Em formação

Uso duplo de ATP no relaxamento da miosina e no transporte ativo de cálcio?


A molécula de ATP que está ligada à cabeça da miosina para relaxamento do músculo (ou seja, para quebrar a ponte cruzada) também é utilizada para transporte ativo de cálcio para o retículo sarcoplasmático durante o relaxamento muscular?


O ATP é usado (hidrolisado) por bombas de íons para transportar íons como o cálcio contra seu gradiente de concentração.

Motores moleculares (como miosina e cinesina) também acoplam a hidrólise de ATP ao movimento.

No entanto, esses processos são separados e só porque as mudanças no fluxo de cálcio acontecem durante a contração muscular, não significa que seja o mesmo ATP que impulsiona algum tipo de enzima bifuncional para realizar as duas tarefas.

Além disso, o cálcio é liberado durante a fase de contração do retículo sarcoplasmático (RS); O bombeamento de cálcio de volta para o RS ocorre durante a repolarização (não há movimento da miosina neste estágio).


Por que o ATP é necessário para a contração do músculo esquelético?

Quando os músculos se contraem, o comprimento do sarcômero (distância entre as linhas Z *) diminui. ATP é necessário para o processo de ciclismo de ponte cruzada o que permite que o sarcômero encurte. As etapas do ciclismo de ponte cruzada são as seguintes:

Quando ADP ** está vinculado a miosina cabeças, eles são capazes de se ligar a actina filamentos da miofibrila adjacente para formar uma ponte cruzada. Uma vez que eles estão ligados, os filamentos de miosina mudam seu ângulo, puxando os filamentos de actina em um curso de potência, liberando a molécula de ADP no processo. Isso faz com que o sarcômero encurte. Agora, uma molécula de ATP se liga à cabeça da miosina, fazendo com que ela se desprenda do filamento de actina. A enzima ATPase catalisa a quebra de ATP em ADP e fosfato inorgânico, que libera energia para a cabeça da miosina retornar à sua posição original em um AVC de recuperação. Lembre-se de que a miosina só pode se ligar à actina quando tem ADP ligado, então a miosina agora está posicionada para se ligar mais uma vez a outra molécula de actina para contrair ainda mais o músculo, e nosso ciclo continua. Crucialmente, precisamos de ATP para permitir que a ponte cruzada de actina-miosina se desprenda e libere energia por meio de sua hidrólise para permitir que a cabeça da miosina retorne à sua posição de repouso. Sem esse papel vital do ATP, as pontes cruzadas ficarão permanentemente ligadas e o músculo não será capaz de se contrair mais, relaxar ou iniciar uma nova contração. É por isso que, após a morte, quando o ATP não está mais sendo produzido através da respiração, os músculos são permanentemente contraídos, uma condição conhecida como rigidez cadavérica.

O ATP também é necessário para permitir que o músculo esquelético evite novas contrações quando um músculo não é mais estimulado. Se você se lembra, quando um músculo esquelético é estimulado a se contrair, precisamos de cálcio para se ligar à proteína globular troponina, que faz com que a proteína filiforme tropomiosina (que se envolve em torno do filamento de actina) para se afastar, deixando a actina livre para se ligar à miosina. Para impedir que um músculo se contraia continuamente após o término de sua estimulação, o cálcio é absorvido novamente pelo retículo sarcoplasmático *** por transporte ativo através de cálcio ATPase. Isso requer energia da hidrólise do ATP.

* A linha Z marca o final do sarcômero e é o ponto de fixação dos filamentos de actina em cada extremidade do sarcômero.
** O ADP é um dos produtos da hidrólise do ATP pela seguinte reação: ATP à ADP + Pi (+ energia liberada).
*** o retículo endoplasmático especializado do músculo.


ATP e contração muscular

O movimento do encurtamento muscular ocorre quando as cabeças da miosina se ligam à actina e puxam a actina para dentro. Esta ação requer energia, que é fornecida pelo ATP. A miosina se liga à actina em um local de ligação na proteína actina globular. A miosina tem outro sítio de ligação para o ATP, no qual a atividade enzimática hidrolisa o ATP em ADP, liberando uma molécula de fosfato inorgânico e energia.

A ligação do ATP faz com que a miosina libere actina, permitindo que a actina e a miosina se separem uma da outra. Depois que isso acontece, o ATP recém-ligado é convertido em ADP e fosfato inorgânico, Peu. A enzima no local de ligação da miosina é chamada de ATPase. A energia liberada durante a hidrólise do ATP muda o ângulo da cabeça da miosina para uma posição “inclinada”. A cabeça de miosina está então em posição de movimento posterior, possuindo energia potencial, mas ADP e Peu ainda estão anexados. Se os locais de ligação da actina estiverem cobertos e indisponíveis, a miosina permanecerá na configuração de alta energia com ATP hidrolisado, mas ainda ligada.

Se os locais de ligação da actina forem descobertos, uma ponte cruzada se formará, ou seja, a cabeça da miosina abrange a distância entre as moléculas de actina e miosina. Peu é então liberado, permitindo que a miosina gaste a energia armazenada como uma mudança conformacional. A cabeça de miosina se move em direção à linha M, puxando a actina junto com ela. Conforme a actina é puxada, os filamentos se movem aproximadamente 10 nm em direção à linha M. Esse movimento é chamado de golpe de força, pois é a etapa em que a força é produzida. Conforme a actina é puxada em direção à linha M, o sarcômero encurta e o músculo se contrai.

