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Dr. J. Ribas Serna
Dpto. Fisiología Médica y Biofísica
Facultad de Medicina
Universidad de Sevilla
México, 23 noviembre, 2016
Concepto de estructura “pasiva” muscular
Dr. J. Ribas
Estructura pasiva:
Estructura perteneciente a la célula o al tejido muscular que no
utiliza directamente la energía proporcionada por ATP o PCr
para realizar su función
Habitualmente considerada como soporte o sostén necesario
para la actuación de otras estructuras activas
Importante desde los puntos de vista mecánico y funcional
Las estructuras pasivas son responsables principales de las
características de rigidez y elasticidad necesarias para la
configuración estructural del músculo esquelético y para la
generación de fuerza y velocidad
La transmisión de estímulos mecánicos por las estructuras pasivas puede
activar la transcripción genética en el núcleo celular en menos de 500 ms
Técnicamente son difíciles de estudiar. Exigen conocimientos de
histología, física y matemática
La rigidez es necesaria para sostener las estructuras y las formas
Dr. J. Ribas
Dr. J. Ribas
Dr. J. Ribas
 Son entrenables las estructuras pasivas?
 Contribuyen las estructuras pasivas a la tensión
ejercida por los músculos?
 Son determinadas genéticamente sus características funcionales?
 Son influenciables por los estiramientos musculares?
 Participan en los mecanismos de amortiguación de oscilaciones
en los músculos?
Rigidez en las piernas de atletas de resistencia y de potencia
Dr. J. Ribas
Los saltos contribuyen a aumentar la rigidez de las piernas y la velocidad de la carrera
Frecuencia de saltos
Rigidez articular
DR: atletas de resistencia
PT: atletas de potencia
Hobara et al., 2008
La contracción muscular tiene que tensar los elementos elásticos
para realizar un acortamiento
Dr. J. Ribas
Dr. J. Ribas
LaStayo et al., 2003
Dr. J. Ribas
Oscar Pistorius
21,97 s en 200m
WR: 19,32 s
Matriz extracelular
Dr. J. Ribas
La matriz extracelular es un substrato para la morfogénesis de
los tejidos, presta soporte y flexibilidad a los tejidos maduros
y, actúa como una entidad de información epigenética en el
sentido de que traduce e integra las señales del exterior a la
célula, a través de distintos receptores de superficie. La
interacción matriz extracelular-receptor tiene una profunda
influencia sobre los programas celulares más importantes
incluyendo
crecimiento,
diferenciación,
migración
y
supervivencia.
(mecanocepción)
Integridad tensil
Dr. J. Ribas
tensigridad
20 g
50
100
200
D. E. Ingber (1997)
Funciónes del citoesqueleto
Dr. J. Ribas
EFECTO BIOQUÍMICO
DEFORMACIÓN
MECÁNICA
El citoesqueleto (CSK) puede actuar como un filtro mecánico: la
misma señal mecánica o química puede producir una respuesta
celular diferente dependiendo de la geometría y la estructura
mecánica. El uso de la “tensigridad” por las células puede explicar
como la distorsión del CSK (estiramiento, presión, gravedad o
fuerzas hemodinámicas) puede alterar la bioquímica celular y
encender distintos programas genéticos buscando la mejor
respuesta de adaptación al estímulo.
D. E. Ingber (1997)
Importancia de la arquitectura celular
Dr. J. Ribas
La forma celular, la tisular y la corporal viene determinada por la
arquitectura celular o citoesqueleto.
El citoesqueleto fija los límites físicos de la célula, fija proteínas claves en
polos u orientaciones, fija la ubicación intracelular de las organelas.
El citoesqueleto determina las características mecánicas de la célula.
La forma celular, la capacidad de deformación en ejes espaciales
determinados (rigidez, distensibilidad), la capacidad de recuperar la
forma tras la deformación (elasticidad).
El citoesqueleto es importante para el transporte de moléculas
estructurales y funcionales dentro de la célula, para los procesos de autoreparación y regeneración celular y para la mecanocepción.
El citoesqueleto viene determinado genéticamente pero muestra
características de adaptación funcional, tanto en su fenotipo como
en su genotipo.
