El Cedazo

Estamos hechos para movernos. Buscar comida, huir del peligro, encontrar pareja… los animales sobrevivimos usando esta estrategia, fruto de millones de años de evolución. Parece sencillo de tan habitual que nos resulta. Y realmente es algo sencillo, pero como todo lo relacionado con la biología y la fisiología, con un aderezo de lo que siempre me parece una asombrosa complejidad. Los músculos, bajo la batuta de las decisiones del encéfalo, son los que mueven nuestra estructura esquelética cual perfecto robot mecánico ¿Alguna vez nos hemos preguntado cómo es el motor que lo hace funcionar? Hoy vamos a explicar esta maravilla de la nanotecnología biológica.

Un guepardo en pleno sprint. Actividad muscular suprema… casi se oye el sigiloso deslizar de los sarcómeros (Wikimedia, CC BY-SA 3.0)

La base del movimiento esquelético -y algún otro, como las expresiones faciales o el palpitar cardíaco- está en la propiedad de los músculos estriados^[1] por la cual pueden estirar o encoger su longitud. A poco que sepamos de anatomía está claro que músculos hay de todos los tipos y tamaños, y que podemos imaginar que la base de la facultad de elongación se debió inventar una sola vez, lo que quiere decir que debe ser única y general para todos ellos. Y así es. La elasticidad muscular se consigue a través de una unidad de acción mínima -del orden de 2,5 micras- con capacidad de alargarse hasta el doble o encogerse a la mitad, más o menos. Con ese nanomotor, cual si fuera una pieza de LEGO, la naturaleza puede construir, según sus necesidades, desde el músculo más grande de nuestro cuerpo, el glúteo, al pequeño estapedio que fija al huesecillo estribo en el oído.

Con estas minúsculas piezas elementales -los sarcómeros, etimológicamente “unidades de carne”- la biología organiza largos trenes -las miofibrillas-^[2] que a su vez se agrupan en manojos, formando las alargadas células musculares que a su vez se aglomeran en haces que constituyen los músculos. Cuando se contraen todos los elementos de ese ejército de sarcómeros, el músculo se contrae; se distiende la “compañía” y entonces se distiende el músculo.

Organización, cuasi de parada militar, de las unidades motoras musculares. Las fibras musculares realmente son las células musculares. La miofibrilla es un tren longitudinal de sarcómeros (Wikimedia, CC BY-SA 4.0)

Imaginémonos, por un instante, que somos un ingeniero con el encargo de diseñar una pieza con las características de las que estamos hablando. Básicamente podríamos pensar en una cápsula flexible que encuadre el mecanismo motor (ver imagen de abajo). En su interior, una pieza fija dentada unida a los extremos de la capsula: el elemento estático del nanomotor. También en su interior un elemento móvil, así mismo dentado de forma que pueda engranar con el elemento fijo, que gracias a una fuente de energía externa genera una fuerza de arrastre sobre el mecanismo fijo. Como este último está unido a los extremos de la cápsula exterior, y ésta es flexible, el resultado será la contracción o la elongación del conjunto. Solo hará falta idear algún artilugio auxiliar mediante el cual el engranar de las dos piezas, fija y móvil, pueda ser controlado a voluntad: la cápsula -el músculo- tiene que poder volver fácilmente a su posición de reposo.

Y así es como la Naturaleza y la Evolución, una vez más, se graduaron en ingeniería eficiente. Porque el sarcómero es, ni más ni menos, el dispositivo que hemos descrito tan sucintamente. Pasemos a detallar sus piezas de forma muy, muy, elemental. Pedimos disculpas en aras de una mejor comprensión.

[1] Una especie de malla cilíndrica, cuyos hilos son pequeños tubitos, conforma el recipiente exterior del sarcómero. Se la conoce como retículo sarcoplasmático. El que sea una malla es importante, ya que facilita el que las miofibrillas estén inmersas en el líquido citoplasmático de la célula muscular y no constituyan una cápsula estanca dentro del miocito.^[3] A su vez, el que sus hilos sean huecos permite una fácil distribución de la química necesaria para su función.

Estructura de una fibra -la auténtica célula del tejido muscular- de músculo esquelético en donde podemos ver la malla que constituye el retículo sarcoplasmático (Wikimedia, CC BY-SA 3.0)

[2] El elemento móvil. Formado por filamentos de miosina.^[4] La proteína miosina puede adoptar varias formas. Una de ellas, la del tipo II, está formada por dos largas cadenas trenzadas, con la característica de que cada una de ellas, en uno de sus extremos, se engrosa formando una cabeza. Las dos cabezas están unidas en sus “cuellos” por una subunidad de la misma proteína, que hace como una corbata de ligazón. Con varias de estas unidades elementales se puede trenzar una larga “soga”, de cuyos laterales, en gran parte de su longitud, emergerán las “cabezas” cual ristra de ajos.