Quando a cabeça de miosina está “inclinada”, ela contém energia e está em uma configuração de alta energia. Essa energia é gasta conforme a cabeça de miosina se move através do golpe de força no final do golpe de força, a cabeça de miosina está em uma posição de baixa energia. Após o golpe de força, o ADP é liberado, no entanto, a ponte cruzada formada ainda está no lugar e a actina e a miosina estão ligadas. O ATP pode então se ligar à miosina, o que permite que o ciclo da ponte cruzada comece novamente e mais contração muscular possa ocorrer (veja a figura abaixo).

Assista a este vídeo explicando como uma contração muscular é sinalizada.

Art Connection

O ciclo de contração muscular da ponte cruzada, que é desencadeado pela ligação do Ca 2+ ao sítio ativo da actina, é mostrado. A cada ciclo de contração, a actina se move em relação à miosina.

Qual das seguintes afirmações sobre a contração muscular é verdadeira?

  1. O golpe de força ocorre quando o ATP é hidrolisado em ADP e fosfato.
  2. O golpe de força ocorre quando o ADP e o fosfato se dissociam da cabeça da miosina.
  3. O golpe de força ocorre quando o ADP e o fosfato se dissociam do sítio ativo da actina.
  4. O golpe de força ocorre quando o Ca 2+ se liga à cabeça de cálcio.

Responder

O golpe de força ocorre quando o ADP e o fosfato se dissociam da cabeça da miosina.

Veja esta animação da contração muscular da ponte cruzada.

[Atribuições e licenças]

Este artigo está licenciado sob uma licença CC BY-NC-SA 4.0.

Observe que o (s) vídeo (s) nesta lição são fornecidos sob uma Licença Padrão do YouTube.


Fisiologia muscular e o estado SRX da miosina

Miosina RLC regula o estado de miosina SRX

Há muito se sabe que a fosforilação-desfosforilação de RLC atua como um interruptor binário "liga" - "desliga" para ativar a atividade da miosina do músculo liso (revisado em Trivedi et al., 2018). Há uma forte propensão da miosina de músculo liso não fosforilada a dobrar para o estado IHM. As miosinas de músculo estriado não são "ligadas" e "desligadas" desta forma. No entanto, a fosforilação de RLC é conhecida por ajustar a função da miosina estriada de várias maneiras diferentes (Yu et al., 2016). Os primeiros estudos mostraram que a fosforilação afeta o arranjo das cabeças da miosina nos filamentos do músculo esquelético (Levine et al., 1996). Também há evidências de desregulação da fosforilação do RLC em diferentes modelos de insuficiência cardíaca e corações com cardiomiopatia dilatada (Huang et al., 2008 van der Velden et al., 2003 Toepfer et al., 2013). No nível molecular, vários achados levaram à hipótese de que no estado relaxado do sarcômero de músculo estriado, quando uma subpopulação de RLCs não é fosforilada, uma fração das cabeças de miosina é mantida para baixo na espinha dorsal do filamento em que a miosina é considerado no estado IHM (revisado por Craig e Woodhead, 2006 e Alamo et al., 2018). A fosforilação dos RLCs, então, faz com que essas miosinas se tornem mais vagamente associadas à estrutura do filamento, facilitando as interações de ponte cruzada com a actina (revisado em McNamara et al., 2015 e Trivedi et al., 2018), sugerindo um ajuste fino do funcional 'on estado 'e' desligado 'da miosina. O que isso significa em termos de equilíbrio do estado DRX↔SRX da miosina? O primeiro estudo a relatar a capacidade da fosforilação de RLC em despovoar o estado SRX da miosina foi em fibras musculares esqueléticas de coelho (Stewart et al., 2010) e subsequentemente reproduzida em músculo esquelético de tarântula (Naber et al., 2011). Uma observação semelhante foi feita onde uma versão fosfomimética do RLC, S15D, no fundo mutante R58Q RLC causador de HCM, despovoou o estado SRX em fibras musculares papilares suínas esfoladas (Yadav et al., 2019). Este relatório é discutido mais detalhadamente na seção 'Estado de doença e moduladores terapêuticos do estado SRX da miosina'. Em filamentos grossos de miosina cardíaca porcina de comprimento total reconstituídos, também foi relatado recentemente que a fosforilação do RLC com MLCK ou a depleção de RLC diminui a população de miosina no estado SRX (Gollapudi et al., 2020a). Todas essas observações juntas sugerem uma mudança mediada pela fosforilação de RLC no estado de equilíbrio DRX↔SRX em direção ao estado DRX da miosina. Esta mudança em direção ao estado DRX foi correlacionada com o despovoamento do estado IHM estrutural após a fosforilação de RLC (Alamo et al., 2016). A observação de que os fatores que afetam o RLC também afetam a população do estado SRX não é surpreendente se assumirmos que o estado IHM é a principal fonte do estado SRX, pois os dois RLCs se ligam formando uma das principais interfaces de estabilização o estado IHM (Alamo et al., 2016).

A cadeia leve essencial da miosina pode ser essencial para o estado SRX da miosina

