraocular por exceso de humor acuoso. Desprendimiento de retina: Se desprende la retina de la coroides, por disminución de la presión intraocular. Presbicia: Disminución del poder de acomodación ocular, por endurecimiento del cristalino. 11
Nictalpía o ceguera nocturna: Enfermedad caracterizada por la dificultad de adaptarse a la visión nocturna, después de haber estado en un ambiente iluminado. Se produce por hipovitaminosis A. Cataratas: Opacidad del cristalino lo suficientemente densa como para disminuir la visión. Las cataratas son la principal causa de ceguera a nivel mundial. Cuatro de cada diez personas mayores de 60 años tienen catarata. Son curables con un procedimiento sencillo y seguro. Las cataratas son una consecuencia inevitable del envejecimiento y normalmente no pueden ser prevenidas. Las causas menos comunes de catarata son traumas, medicinas u otras enfermedades del ojo y herencia. 8.
Efectores.
Los efectores son tejidos u órganos que producen una respuesta adaptativa frente a los cambios del ambiente externo o interno (las más conocidas son contracción y secreción) en respuesta a las señales nerviosas (potenciales de acción) o mensajeros químicos (hormonas). El estudio de los efectores es motivo de una discusión más detallada en los capítulos específicos (por ejemplo, el corazón es el efector del sistema cardiovascular, influido por el sistema neurovegetativo; las glándulas endocrinas que vierten sus secreciones por el influjo nervioso o por la acción de otra hormona, etc.). En esta sección sólo consideraremos el tejido muscular desde un punto de vista general, ya que hay tres tipos de músculos (estriado esquelético, efector del sistema motor; estriado cardíaco, efector del sistema cardiovascular y músculo liso, en general efector del sistema neurovegetativo).
Liso :
• asociado a glándulas • en visceras • en vasos sanguíneos
Músculo
Inervación autónoma (involuntaria)
Cardiaco Estriado
Inervación somatomotora (voluntaria)
Esquelético
Fig 7. Esquema simplificado de un sistema de clasificación del tejido muscular .
8.1.
Músculo Esquelético
a) Estructura La fibra muscular esquelética es la más grande, con diámetros de cerca de 5 a 100 µm de 12
diámetro y algunos cm de largo (en realidad las células musculares han unido sus membranas celulares o sarcolemas, conformando un pseudo sincicio). Las estriaciones de los músculos esquelético (y cardíaco) se deben a su constitución por sarcómeros (pequeñas unidades de músculo, en una traducción literal). Esta estructura tiene en reposo 25.000 Å de largo en el músculo esquelético. Los límites del sarcómero se denominan líneas Z y distan 25.000 Å una de otra. Viene luego de una línea Z, una banda I de 4.500 Å de largo y en la porción central una banda A de 16.000 Å otra banda I y luego la línea Z. Hacia la mitad de la banda A aparece un espacio menos denso, la zona H (Figura 8).
F del músculo estríado
Figura 8. Estructura
En la banda I hay un sistema de filamentos que corren en paralelo, constituidos por las proteínas actina, tropomiosina y troponinas (que son tres: tipos I, T y C). Éstos son llamados filamentos delgados (Figura 9). En la banda A hay filamentos delgados que cursan entre los filamentos gruesos. Los filamentos gruesos están constituidos por una proteína llamada miosina. Esta molécula posee dos gruesas proyecciones cortas ("cabezas" de miosina) que emergen a intervalos de los filamentos gruesos. La zona H sólo presenta filamentos gruesos y no filamentos delgados (Figura 10).
Figura 9. Filamento delgado, mostrando las unidades de actina
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Figura 10. Filamentos gruesos, mostrando la disposición de la miosina.
Las moléculas de actina del filamento delgado son globulares, y están unidas formando una especie de collar de perlas doble. La zona que queda hacia el interior del doble collar se llama hendidura. La actina puede unirse a las cabezas de miosina, y esta unión no tiene lugar en reposo porque los sitios de unión en la actina están "tapados" por la tropomiosina, que tiene una estructura fibrilar (fig. 11.A). Cada molécula de tropomiosina puede tapar los sitios de unión de siete moléculas de actina. Cada siete monómeros de actina está dispuesto el trímero (tres unidades) de troponina. La subunidad T está unida a la tropomiosina; la subunidad I a la actina, y la subunidad C, a ambas. En esta condición se dice que el filamento delgado está "off" (Figura 11.B).
A B Figura 11. Activación del filamento de actina para recibir las cabezas de la miosina, por la presencia de calcio.
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En condiciones de reposo la concentración del ion calcio en el citoplasma de la célula muscular (sarcoplasma) es muy baja. Sin embargo, en el interior del retículo sarcoplásmico (retículo endoplásmico muscular) el calcio se encuentra almacenado en alta concentración.