Dichas cabezas pueden bascular adelante y atrás, y lo pueden hacer gracias a la energía que les aporta las moléculas de ATP -Adenosinn Trifosfato-,^[5] auténticas pilas biológicas de energía. Sorprendentemente, la geometría y polaridades de la proteína en sus cabezas es tal que presenta una gran afinidad con determinadas posiciones de otra proteína, la actina. Estos filamentos de miosina gozan de una cierta independencia con el retículo sarcoplasmático, siendo incluso más corto que éste, lo que da el juego suficiente como para que pueda encogerse o alargarse.

A la izquierda la molécula doble de miosina tipo II con sus cabezas. A la derecha disposición de la miosina en el sarcómero. (Imágenes elaboradas a partir de otra de la red, fair use)

[3] El elemento fijo. Formado por filamentos de actina.^[6] Otra proteína, la actina, también tiene una estructura de polimerización en forma de dos largas cadenas trenzadas en hélice. Sorprendentemente también, algunos de los monómeros de estas fibras encajan y tienen afinidad con las cabezas de las fibras de miosina.

Su posición dentro del sarcómero es tal que uno de los extremos de esta fibrilla está unida a un extremo de la malla contenedora (ver imagen siguiente).

[4] Ensamblaje general. Ambos tipos de filamentos, los de miosina y los de actina, se disponen longitudinalmente unos contra otros, conformando una estructura hexagonal tipo panal de abeja. Esas unidades rodeadas por sus retículos son las que en un párrafo anterior comentábamos que forman largos trenes llamados miofibrillas.

Vista simplificada del sarcómero completo y su disposición de filamentos de actina y miosina (Imagen elaborada a partir de otra de la red, fair use)

[5] El mecanismo de acoplamiento/liberación del conjunto actina/miosina. Con lo dicho anteriormente ya podemos imaginar que de alguna forma las cabezas móviles de la miosina engarzarán con las posiciones afines de la actina gracias a un artilugio físico-químico, para luego, mediante un movimiento energizado por el ATP, arrastrar longitudinalmente a la larga cadena “engranada” de actina, acción por la cual los extremos del retículo sarcoplasmático se aproximarán o alejarán. En síntesis, ésa es la mecánica elemental de la contracción/elongación muscular.

(Imagen elaborada a partir de otra de la red, fair use)

[6] La llave de apertura/cierre del proceso. Pero aquí viene otro dato sorprendente del artilugio. Habíamos dicho que “Solo hará falta idear algún mecanismo auxiliar por el que el engranar de las dos piezas, fija y móvil, pueda ser controlado a voluntad. La cápsula -el músculo- tiene que poder volver a su posición de reposo fácilmente”. Pues bien, la actina tiene acoplada a lo largo de sus fibras otras proteínas más ligeras que son afines al ion Ca²⁺: lo que en la figura de abajo se denomina como complejo troponina.^[7] Lo bonito del caso es que cuando desde el interior del retículo endoplasmático se perfunde este ion hacia el líquido citoplasmático interno del sarcómero, estas pequeñas proteínas se unen al ión calcio, lo que hace rotar la posición de otra proteina, la tropomiosina,^[8] íntimamente entrelazada con el filamento de actina. El resultado es que los puntos miosinofílicos de la actina quedan al descubierto en una posición enfrentada a los puntos afines -actinofílicos- de las cabezas de la miosina. Con ello se da la posibilidad de que, realmente, las posiciones homólogas en las cabezas de la miosina y en los filamentos de la actina puedan quedar enlazadas.