O papel da cadeia leve essencial (ELC) e como a ligação de Ca 2+ ao ELC (no domínio regulador de vieira contendo duas cadeias leves junto com um pequeno fragmento da cadeia pesada) regula a contração do músculo molusco tem sido o foco de estudo nos laboratórios de Andrew Szent-Gyorgyi e outros (Szent-Györgyi, 1975 Fromherz e Szent-Györgyi, 1995 Chantler, 2006 Trybus, 1994). Foi demonstrado que a ligação de Ca 2+ a ELC ativa enzimaticamente e estruturalmente a miosina a partir de seu estado "desligado" semelhante a IHM (Woodhead et al., 2013). No entanto, o papel da ELC no músculo cardíaco, esquelético ou liso não é bem compreendido. Vários laboratórios demonstraram que uma extensão N-terminal específica do ELC pode desempenhar um papel essencial na regulação da função motora da miosina e produção de força no músculo estriado (Kazmierczak et al., 2009 Muthu et al., 2011 Guhathakurta et al., 2015) . Recentemente, a hipótese de que este domínio N-terminal do ELC cardíaco funciona como um ligante molecular da interação actina-miosina, regulando o equilíbrio do estado DRX↔SRX, foi testada no músculo papilar de camundongos projetados para expressar um ELC sem seu N -terminal 43 aminoácidos (Tg-Δ43). A falta do terminal N do ELC em camundongos resultou em um aumento significativo na população de miosina no estado SRX, diminuindo assim a proporção de cabeças de miosina que estão disponíveis para interagir com a actina (Sitbon et al., 2020). Em concordância, a miosina purificada de corações Tg-Δ43 mostrou utilização de ATP significativamente diminuída e baixa miosina ATPase ativada por actina em comparação com a de corações de tipo selvagem (WT). Embora os estudos sejam limitados, esta observação postula o papel da ELC na regulação do estado SRX da miosina e exige mais estudos no futuro para solidificar a hipótese. Ao todo, ambas as cadeias leves associadas às miosinas estriadas parecem desempenhar um papel definidor no controle da população de miosina no estado SRX, funcionando assim como interruptores reguladores da contratilidade muscular.

Idade, sexo e regulação hormonal do estado SRX da miosina

No músculo esquelético relaxado, estimou-se que

50% das miosinas permanecem no estado SRX, e o restante está no estado DRX (Stewart et al., 2010 Cooke, 2011). Sabe-se também que independente do tamanho do músculo ou da presença de doenças neurológicas ou musculares, ocorre uma perda progressiva da força muscular com o envelhecimento, denominada dinapenia. Esse comprometimento da contratilidade do músculo esquelético relacionado à idade é mais proeminente em mulheres na pós-menopausa do que em homens da mesma faixa etária. Portanto, é essencial entender se o envelhecimento e o sexo podem alterar o equilíbrio do estado DRX↔SRX da miosina ou alterar as propriedades do estado SRX. Esta hipótese foi testada no músculo psoas de camundongos C57BL / 6 machos e fêmeas jovens (3-4 meses de idade) e idosos (26-28 meses de idade), e nenhum efeito significativo na população SRX em função da idade ou sexo ( Phung et al., 2018) foram observados. No entanto, apenas para camundongos fêmeas, o tempo de ciclo de ATPase da miosina em ambos os estados DRX e SRX foi significativamente mais rápido com a idade. Sabe-se que o hormônio ovariano estradiol é o principal sinal hormonal para o músculo esquelético em mulheres, e sua deficiência é prejudicial à miosina e à função muscular. Em um estudo anterior (Colson et al., 2015) pelo mesmo laboratório, experimentos de turnover único em camundongos C57BL / 6 ovariectomizados revelaram duas populações distintas de miosina nos estados SRX e DRX em uma proporção semelhante às populações vistas no controle camundongos. No entanto, a taxa de renovação de ATP da população SRX foi significativamente aumentada em comparação com os controles não operatórios. Este efeito foi revertido para o controle WT por um tratamento crônico de 60 dias das camundongas ovariectomizadas com estradiol, mas não pelo tratamento do músculo psoas isolado com estradiol, sugerindo que a sinalização mediada por estradiol regula reversivelmente a lenta renovação do ATP pela miosina. No geral, os autores desses estudos argumentam que o envelhecimento das mulheres, que leva à depleção do hormônio estradiol, muda a miosina muscular mais em direção a um estado semelhante ao DRX com um ciclo de ATP mais rápido. Os autores levantam a hipótese de que isso poderia resultar em um acúmulo de complexos de actomiosina fracamente ligados, possivelmente competindo com os existentes fortemente ligados, levando assim a uma desaceleração da cinética da ponte cruzada e ao aumento da fraqueza com a idade. Uma possibilidade alternativa pode ser que a mudança para mais cabeças DRX possa ser compensatória para a perda de fibras musculares, em vez da causa da perda de contratilidade. Esses estudos podem sugerir as diferenças moleculares nas características musculares entre os sexos e grupos de idade, e muito mais investigações nessa direção seriam necessárias para provar qualquer uma das hipóteses.

O papel do cálcio na regulação do estado SRX da miosina

O Ca 2+ desempenha um papel significativo em uma variedade de processos biológicos no corpo. Um desses processos bem estudados é a ativação da contração do músculo esquelético e cardíaco mediada pela ligação direta de Ca 2+ ao complexo de filamentos finos regulado por actina-tropomiosina-troponina (revisado por Ebashi e Endo, 1968, e Gordon et al., 2000). Conforme discutido anteriormente, a ligação de Ca 2+ à miosina de vieira desestabiliza a miosina do estado "desligado" semelhante a IHM, um mecanismo que não foi evolutivamente propagado no sistema de vertebrados. Alguns trabalhos iniciais dos laboratórios de Richard Moss e outros mostraram que a sensibilidade ao Ca 2+ da taxa de desenvolvimento de força no músculo esquelético de vertebrados é mediada em parte pela subunidade RLC da ponte cruzada de miosina (Metzger et al., 1989 Metzger e Moss, 1992 Metzger e Moss, 1990 Metzger e Moss, 1991). Outros estudos propuseram a importância de cátions divalentes como Ca 2+ e Mg 2+ na estabilidade do estado SRX da miosina (Nogara et al., 2016a). Só recentemente um estudo relatou que a ligação de Ca 2+ e não de Mg 2+ aos filamentos de miosina cardíaca porcina reconstituída despovoou o estado SRX da miosina, propondo assim a ativação mediada por Ca 2+ do filamento espesso como uma regulação adicional do vertebrado músculo (Sa et al., 2019). Se este mecanismo se aplica a todos os tipos de sistemas esqueléticos e cardíacos é debatido (Irving, 2017) e permanece uma área ativa de investigação. Se, de fato, a regulação mediada por Ca 2+ da população de miosina SRX se mantiver, seria mais uma forma evolutiva de regular a contratilidade muscular, especialmente no contexto do coração batendo. Mais estudos investigando o papel do Ca 2+ na regulação da miosina são necessários.