Modelo sarcomérico de tres filamentos
Dr. J. Ribas
2,5 µm
miosina
puente
cruzado
TROPONINAS
TROPOMIOSINA
Organización espacial de los filamentos en la fibra muscular
Dr. J. Ribas
Línea M
Estructuras de la línea Z en las sarcómeras de una fibra muscular
Dr. J. Ribas
Linea Z
Dr. J. Ribas
Línea Z
Banda M
Complejidad en las estructuras sarcoméricas
Dr. J. Ribas
Localización de Titina: proteína pansarcomérica gigante y elástica
Dr. J. Ribas
Fibra relajada (no se ve la titina)
Fibra estirada con titina visible
titina
Horowitz et al., 1989
Cambios en la molécula de titina con el estiramiento
Dr. J. Ribas
sarcómera
tensión
tensión
tensión
tensión
Horowits et al., 1989
Técnicas de estudio de estructuras pasivas
Dr. J. Ribas
Yusko and Asbury. 2014
Comportamiento de la titina durante el estiramiento
Dr. J. Ribas
Casper & Xun, 2000
Importancia de la estructura peptídica de la titina para soportar tensión
Dr. J. Ribas
arge
hort
Mientras más largo el segmento PEVK de la titinamás fuerza requiere para desplegarse
El entrenamiento con excéntricos puede actuar sobre la longitud PEVK
PEVK: prolina, glutamato, valina, leucina
Labeit et al. PNAS, 2003
Titina y filamentos sarcómericos
Dr. J. Ribas
Nishikawa et al., 2012
La unión de la titina al filamento delgado (de actina) aumenta la tensión al estiramiento
Dr. J. Ribas
Efecto del Ca2+
Nishikawa et al., 2012
Dr. J. Ribas
Nishikawa
Mecanismo de generación de tensión por la titina durante la contracción
Dr. J. Ribas
Nishikawa
Estiramiento y fuerza en las fibras musculares
Dr. J. Ribas
Lee et al., (2007)
Los aumentos de fuerza pasiva y activa durante contracciones
excéntricas son debidos a estructura pasivas
Dr. J. Ribas
músculo
contracción
isométrica
miofibrilla
sarcómera
estiramiento pasivo
FE: force enhancement
PFE: passive force enhancement
Herzog, 2014
Sitios clave en la mecano-transducción de la titina en la fibra muscular
Dr. J. Ribas
Krüger & Kötter, 2016
Tensiones al estiramiento en una situación de no solapamiento actina-miosina (4 um)
Tensión
Dr. J. Ribas
Herzog et al., 2012
Fuerza generada en el filamento de titina durante una activación muscular
Dr. J. Ribas
Aumento de fuerza debido a Titina
15% : aumento de rigidez por efecto del calcio iónico sobre segmento PEVK
85%: unión de Titina al filamento delgado de actina
Powers et al., 2014
Las activaciones excéntricas promueven el aumento de titina I
Dr. J. Ribas
Costo energético de la carrera
La inclusión de saltos en el entrenamiento de resistencia
aumenta Titina I y reduce el costo energético de la carrera
Carrera: 3 km
Pellegrino et al., 2016
Aumento de Titina I reduce el costo energético de la carrera
Dr. J. Ribas
Daño muscular ocasionado por la primera sesión de
entrenamiento con saltos (+ resistencia)
Este daño muscular solo afecta a la
economía de carrera a intensidades
>90% de VO2max
Pellegrino et al., 2016
Estímulos para la activación genética por mecano-transducción a través de ECM
tensión excéntrica
MAPK activation
Dr. J. Ribas
Martineau & Gardiner, 2001
La fuerza cae (fatiga) con la prolongación del tiempo de trabajo
Dr. J. Ribas
Una tensión pico durante 30 s es suficiente para activar MAPK
tiempo de caída de la
fuerza al 50%
Martineau & Gardiner, 2001
Relaciones entre entrenamiento excéntrico y titina
Dr. J. Ribas
Krüger & Kötter, 2016
Dr. J. Ribas
Dr. J. Ribas
Horowitz et al., 1989
Estabilización de la sarcómera por la titina
Dr. J. Ribas
Longitud sarcomérica= 2,4 um
Longitud sarcomérica= 3,0 um
stretch
acortamiento
pasiva
activación
TITINA
Contracción con sarcómera sin estirar
Contracción con sarcómera estirada
Una razón para el estiramiento pre-contracción?
