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CAPÍTULO 17
METABOLISMO DEL MÚSCULO
17.1 COMPOSICIÓN BIOQUÍMICA DEL MÚSCULO
Como en todo tejido animal encontramos en la constitución del tejido muscular
sustancias orgánicas e inorgánicas. El músculo presenta en general un 75% de agua;
19% de proteína; 2,5% de lípidos; 1,2% de carbohidratos; 2,3 de otros compuestos
solubles y un 0,65% de minerales. El contenido proteico del músculo es alto, lo que
hace a este producto uno de los principales alimentos proteicos en la dieta.
El agua se encuentra distribuida, según los espacios ya señalados, dentro de las
células musculares (LIC) y por fuera de las mismas. La cantidad de agua del músculo
puede variar en dependencia de factores externos, sobre todo, estados de hidratación.
Las principales proteínas del músculo están en las miofibrillas conocidas como miosina
y actina, responsables de la contracción del músculo, que pueden alcanzar hasta un
10% del músculo, o sea, prácticamente del 50 al 55% de todas las proteínas del
músculo.
En el sarcoplasma existen otras proteínas, sobre todo globulinas y mioglobina, así
como un sin número de enzimas en el citoplasma; las mitocondrias y otras estructuras
de la célula muscular contienen proteínas.
Asociado al retículo sarcoplasmático, la membrana celular y sobre todo el tejido
conectivo se encuentran el colágeno y la elastina, proteínas pertenecientes al grupo de
las escleroproteínas caracterizada por su extraordinaria dureza.
Los principales lípidos del tejido muscular están representados por ésteres de glicerol
con los ácidos grasos. Los ácidos grasos presentes en estos ésteres son el oleico, el
palmítico y el esteárico; pueden aparecer otros ácidos grasos saturados o insaturados.
También el tejido muscular contiene un alto número de fosfolípidos, sobre todo
fosfoglicéridos, plasmalógenos y esfingomielinas, y acompañando a las grasas
sustancias solubles en los solventes grasos, colesterol, derivados del colesterol y las
vitaminas liposolubles (A. D, K y E).
Los glúcidos principales del tejido muscular son el glucógeno, la glucosa 6 fosfato y
otros productos intermediarios de metabolismo de los glúcidos entre los que se
destacan el ácido láctico y el ácido pirúvico.
Otras sustancias de carácter soluble presentes en el músculo son la creatina,
nucleótidos, aminoácidos, dipéptidos, ATP y algunos minerales tales como el calcio,
fósforo, sodio, potasio, magnesio y otros.
Es de destacar la presencia en concentraciones altas del ATP, así como del ADP y
AMP. El ATP aporta la energía para la concentración muscular como señalaremos más
adelante.
17.2 CONTRACCIÓN MUSCULAR
Antes de acometer el estudio de la contracción muscular desde el punto de vista
bioquímico es necesario recordar algunos de los principios de la estructura de las
células musculares y el sarcómero, unidad contráctil del músculo.
Las células musculares son sumamente largas y multinucleadas. El mayor espacio está
ocupado por las miofibrillas las cuales están en el sarcoplasma rodeadas por el
sarcolema. La célula muscular contiene también un retículo endoplásmico, llamado
retículo sarcoplasmático, formado por muchas invaginaciones tubulares en forma de T
y de gran importancia en la transmisión del impulso nervioso. Las miofibrillas están
formadas por miofilamentos organizados en unidades que se repiten, denominadas
sarcómero. Los miofilamentos pueden ser de dos tipos, gruesos y finos, los gruesos
están formados, fundamentalmente, por miosina y los finos por la actina, dos proteínas
de actividad contráctil,
Desde el punto de vista histológico el sarcómero está separado por dos líneas Z,
consta de dos zonas, una llamada banda A (de anisotrópicas, con doble refracción) y
las bandas I (de isotrópicas, uniformes). La porción central de la banda A, llamada zona
H es menos densa que el resto de la banda. Las bandas I sólo contienen filamentos
delgados (actina) mientras que la A contiene filamentos gruesos (miosina) y filamentos
delgados, dispuestos según un patrón hexagonal: cada filamento grueso rodeado de 6
filamentos finos.
Los filamentos finos no llegan a la zona central de la banda A. Por otra parte se ha
podido demostrar que de los filamentos gruesos a nivel de la banda A, salen
proyecciones que se extienden hasta los filamentos finos. A manera de resumen
presentamos un esquema sobre estos aspectos en la figura 17.1
Estas estructuras sufren intensos cambios durante la contracción. En efecto, durante la
contracción muscular los sarcómeros de acortan desde un 20 a un 50% También se ha
determinado que durante la contracción los filamentos gruesos permanecen con la
misma longitud, al igual que los filamentos de la zona I, por lo que se deduce que los
cambios de longitud del músculo son debido a deslizamientos de los filamentos
gruesos y delgados unos sobre otros, pudiendo llegar los filamentos finos a formar una
zona central más densa en la zona H.