Energética muscular e o papel do ADP no controle do estado SRX da miosina

Fenotipicamente, com base em propriedades como força contrátil e velocidades, as fibras musculares esqueléticas podem ser categorizadas como lentas ou rápidas, dependendo das diferentes isoformas de miosina que expressam. Portanto, as taxas metabólicas de todo o músculo e o desempenho dependem da distribuição e proporção desses diferentes tipos de músculos. Recentemente, foi demonstrado que o tipo de músculo esquelético rápido tem uma população menor de miosinas no estado SRX do que o tipo de músculo lento (Phung et al., 2020), sugerindo maior consumo de energia pelos tipos de músculos rápidos. Este maior consumo de energia em repouso pelas fibras musculares rápidas pode contribuir para diferenças na taxa metabólica basal de todo o corpo e fornecer informações adicionais para a compreensão da energia muscular.

Além disso, disfunções relacionadas à energia estão na base de muitas doenças comuns, como distúrbios mitocondriais, que muitas vezes afetam os principais órgãos consumidores de energia do corpo, como músculo esquelético e cardíaco, cérebro, fígado e rins. Por exemplo, no contexto da contratilidade cardíaca, as enzimas dependentes de ATP são necessárias para a sístole (por exemplo, miosina) e diástole (por exemplo, SERCA). Foi adivinhado que

Acredita-se que 60–70% do ATP gerado no músculo cardíaco seja utilizado pelas miosinas (Barclay, 2015). Portanto, qualquer perda de energia química levaria a uma insuficiência cardíaca que não pode atender aos requisitos hemodinâmicos do corpo. É importante notar que a quantidade de ATP produzida e usada por minuto é muitas vezes maior do que o tamanho do pool de ATP existente, enfatizando que manter um alto suprimento de ATP é extremamente importante para manter a função cardíaca. É concebível que a hipercontratilidade do coração devido a condições de doença como CMH ou efeitos de inotrópicos possa perturbar a relação [ADP] / [ATP] e causar desequilíbrios metabólicos (Ingwall e Weiss, 2004). Alguns estudos relataram o papel do ADP na manifestação do estado SRX da miosina. Por exemplo, nas fibras musculares esqueléticas rápidas e lentas de coelhos, a ligação do ADP à miosina liga o motor da miosina fortemente à actina e desloca as proteínas reguladoras, ativando a fibra. Esta ação resulta em um possível despovoamento mediado por cepas do estado SRX da miosina e, portanto, ligação de mais cabeças de miosina à actina (Stewart et al., 2010).Da mesma forma, após o tratamento com ADP, as taxas de renovação do estado SRX aumentadas também foram observadas nas fibras do músculo psoas de camundongo (Phung et al., 2018). Esses estudos sugerem que o filamento espesso no músculo esquelético, ao se ligar ao rigor à actina, pode sofrer uma desestabilização mediada por deformação da população SRX. Um mecanismo semelhante também foi observado em miosinas de miofibrilas esqueléticas lentas sóleo de rato (Nelson et al., 2020). No entanto, Hooijman et al., 2011 observaram que tal desestabilização mediada por ADP da população SRX no tecido cardíaco é afetada em menor extensão pelos estados de rigor-ADP das cabeças de miosina adjacentes do que é observado nas fibras esqueléticas. Os autores argumentam que isso pode ser explicado por uma natureza cooperativa muito mais fraca das miosinas no músculo cardíaco em comparação com as do músculo esquelético. Além disso, muitos outros fatores, como as diferenças nas isoformas e nos níveis de fosforilação de outras proteínas, como miosina RLC, MyBPC e titina, podem contribuir para essas diferenças na cooperatividade da miosina e é uma área aberta de investigação.

Curiosamente, no músculo esquelético, quando a desregulação mediada por ADP do estado SRX da miosina foi estudada em comprimento de sarcômero longo (sem sobreposição de actina-miosina), o ADP não alterou o número de miosinas na população SRX, mas aumentou significativamente o turnover de ATP taxas dessas miosinas, sugerindo que a ligação do ADP a algumas cabeças de miosina aumenta a taxa de liberação de fosfato das cabeças adjacentes (Stewart et al., 2010). Recentemente, usando miosina cardíaca porcina, Gollapudi et al., 2020a também mostraram uma desestabilização mediada por ADP da população SRX de miosina em filamentos grossos de miosina reconstituída, mas não no subfragmento S1 de miosina ou meromiosina pesada (HMM), sugerindo um relé mecanismo de uma desestabilização cooperativa da população SRX, através das caudas proximal e distal da miosina dentro do filamento espesso, que está ausente nas construções de miosina mais curtas. Esses estudos são consistentes com a observação de que a ligação do ADP produz uma configuração aberta de miosina e interrompe a ordenação helicoidal do filamento espesso em uma fibra do músculo psoas de coelho superestendida (Xu et al., 2003). Todos esses resultados juntos sugerem o mecanismo cooperativo do filamento espesso onde uma miosina ligada ao ADP (e, portanto, não é provável que esteja no estado SRX) pode diminuir estrutural e funcionalmente a população de outras miosinas no estado SRX (aquelas que ainda têm não perdeu seu fosfato), possivelmente transformando as cabeças de miosina adjacentes em um estado "ligado" mais desordenado. Essas observações podem sugerir que em muitos distúrbios musculares metabólicos, incluindo na CMH, onde há um acúmulo de ADP no corpo, as miosinas estariam mais no estado ativo semelhante ao DRX, consumindo ainda mais energia do que o normal, exacerbando o efeito .