Horowitz &Podolski, 1986
Efectos del des-entrenamiento sobre la Titina
Dr. J. Ribas
28 dias sin carga
soleo
plantar
Casper & Xun, 2000
Mecanismo de acción del des-entrenamiento
Dr. J. Ribas
Udaka et al., 2007
Otros miofilamentos que contribuyen a la tensión en el músculo
Dr. J. Ribas
Kontrogianni-Konstantopoulos et al., 2009
Encendido de la atrofia muscular por falta de tensión muscular
Dr. J. Ribas
Clark et al., 2002
Estructuras pasivas y acortamiento muscular
Dr. J. Ribas
-33% ΔL
-33% ΔL
Feneis, 1935
Propiedades elásticas en estructuras pasivas
Estrés de tensión (fuerza)(Mpa/l)
Dr. J. Ribas
80
60
módulo
elástico
40
20
2
flojo
lineal
8
4
6
Elongación (deformación)(%)
Pequeños fallos de
estructura
tendón
ruptura
Elementos elástico en la estructura muscular
Dr. J. Ribas
elemento
contráctil
elemento
pasivo (elástico)
elemento elástico
pansarcomérico (titina)
Denoth y cols., 2002
Vibraciones y amortiguación en tejido muscular
Dr. J. Ribas
amortiguador
visco-elástico
elemento elástico
motor
Hill, 1970
Dr. J. Ribas
Técnicas de estimación de elasticidad MT in vivo
Dr. J. Ribas
Dr. J. Ribas
A0e-(b/2m)t
-A0e-(b/2m)t
v2
Resistencia de amortiguación = b1v +b2
siendo v la velocidad del desplazamiento
d 2x
m 2  kx  bv  0
dt
Efecto mecánico directo de la tensión del citoesqueleto sobre la
maquinaria genética
Dr. J. Ribas
tensión
Fischer et al., 2016
Mecano-química celular
Dr. J. Ribas
Ingber, 2003
Efecto de la contracción muscular sobre la genésis de disco Z
Dr. J. Ribas
Sarcomerogénesis con
contracciones
Disco Z normal
Sarcomerogénesis sin
contracciones
Disco Z ausente
Geach et al., 2015
Efecto de la tensión mecánica sobre la activación de células satélites
Dr. J. Ribas
Regeneración e hipertrofia muscular
SC: satellite cell
Fischer et al., 2016
Moléculas en la Matriz Extracelular que regulan el tamaño del músculo
Dr. J. Ribas
LB
Fibra muscular
IGF-1,HGF, bFGF, MGF, miostatina, IL-4
c. satélite
IGFR-1
fusión
MEC
IGF-1/insulina


PG-Kinasa
integrinas
IGF-1/insulina
Akt
Mecano-sensitivo

SON
Ca2+
Ca2+
PKC
calcineurina
RS
CaMK
MAPK
factores
crecimiento
citoquinas
mTOR
mionúcleos
cromatina
Δ maquinaria
transcripcional
proteínas
ribosomales
GSK3b
ribosoma
RNAr/RNAm
Δ traducción
Δ proteínas
Integrina, distrofina, desmina, etc
-actina, actinina, MHC
mionúcleos
cromatina
Δ transcripción
proteínas degradantes
lisosomas
próteasomas
calpainas
Modificado de P. A. Huijing & R. T. Jaspers, 2005
RESUMEN
Dr. J. Ribas
El citoesqueleto es fundamental para mantener la forma de las células
musculares, generar y soportar tensiones mecánicas
Los elementos elásticos en la fibra muscular son esenciales para
generar fuerza o tensión pasiva y para colaborar en el almacenamiento
de energía elástica que, devuelta a su debido tiempo, mejora el
rendimiento del músculo
Entre los elementos elásticos intracelulares, la Titina juega un papel
importante en el sostenimiento del esqueleto sarcomérico y en la
generación de fuerza elástica. Además, al ser un tipo de muelle no
lineal, su rigidez y elasticidad puede cambiar notablemente por
efecto del estiramiento y de la presencia de calcio iónico
La matriz extracelular juega un papel fundamental en la transmisión
de fuerzas de una célula a otra y posee las claves para la transducción
de las señales mecánicas en señales químicas entendibles por la célula
y en señales mecánicas directas sobre la transcripción en el núcleo
Las vías de activación citoplásmicas suelen originarse en cambios en la
concentración de calcio iónico y terminan activando factores de
transcripción y nuevas expresiones genéticas de proteinas musculares
RESUMEN 2
Dr. J. Ribas
Los estiramientos tanto pasivos como activos, además de generar
tensión, contribuyen a la activación de señales celulares para la
regulación de componentes del citoesqueleto y del fenotipo fibrilar
El rango de efectividad de los estimulos de estiramientos es proporcional
a la tensión pico y al impulso mecánico. Los estiramientos durante una
contracción isométrica serán más efectivos que los pasivos.
Dada la repercusión de la fatiga en los picos de fuerza, no parecen
recomendables ejercicio de fuerza de más de 30-60 s cuando se pretende
modificar el fenotipo muscular
La contribución de los músculos antagonistas y sinergístas es importante
para mejorar el rango de trabajo en el segmento óptimo de la curva
longitud-tensión
En sentido contrario, la falta de estímulos (por no uso), puede desactivar
buena parte de las vias de activación genética
Dr. J. Ribas
FINAL