Las dos proteínas principales que participan en la contracción muscular son la actina
y la miosina; además existen otros compuestos proteicos en menor proporción
llamados tropomiosina y troponina.
La miosina posee un peso molecular de unos 460.000 con una estructura terciaria
formada por una prolongada molécula que contiene una "cabeza" globular. En su
conjunto está formada por dos cadenas polipeptídicas idénticas, pesadas y ligeras.
Una propiedad extremadamente importante de la miosina es su actividad ATP ásica
pudiendo hidrolizar el ATP en ADP y P. Esta actividad ATP ásica se activa por el calcio
(Ca2+) y se inhiben por el magnesio, (Mg2+). Esta actividad enzimática de la miosina
radica en la porción de su cabeza formada por un octapéptido. Se ha determinado que
puede unir al ATP.
La miosina puede unirse por dos centros específicos con la actina formado la
actinomiosina. Por otra parte la actina está formada por dos cadenas polipeptídicas
llamadas G y F que se enrollan para formar los ligamentos delgados. Una propiedad de
la actina es que pueden fijar el Ca y ATP. Las moléculas de actina se pueden unir a
zonas de las cabezas de miosina para formar puentes transversales, estructuras que
parecen púas.
La actinomiosina se puede disociar en presencia de ATP y Mg.
En el músculo en reposo la concentración de Ca es muy baja y alta la de ATP y Mg.
El mecanismo exacto de la contracción muscular es muy complejo y no bien
esclarecido en su totalidad. Los aspectos más sobresalientes son los siguientes: Dos
proteínas (la tropomiosina y la troponina) y el calcio regulan la interrelación miosina actina. La tropomiosina es una proteína fibrosa que se encuentra enrollada a lo largo
de la actina bloqueando los sitios de unión de la actina con la miosina, mientras la
troponina es de tipo globular y se encuentra combinada con la tropomiosina a intervalos
de todos los filamentos finos, manteniendo la estructura inhibidora de la tropomiosina
sobre la actina. La troponina es calcio receptora.
Al llegar procedente del nervio motor un impulso nervioso que produce la
despolarización del sarcolema, éste se transmite, casi instantáneamente, por el sistema
T hasta todos los sarcómeros. Esta onda de despolarización en todo el retículo
sarcoplasmátcio trae como consecuencia un aumento de su permeabilidad con un
escape de iones de Ca de la cisterna del retículo, el cual se combina con la troponina y
produce ciertos cambios conformacionales, activando las interacciones alostéricas de
esta proteína con la tropomiosina y como consecuencia de ello, se produce un
movimiento estructural de la tropomiosina que libera los sitios activos de la unión de la
actina con la miosina lo cual determina la unión de dichas moléculas, formando un
complejo actina - miosina.
Previamente la miosina que tenia unida por su "cabeza" una molécula de ATP había
experimentado un cambio estructural, debido a la energía liberada por la hidrólisis del
ATP, de forma que su cabeza se encontraba menos flexionada en relación con el eje
central y unida al ADP. El desplazamiento de la actina (filamentos finos) a lo largo de la
miosina (filamentos gruesos) produciéndose el acortamiento de la fibra muscular
(contracción), al tiempo que el ADP y el P abandonan el sitio en la cabeza de miosina,
y la salida del calcio de su sitio en la troponina se inicia el proceso de relajación y
preparación para la nueva contracción del sistema.
Todo este proceso, aunque sujeto a algunas rectificaciones en el futuro, constituyen los
aspectos centrales de la contracción muscular. En la figura 17.2 se presenta un
esquema sobre lo anteriormente expuesto.
Línea
ATP
ATP
Z
Durante este proceso se produce la hidrólisis del ATP señalándose que se hidrolizan
dos moléculas de ATP por cada puente transversal. Debemos recordar que la cabeza
de miosina tiene ATP ligado.
La relajación del músculo se induce por la salida del Ca por transporte activo con gasto
de energía en forma de ATP, hacia la cisterna del retículo. Se señala que la hidrólisis
de una molécula de ATP produce energía requerida para el transporte de dos
moléculas de Ca.
De lo anteriormente expresado se concluye que la energía del ATP es requerida tanto
para la contracción como para la relajación del músculo. Debemos aquí recordar que
aunque la energía necesaria para la síntesis del ATP proviene fundamentalmente de la
glucólisis, es a partir de la fosfocreatina formada por el músculo en reposo, que
regenera el ATP consumido en grandes cantidades durante la contracción muscular.
17.3 METABOLISMO ANAEROBIO DEL MÚSCULO
El principal elemento usado por el músculo para la contracción muscular es el ATP.
En condiciones normales el ATP es formado por el mecanismo de fosforilación
oxidativa producto de la energía liberada como resultado de la oxidación de la
glucosa. Es de señalar que en condiciones normales el músculo consume del 30 al
40% del oxígeno de la respiración el cual puede incrementarse hasta un 80 o 90%
en la actividad intensa del mismo
La energía de la glucólisis es usada también para la síntesis del fosfágeno a partir de
la creatina, según analizamos en el aspecto correspondiente al metabolismo proteico
Según estos criterios existe una relación entre la creatina, el ATP y la glucólisis la
cual podemos representar (figura 17.3).