Temperatura: aumentando o calor para estabilizar a população SRX de miosina

A temperatura desempenha um papel vital em ditar a dinâmica de quase todos os processos biológicos do corpo, e não é surpreendente que a temperatura afete o equilíbrio do estado DRX↔SRX da miosina. Por exemplo, no músculo esquelético, a temperatura mais alta induz uma proporção maior de cabeças de miosina no estado SRX e retarda o tempo de renovação de ATP para essas miosinas (Stewart et al., 2010), possivelmente por preencher a miosina no ADP pré-golpe de força. Estado Pi. Muitos estudos dependentes da temperatura monitorando a conformação da miosina também comprovaram a formação de mais miosinas no estado estrutural 'desligado' e a estabilização da estrutura helicoidal ordenada do filamento espesso com um aumento na temperatura (Xu et al., 2003 Fusi et al., 2015 Caremani et al., 2019). Isso não é surpreendente. Devido ao efeito hidrofóbico, a maioria das interações proteína-proteína são mais fortes em temperaturas mais altas. No entanto, em um sistema de miosina cardíaca bovina purificado, Rohde et al., 2018 observaram que com o aumento da temperatura, a fração de miosina no estado SRX diminuiu em um sistema S1 e não teve efeito no sistema HMM, ao contrário do que foi observado por o estudo anterior de Stewart et al., 2010 em fibras musculares esqueléticas. Juntas, essas observações sugerem que a rede de interações moleculares que governam o estado SRX em um sistema de fibra muscular mais complicado são diferentes daquelas em um sistema HMM ou S1 purificado, o que pode dar origem a diferentes dependências de temperatura em diferentes sistemas. Também existe a possibilidade de uma diferença inerente entre a população de estados SRX nos sistemas musculares esquelético e cardíaco (Hooijman et al., 2011). Um estudo das mudanças na população de miosina SRX com mudanças de temperatura usando diferentes tipos de músculos de vários animais de sangue frio e quente lançaria mais luz sobre as interações moleculares que regulam a formação do estado SRX e pode nos ajudar a compreender a dinâmica muscular na hibernação animais.

O MyBPC auxiliar e seu papel na estabilização da população SRX de miosina

MyBPC é uma proteína associada a filamento espesso de múltiplos domínios no músculo esquelético e cardíaco conhecida por modular a cinética da ponte cruzada por meio da fosforilação de resíduos de serina no chamado domínio M. O terminal C do MyBPC se liga ao filamento espesso e o terminal N pode interagir com a cabeça da miosina e o filamento de actina. Vários estudos revisados ​​em McNamara et al., 2015 e Trivedi et al., 2018 sugeriram um papel de MyBPC na estabilização das cabeças de miosina perto do filamento espesso de miosina em um 'estado desligado' semelhante a IHM e fosforilação do M- os resíduos de serina do domínio deslocam o equilíbrio mais para um 'estado ativo' desordenado. Como isso se correlaciona com o equilíbrio do estado DRX↔SRX da miosina? Foi relatado pela primeira vez em um estudo com fibras musculares cardíacas esfoladas que camundongos knockout MyBPC homozigotos, mas não heterozigotos, têm uma diminuição significativa da população de miosina no estado SRX em comparação com WT (McNamara et al., 2016). Consistente com esta observação de cima para baixo, uma abordagem de baixo para cima com miosina cardíaca β humana purificada demonstrou recentemente que a população de miosina no estado SRX aumentou na presença do fragmento C0-C7 MyBPC (Sarkar et al., 2020) . Ambos os estudos sugerem que o MyBPC aumenta a população de miosina no estado SRX. Este trabalho é ainda discutido na seção ‘Causas de HCM e outras mutações na miosina desregulam o estado SRX da miosina’.

Em outro estudo com camundongos (McNamara et al., 2019), foi ainda mostrado que em uma versão fosfomimética tripla de MyBPC cardíaca (DDD serina → aspartato muda nos resíduos 273, 282 e 302 do domínio M de MyBPC), o A população de miosina SRX diminuiu significativamente em comparação com WT e versões triplas fosfo-abladas de MyBPC (alterações serina → alanina AAA nos resíduos 273, 282 e 302). Em uma investigação mais aprofundada das fosforilações específicas do local, os autores mostraram que uma versão fosfomimética do local ser 282 (ADA serina → alteração de aspartato no resíduo 282 e alterações de serina → alanina nos resíduos 273 e 302) foi suficiente para deslocar o DRX↔ Equilíbrio do estado SRX em direção ao estado DRX da miosina. Curiosamente, a versão fosfomimética reversa (alterações de DAD serina → aspartato nos resíduos 273 e 302, e serina → alteração de alanina nos locais do resíduo 282) não afetou o equilíbrio do estado DRX↔SRX da miosina. Como estudos anteriores, o tratamento de preparações WT com proteína quinase A reduziu a miosina no estado SRX. Em contraste, não houve efeito na versão fosfo-ablada das preparações MyBPC, reforçando a hipótese de que a fosforilação de MyBPC desempenha um papel regulador ao transformar a miosina de um estado funcional "desligado" para um mais funcional "ligado".