b) Bioquímica de la contracción muscular La contracción muscular se origina por la unión y separación cíclica de la cabeza globular de la miosina al filamento de actina. La unión es seguida por un cambio en la interacción entre actina y miosina, de modo que los filamentos de actina (filamentos delgados) y miosina (filamentos gruesos) se deslizan uno sobre otro. Función del calcio. Para iniciar la contracción muscular, los canales de calcio presentes en la membrana del retículo sarcoplásmico se abren, permitiendo que este calcio pase al sarcoplasma y se una a la subunidad C de la troponina (Figura 11B). La unión provoca un cambio de conformación de la troponina C, que saca a la tropomiosina llevándola hacia la hendidura y descubriendo los sitios de unión entre la actina y la miosina (filamento delgado "on"). La cabeza de la miosina que se había asociado e hidrolizado a una molécula de ATP, aún mantenía los productos ADP y Pi unidos; al asociarse a la actina libera estos productos, lo que genera un "tirón" de la miosina sobre la actina. Los filamentos delgados son llevados hacia el centro del sarcómero, por lo cual el sarcómero se acorta y se genera tensión activa. Si no siguen otros potenciales de acción, el calcio es bombeado de vuelta hacia sus reservorios; la troponina C recupera su conformación de reposo, la tropomiosina vuelve a cubrir el sitio de unión de actina con miosina. Esta última se "recarga" con ATP y el músculo se relaja (Figura 12). La energía es suministrada por la hidrólisis del ATP. El proceso de hidrólisis del ATP por la ATPasa de la miosina es acelerado por la unión de la cabeza de la miosina a la actina. El ciclo bioquímico de la contracción muscular consta de cinco etapas: (Figura 12) 1. La cabeza de la miosina sola puede hidrolizar al ATP a ADP + Pi, pero no puede liberar los productos de esta hidrólisis. Así, la hidrólisis del ATP por la cabeza de la miosina es estequeométrica más que catalítica. 2. La cabeza de la miosina, que contiene ADP y Pi, puede girar libremente describiendo ángulos para localizar a la actina y unirse a ella, formando un ángulo de 90º con el eje de la fibra. 3. Esta interacción promueve la liberación del ADP y Pi del complejo entre actina y miosina. Debido a que la conformación de menor energía para el enlace actino-miosina es de 45º, la 15
miosina cambia su ángulo desde 90º hasta cerca de 45º tirando a la actina hacia el centro del sarcómero. 4. Una nueva molécula de ATP se une al complejo entre miosina y actina. El complejo miosinaATP tiene escasa afinidad por la actina y así, la cabeza de la miosina-ATP es liberada de la actina. 5. La relajación es la última etapa, un proceso que depende claramente de la unión del ATP al complejo actina-miosina. El ATP es hidrolizado nuevamente por la cabeza de la miosina, pero sin liberación de ADP + Pi, para continuar el ciclo. De forma clara el ATP separa la cabeza de miosina del filamento delgado y le da la energía a la contracción.
Figura 12. Hidrólisis del ATP impulsa la unión y la separación cíclicas de actina y miosina en cinco etapas.
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El proceso mediante el cual se realiza el acortamiento de los elementos contráctiles en los músculos implica el deslizamiento de los filamentos delgados sobre los gruesos. El ancho de las bandas A permanece constante, en tanto que las líneas Z se juntan cuando el músculo se contrae y se separan cuando se relaja. Cuando el músculo se acorta, los filamentos delgados se aproximan entre sí desde los extremos opuestos del sarcómero; cuando el acortamiento es marcado, estos filamentos se traslapan (Figura 13).
Figura 13. Deslizamiento de la actina sobre la miosina durante la contracción, de modo que las lineas Z se acercan más entre sí.
Recordemos que la concentración sarcoplásmica de ion calcio es muy baja en reposo (del orden de 10-8 M). Cuando cada potencial de acción invade el terminal axonal, provoca la liberación de cerca de 300 vesículas ricas en acetilcolina del terminal. Cada vesícula contiene cerca de 10.000 moléculas de este neurotransmisor. La acetilcolina liberada difunde por el espacio sináptico. Cerca de un tercio de ella es hidrolizada por la acetilcolinesterasa neural antes de alcanzar los receptores musculares. Cada pareja de moléculas de acetilcolina que alcanza un receptor provoca la entrada de cerca de 50.000 iones sodio, por lo que el terminal se despolariza. Los potenciales de acción musculares se propagan por el sarcolema y penetran al interior del músculo por el sistema tubular transversal, llamado sistema T y provocan, por un mecanismo aún no del todo claro, la liberación del calcio contenido en las cisternas terminales (Figura 14).
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Figura 14. Relaciones entre la membrana plasmática (túbulos T) y el retículo endoplasmático (retículo sarcoplásmico) y los sarcómeros.
En el corazón, el proceso es muy parecido, excepto que el potencial no se genera por la activación de las motoneuronas, sino por la acción de las células marcapaso. Otra característica muy importante del músculo cardíaco es que posee un período refractario muy largo y por esta razón no se tetaniza (es decir, no entra en contracción mantenida, lo que impediría la circulación de la sangre). Los impulsos nerviosos llegan al terminalaxonal
En el músculo estríado, los filamentos delgados están insertos en la línea Z, mientras que en el músculo liso están en los llamados cuerpos densos, que se encuentran en general adosados a la membrana celular. No existe aquí la fina estructuración del sarcómero, donde cada filamento Se libera ACh grueso está rodeado por seis filamentos delgados en una configuración hexagonal. De este modo, la contracción del músculo liso es en todas las direcciones del espacio y no en forma lineal como ocurre en el músculo estríado. Por otra parte, no están presentes en el músculo liso las proteínas Se despolariza el sarcolema reguladoras (troponinas, tropomiosina) y es más abundante la actina que la miosina, lo que asemeja mucho la contracción del músculo liso a los movimientos citoesqueléticos, también dependientes de actina. Se despolariza el sistema T
Un resumen de los eventos más relevantes de la contracción muscular se aprecia en el esquema siguiente (Figura 15). El retículo sarcoplásmico libera calcio
El calcio hace que la troponina C descubra los sitios de unión con miosina en el filamento delgado
Figura 15. Esquema de la contracción muscular. El metabolismo celular produce ATP
Las cabezas de miosina se encuentran a los sitios de unión Sintetiza fosfato de creatina Las cabezas de miosina se flextan y vuelven a unir a nuevos sitios activos
Cuando se requiere, se sintetiza ATP
Se hidroliza ATP
Se forma ADP + Pi
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Los filamentos interdigitan y la fibra se acorta
El músculo ejerce tensión
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