Liberación de los puntos miosinófilos de la actina mediante la acción del calcio en el complejo troponina (Imagen elaborada a partir de otra de la red, fair use)

[7] Dinámica general (figura de abajo). Este movimiento de iones y polímeros sucede cuando un axón de una neurona α-motora da la indicación de “muévase” al músculo.^[9] El movimiento químico de neurotransmisores en la sinapsis neurona-célula muscular induce la liberación de calcio en el interior de esta última, lo que hará que los puntos miosinófilos precisos de la actina queden al descubierto enfrentándolos a algunas de las cabezas de la miosina con las que se van a acoplar (ver figura anterior). La aproximación de una molécula de ATP a una cabeza de miosina y su inmediata rotura por hidrolización en ADP y fósforo, proporciona la energía y el impulso suficiente como para mover dicha cabeza acoplada a la actina, como un pequeño cabeceo (ver dos imágenes más arriba). Este cabeceo va a arrastrar al filamento de actina, provocando un diminuto desplazamiento, lo que a la postre significa que la longitud del sarcómero se ha modificado. Hágase esto a la vez con muchas cabezas y con muchos filamentos y se obtendrá un pequeño, pero apreciable, cambio en la longitud del sarcómero. Manténgase la señal nerviosa de “muevete”, lo que sabemos que mantendrá Ca²⁺ disponible para rotar a la tropomiosina, todo ello en un líquido citoplasmático cuajado de ATP y… este pequeño desplazamiento se convertirá en uno grande.

A la izquierda/abajo, la relación miosina-actina en estado de reposo. A la derecha la misma interacción tras la señal neuronal de “muévete”: [1] neurotransmisores en sinapsis, [2] entrada de calcio, [3] descubierta de la actina, “engranaje” con la miosina y “cabeceo” de esta que produce el cambio de longitud del sarcómero (Imagen elaborada a partir de otra de la red, fair use)

Ese es el nanomotor muscular y las consecuencias de su acción. Sencillo, ¿no? Un poco de química y electromagnetismo… y a batir el récord de los 100 metros lisos. En la red hay infinidad de vídeos que permiten imaginar como una película en 3D todo el proceso de tamaña magia mecano-química. Podéis bucear y quedaros con la boca abierta mirando cualquiera de ellos. Yo os propongo uno que explica con mucha claridad cómo es el proceso en su conjunto: pinchad aquí. Que lo disfrutéis.

1. El músculo estriado es un tipo de músculo compuesto por fibras largas que están rodeadas por una membrana celular, el sarcolema. Dichas fibras musculares son realmente células alargadas en las que se observa, al verlas a través de un microscopio, estrías longitudinales y transversales que mantienen el mismo grosor en toda su extensión. Esas fibras -células musculares- poseen abundantes filamentos, las miofibrillas. El diámetro de las fibras musculares estriadas esqueléticas oscila entre 10 y 100 micrómetros. [↩]
2. Las miofibrillas son haces cilíndricos de dos tipos de filamentos: filamentos gruesos de miosina (aproximadamente de 15nm de diámetro) y filamentos delgados de actina (alrededor de 7nm de diámetro). Cada miofibrilla se estructura a modo de una cadena de unidades contráctiles llamadas sarcómeros, que son los responsables de la apariencia estriada de los músculos cardíaco y esquelético. [↩]
3. El miocito es la célula del tejido muscular. Constituye el elemento contráctil básico del músculo liso y estriado. [↩]
4. La miosina es una proteína fibrosa, cuyos filamentos tienen una longitud uniforme de 1,6 micrómetros y un diámetro de 15 nm que, conjuntamente con la actina, permiten principalmente la contracción de los músculos e interviene en la división celular y el transporte de vesículas en el interior de las células. La miosina es la proteína más abundante del músculo esquelético. Representa entre el 60% y 70% de las proteínas totales. [↩]
5. ATP = ADP(Adenosin Difosfato) + Fósforo(P) + energía [7,7 kcal/mol]. [↩]
6. La actina es una familia de proteínas globulares que forman los microfilamentos, uno de los componentes fundamentales del citoesqueleto de las células de los organismos eucariotas. Puede encontrarse como monómero en forma libre, denominada actina G, o como parte de polímeros lineales denominados microfilamentos o actina F, que son esenciales para funciones celulares tan importantes como la movilidad y la contracción de la célula durante la división celular. [↩]
7. El complejo troponina está formado por una agrupación de tres tipos de la proteina troponina, la T, la C y la I. La forma T es la subunidad que empuja a la tropomiosina, la forma C es capaz de ligar a los iones de calcio mientras que la forma I  es la llave para que los centros de unión de la actina tapados por la tropomiosina queden, o no, al descubierto. [↩]
8. La tropomiosina es una proteína fibrosa que, en forma de dímeros alargados, se sitúa sobre el surco de la hélice de actina F o cerca de éste. [↩]
9. En una miniserie de El Cedazo titulada “El cuento de la neurona“ podéis encontrar una información adicional de este proceso que os puede resultar útil. Sobre todo, en la tercera entrada. [↩]

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