Dada a realidade de que o MyBPC se localiza na zona C do sarcômero, um relatório recente utilizou imagens fluorescentes de molécula única de miofibrilas esqueléticas sóleo de rato sob condições relaxadas para medir a cinética da hidrólise de ATP em diferentes regiões do sarcômero (Nelson et al. , 2020). Os autores resolveram espacialmente a hidrólise de moléculas individuais de ATP marcadas com fluorescência por miosinas na zona C, zona D e zona P. As zonas D e P são zonas do filamento espesso em direção às linhas Z e M, respectivamente, e são desprovidas de MyBPC. Os tempos de vida da miosina ATPase dentro da zona C foram significativamente mais longos do que aqueles das regiões flanqueadoras não contendo MyBPC. Além disso, dentro da zona C, duas populações diferentes de miosina correspondentes aos estados DRX e SRX foram observadas, enquanto nas regiões não contendo MyBPC, todas as miosinas estavam predominantemente no estado DRX, sugerindo que as miosinas SRX fortemente inibidas existem predominantemente dentro a zona C do sarcômero esquelético. Todas essas observações juntas constroem uma história onde a ligação do MyBPC às miosinas na zona C do sarcômero estriado preenche o estado SRX, e a fosforilação do MyBPC muda esse equilíbrio mais para o estado DRX. Esta observação está de acordo com a regulação estrutural dos filamentos grossos do músculo pelo MyBPC (revisado em McNamara et al., 2015 e Trivedi et al., 2018) e adiciona o MyBPC como um contribuidor essencial que evoluiu no músculo estriado para o ajuste fino a contratilidade da miosina indiretamente.

Subfragmento 2 da miosina: a cauda conta uma história sobre o estado SRX da miosina

Conforme descrito acima, e já em 2008, um estado estrutural dobrado de miosina, denominado IHM, foi descoberto (revisado em Trivedi et al., 2018 e Alamo et al., 2018), onde as duas cabeças S1 de miosina Dobre assimetricamente para trás na cauda S2. Além disso, em nível molecular, foi demonstrado que a cabeça S1 interage com a parte proximal do S2 bioquimicamente (Nag et al., 2017). Muitas outras interações, como S1 – S1 e RLC – RLC das duas cabeças de miosina, são propostas para estabilizar o estado de IHM. No entanto, a partir de estudos de microscopia eletrônica, é evidente que as interações S1-S2 são necessárias para formar o estado estrutural "desligado" da miosina. Este subfragmento S2 da miosina também altera o equilíbrio do estado DRX↔SRX da miosina? Esta questão foi abordada recentemente em um relatório onde duas versões diferentes de HMM β-cardíaco humano foram feitas. Um continha os primeiros 25 heptados da parte proximal do subfragmento S2 (25-hep), e o outro continha apenas as duas primeiras repetições de heptados do subfragmento S2 (2-hep). Em experimentos de ATP de turnover único, o HMM 25-hep mostrou uma estabilização significativa da população SRX de miosina para

60%. Em contraste, a população SRX no HMM 2-hep foi

20%, sugerindo que o subfragmento S2 proximal da miosina muda o equilíbrio do estado DRX↔SRX da miosina para o estado SRX. Independentemente, uma conclusão semelhante também foi alcançada por Rohde et al., 2018 ao investigar a população SRX em bovinos S1 e HMM cardíacos. O subfragmento S2 da miosina também demonstrou se ligar ao terminal N do MyBPC (Gruen e Gautel, 1999) (revisado em Trivedi et al., 2018). Em um estudo diferente, uma alta concentração de S2 proximal adicionado às fibras do músculo cardíaco ventricular de camundongo reduziu significativamente o número de cabeças de miosina no estado SRX (McNamara et al., 2019). Este efeito também foi observado na versão tripla fosfo-ablada de MyBPC (AAA serina → alterações de alanina nos resíduos 273, 282 e 302 no domínio M de MyBPC) (McNamara et al., 2019). Estas observações sugerem que S2 exógeno pode empurrar o estado de equilíbrio DRX↔SRX em direção ao estado DRX de miosina, provavelmente através da interrupção da interação MyBPC-miosina, significando ainda mais o papel fisiológico do subfragmento 2 de miosina (miosina S2) para preencher o estado SRX . Por muito tempo, na biologia do músculo estriado, o fragmento S2 da miosina junto com o domínio da cauda foram pensados ​​para fornecer estabilidade estrutural e um papel de ancoragem passiva para a miosina no filamento espesso. No entanto, esses estudos bioquímicos começaram a iluminar que um domínio de miosina como o S2, que está longe do sítio enzimático da proteína, pode regular a contratilidade muscular controlando a população de miosinas no estado SRX, proporcionando assim um interruptor evolutivo adicional para contratilidade muscular.


Discussão

Nossa capacidade de expressar construtos de miosina V de qualquer tamanho, incluindo a molécula de comprimento total, nos permitiu mostrar que toda a miosina V tem um grau adicional de regulação não observado com qualquer um dos construtos mais curtos, mesmo um faltando apenas o domínio da cauda globular. As medições de ATPase ativada por actina mostraram um efeito claro do comprimento da cauda no grau de regulação dependente do cálcio. A atividade do MD2IQ monomérico foi independente do cálcio, enquanto o dHMM e o dHMM longo mostraram atividade progressivamente menor na ausência de cálcio. A molécula de comprimento total expressa foi única em mostrar uma ATPase ativada por actina significativamente mais baixa em EGTA do que em qualquer outra construção, enquanto que no cálcio, a atividade era alta e semelhante à do dHMM. Assim, a construção de comprimento total expressa imita o padrão de atividade visto com miosina V purificada de tecido (Cheney et al., 1993, Nascimento et al., 1996). Nossos experimentos também explicam porque a clivagem da calpaína da miosina V purificada de tecido na região do sítio PEST, que produz um fragmento semelhante ao dHMM, resulta em uma atividade ATPase insensível ao cálcio (Nascimento et al., 1996). Como visto com nosso dHMM expresso, as construções mais curtas perdem a sensibilidade ao cálcio porque carecem de um elemento estrutural necessário para obter atividade inibida em EGTA. Assim, uma molécula de comprimento total é necessária para obter a regulação dependente de cálcio da atividade de ATPase ativada por actina.