Se debe recordar que para la oxidación de la glucosa es necesaria la presencia del
sistema oxidativo representado por la cadena respiratoria y el aporte de O 2 para
completar el proceso. De esta manera cuando, producto de la contracción muscular
intensa o como veremos a continuación por falta de oxígeno, la célula muscular no
puede oxidar totalmente a la glucosa, el metabolismo del músculo deviene anaerobio
y el producto final es el ácido láctico. Según podemos observar en la figura 17.4.
En condiciones normales este ácido láctico es usado para la síntesis del glucógeno por
el hígado, el cual es enviado en forma de glucosa al músculo manteniendo el nivel del
glucógeno muscular, según vemos en la figura 17.5.
Ácido
Ácido
Ácido
Cuando ocurre la muerte física que trae como resultado un déficit en el aporte de
oxígeno a la célula se produce, durante cierto tiempo, una continuidad de la glucólisis
anaerobia, en este caso irreversible, sin posibilidad de recuperación.
La glucólisis post mortem es idéntica a la glucólisis en el animal vivo. De esta manera
transcurre la conversión del glucógeno en ácido láctico hasta que el pH ligeramente
ácido (5,4 a 5,5) comienza a inactivar la enzima de su degradación, que por otra parte,
ya prácticamente está agotado, esto como es lógico, en dependencia del nivel inicial de
glucógeno es muy importante, el cual se ve afectado por exceso de ejercicio y por
trastornos en la alimentación, enfermedades, etc.
17.4 CAMBIOS BIOQUÍMICOS POST MORTEM
Los cambios bioquímicos post mortem en el sistema muscular son intensos, variados y
muy rápidos. El metabolismo del músculo es de tipo aerobio en condiciones normales,
pero está muy adaptado a las condiciones de anaerobiosis que es la que predomina en
estos casos.
La muerte trae como primera consecuencia el fallo en el aporte de oxígeno a la célula
(anoxia) que determina la inactivación del sistema oxidativo dependiente de los
citocromos y la síntesis de ATP por la vía de la fosforilación oxidativa. Al producirse la
disminución del ATP y el incremento del fósforo inorgánico se estimula la vía de la
glucólisis anaerobia con producción de ácido láctico y descenso del pH sanguíneo. La
disminución del pH o del nivel de ATP afecta el metabolismo celular y la imposibilidad
de mantener la armonía celular, sobre todo de las membranas, que repercute en la
salida del agua y en el inicio de un proceso de desnaturalización de las proteínas. De
especial significación en este proceso resulta la alteración de los lisosomas, que con su
batería de enzimas hidrolíticas comienza el trabajo de hidrólisis y autolisis post mortem.
La desnaturalización de las proteínas afecta a la mayoría de las proteínas estructurales
y enzimáticas de la célula.
La membrana del lisosoma es afectada por varios factores en este caso concreto por el
pH ácido y la desnaturalización de las proteínas. La liberación de estas enzimas
produce grandes cambios en los componentes bioquímicos, entre otros la proteolisis, la
degradación del glucógeno, la hidrólisis de ácidos nucleicos y de otros componentes.
De igual manera, al producirse el agotamiento del ATP se detiene el transporte activo
con cambios significativos en los principales iones. Otros cambios que se producen
son: el incremento de ácido inosínico, amoniaco y fosfatos, así como el incremento de
aminoácidos libres, glucosa, lípidos y otros compuestos.
La rigidez cadavérica o rigor mortis es consecuencia de la contracción muscular
después de la muerte, influenciada por varios factores, sobre todo las reservas de
glucógeno, pH y la temperatura del ambiente. Cuando el glucógeno es escaso aparece
rápidamente, al igual que cuando el pH es bajo.
Los procesos bioquímicos relacionados con la rigidez cadavérica no son del todo
conocido, aunque sin duda debe estar relacionado con el ATP, pues ya señalamos que
este compuesto es necesario tanto para la contracción como para la relajación
muscular y en especial para los procesos de transporte activo relacionados con la
salida del calcio y con ello el inicio de la fase de relajación muscular.
El transporte intracelular del Ca desde el sarcoplasma al retículo sarcoplasmático es
requerido para el inicio del proceso de relajación muscular. Este mecanismo se verifica
por un sistema de la ATPasa transportadora de calcio que concentra calcio en las
cisternas del retículo sarcoplasmático a expensas de la hidrólisis del ATP, producido
por la vía de la fosforilación oxidativa dependiente del trasporte electrónico, que como
es lógico, requiere de oxígeno molecular. Es por ello que la falta de O2 provocaría el
fallo del transporte activo y con ello la imposibilidad de la salida de calcio, manteniendo
la célula muscular en estado de contracción.