O que é responsável pela diminuição da atividade da molécula de comprimento total na ausência de cálcio? Claramente não é a dissociação de CaM porque, na ausência de cálcio, o CaM está mais fortemente ligado ao pescoço do que em sua presença. Com base em outras proteínas motoras, surgiu um tema para a regulação de que a molécula de comprimento total pode sofrer uma mudança conformacional global que causa uma mudança na atividade. A miosina II de músculo liso com uma cadeia leve reguladora não fosforilada adota uma conformação monomérica dobrada que praticamente não tem atividade (para revisão, ver Trybus, 1991). A cinesina de comprimento total forma uma conformação compacta com baixa atividade no sal fisiológico, que se acredita ser ativada para uma forma estendida na ligação da carga (Coy et al., 1999 Stock et al., 1999 Hackney e Stock, 2000). Com base em nossos dados, um cenário semelhante se aplica à miosina V. de comprimento total. Mostramos pela velocidade de sedimentação que perto da força iônica fisiológica, a miosina V de comprimento total forma uma espécie de sedimentação mais rápida na ausência de cálcio (conformação compacta ∼14 S) do que na presença de cálcio (conformação estendida ∼11 S). A adição de sal a 0,3 M induz a mesma mudança conformacional do cálcio.

Requisitos para obter o estado inibido

A dependência de cálcio da mudança conformacional sugere que a região do pescoço contendo CaM está diretamente envolvida em um local de interação que estabiliza a conformação inibida ou uma mudança dependente de cálcio no pescoço indiretamente coloca o domínio motor em uma posição que impede sua interação com actina. O cálcio aumenta a afinidade da miosina purificada do tecido pela actina, sugerindo que no EGTA, onde a conformação compacta é formada, as cabeças são menos capazes de se ligar à actina (Tauhata et al., 2001). Se outras etapas no ciclo de ATPase (por exemplo, liberação de ADP) também são afetadas por serem restringidas na conformação dobrada, permanece para ser determinado.

Da mesma forma, o domínio da cauda globular deve estar envolvido na estabilização da conformação inibida porque sua ausência impede a inibição total da atividade. Muitos trabalhos recentes se concentraram neste domínio de cauda de ligação de carga da miosina V. A imagem que emerge é que a miosina Va está ligada a melanossomas por meio de duas proteínas adaptadoras (Nagashima et al., 2002 Strom et al., 2002 Wu et al., 2002). Rab27a se liga ao melanossomo e, em seguida, recruta a melanofilina para se ligar a ele. A melanofilina, por sua vez, liga-se diretamente à miosina V. Os locais de ligação na miosina V são sua cauda globular e o exon F, um exon com splicing alternativo presente na miosina Va de melanócitos, mas não na miosina Va do cérebro. Esta observação poderia explicar por que diferentes isoformas de miosina exibem cargas diferentes especificidades. Outro nível de regulação da ligação da carga é pela fosforilação de um resíduo Ser na cauda da miosina pela proteína quinase II dependente de cálcio / CaM, que resulta na dissociação do motor e da carga (Karcher et al., 2001). O fato de a cauda globular ser necessária tanto para estabilizar a forma compacta quanto para a amarração da carga sugere uma competição entre esses dois processos em que a própria amarração da carga poderia causar desdobramento e ativação.

O que aparentemente não é necessário para adotar a conformação inibida é a cadeia leve de dineína de 10 kD que se liga à cauda globular (Espindola et al., 2000) porque não coexpressamos essa subunidade com o HC. Nós sabemos que nossa molécula de comprimento total expressa ligará a cadeia leve de dineína de 10 kD quando ela for co-expressa com o HC em células Sf9 (dados não publicados). O nucleotídeo também não é necessário para adotar o estado compacto em NaCl 0,1 M e EGTA.

Estrutura da conformação inibida

Existem três regiões de bobina enrolada prevista na haste da miosina V que são separadas por duas regiões não helicoidais (Espreafico et al., 1992). Após a junção cabeça-haste é ∼30 nm de bobina enrolada prevista, uma região PEST, ∼13 nm de bobina espiral, um segmento não helicoidal e, então, ∼15 nm a mais de bobina enrolada. Esta região da haste é seguida por uma cauda globular de ligação à carga de ∼45 kD. Qualquer uma das regiões não helicoidais podem ser dobradiças potenciais para o dobramento da molécula. Nossas imagens sombreadas de metal da miosina V são consistentes com a ideia de que o domínio da cauda adota uma conformação mais compacta na ausência de cálcio na força iônica fisiológica, sugerindo que a flexão ocorre em pelo menos um desses locais. As cabeças também tendem a adotar uma conformação diferente e restrita em relação à haste por analogia com as conformações reguladas da miosina II de músculo liso (Wendt et al., 2001). Uma análise independente concorrente com a nossa mostrou que a miosina V purificada de tecido também adota uma conformação dobrada, com base em dados hidrodinâmicos que são notavelmente semelhantes aos nossos dados com o construto de comprimento total expresso, bem como em imagens coradas negativamente de miosina V (Wang et al., 2004). A média de um pequeno número dessas imagens coradas negativamente revelou uma estrutura triangular consistente com uma cauda mais curta.

Imagens anteriores de miosina V visualizadas por EM de congelamento rápido e ataque profundo (Cheney et al., 1993) são descritas como tendo um domínio de cauda flexível, com um comprimento máximo de 75 nm. Notavelmente, os autores comentam que em algumas imagens, a cauda globular do terminal COOH se sobrepõe a um glóbulo menor localizado a ∼30 nm da junção cabeça-haste, consistente com a curvatura na segunda região de dobradiça não helicoidal na haste. Essas imagens foram as primeiras a mostrar que a miosina V tem o potencial de adotar uma conformação dobrada.

Por que dFull mostra motilidade no EGTA?

Dada a inibição da atividade de ATPase ativada por actina da miosina V de comprimento total na ausência de cálcio, por que sua taxa de motilidade in vitro permanece alta? Existem várias explicações possíveis para este aparente paradoxo. Uma possibilidade é que a ligação da miosina V à superfície da nitrocelulose ative o motor, evitando a formação da conformação inibida, como se fosse potencialmente "carga" de ligação. Ativação semelhante da motilidade da cinesina de comprimento total foi observada (Coy et al., 1999). Outra possibilidade é que um pequeno pool de moléculas ativas permaneça em equilíbrio com a forma inibida com baixo teor de cálcio, consistente com a atividade da ATPase ativada pela actina não ser completamente desligada. O alto ciclo de trabalho desse motor pode permitir que a taxa máxima de movimento seja mantida no ensaio de motilidade in vitro, mesmo com uma pequena quantidade de proteína ativa (Moore et al., 2001). Se esse cenário se mantiver em condições celulares, ele ainda gerará um grande pool de motores inativos com baixo teor de cálcio que estão esperando para serem ativados por carga ou cálcio. Alternativamente, é possível que uma pequena fração das moléculas na preparação tenha sido clivada para gerar moléculas não reguladas que suportam o movimento em EGTA. Bandas menores podem ser vistas em um gel SDS da preparação dFull (Fig. 1), e a clivagem no bastão por proteases de calpaína demonstrou ocorrer in vivo (Casaletti et al., 2003).

O efeito do cálcio na motilidade depende da concentração de CaM

Na presença de cálcio sem CaM exógeno, a motilidade é inibida pela dissociação do CaM dos motivos IQ. Os CaMs mutantes foram usados ​​para mostrar que a ligação do cálcio aos locais de alta afinidade no lobo terminal COOH do CaM é suficiente para causar dissociação. Este resultado é consistente com os dados cristalográficos da estrutura da apo-CaM ligada aos dois primeiros motivos IQ (dados não publicados). Nessa estrutura, o lóbulo N está no estado fechado com poucas interações com o HC. Em contraste, o lóbulo C que contém os locais de ligação de cálcio de alta afinidade está em uma conformação semiaberta de fixação, que fornece as principais interações com o HC. A ligação de cálcio ao lóbulo C seria, portanto, esperado que causasse dissociação, desde que o complexo Ca 2+ -CaM tenha uma baixa afinidade para a sequência naquele motivo IQ particular (por exemplo, o segundo motivo IQ). Deve-se notar que cada motivo IQ tem uma sequência única, e apenas alguns dos motivos têm uma afinidade menor para CaM na presença de cálcio do que em sua ausência (dados não publicados).

Um mecanismo provável para a inibição da motilidade no cálcio é que a dissociação do CaM faz com que a região do pescoço se torne complacente, tornando-a incapaz de agir como um braço de alavanca. Este mecanismo não exigiria uma mudança correspondente na atividade da ATPase ativada pela actina. Em apoio a essa ideia, a introdução de apenas dois resíduos de Ala entre os motivos IQ 3 e 4 da miosina V HMM causou uma redução maior do que duas vezes no tamanho do passo, sem efeito na atividade enzimática em solução (Sakamoto et al., 2003).

O efeito do cálcio na motilidade é muito diferente na presença de excesso de CaM, o que impede a dissociação do CaM e faz com que o Ca 2+ -CaM se religue ao pescoço por ação da massa. O CaM ligado ao Ca 2+ restaura a motilidade em aproximadamente dois terços da taxa observada com apo-CaM. Assim, o pescoço pode atuar como uma alavanca com qualquer apo-Cam ou Ca 2+ -CaM ligado, mas a conformação do CaM ligado modifica a velocidade observada. CaMΔall restaura a motilidade mais completamente do que WT-CaM em cálcio porque não pode sofrer uma mudança conformacional. A observação de que o cálcio inibe completamente a motilidade na ausência de CaM em excesso, mas apenas a retarda parcialmente na presença de CaM em excesso, sugere que o grau em que o cálcio afeta o transporte in vivo dependerá muito do pool de CaM livre na célula.

Regulação de outras miosinas de ligação a CaM

A regulação da miosina 1β pelo cálcio é semelhante à regulação de nossa construção de miosina V MD2IQ de cabeça única. A alta concentração de cálcio dissocia alguns, mas não todos os CaMs ligados (1 de 3 no caso da miosina Iβ) e neste estado a molécula não mostra motilidade (Zhu et al., 1998). Os locais de ligação de cálcio de alta afinidade no CaM foram deduzidos como os locais responsáveis ​​pela regulação, semelhantes aos resultados mostrados aqui para a miosina V.

A miosina VI é um motor de processamento de duas cabeças que se move em direção à extremidade pontiaguda de um filamento de actina e tem um único motivo de QI por cabeça (Wells et al., 1999 Rock et al., 2001). O cálcio não dissocia este CaM, mas a motilidade de uma construção de dupla cabeça truncada é reduzida em três vezes. Com base nas taxas de liberação de ATPase, motilidade e ADP, concluiu-se que o cálcio elevado desacopla as duas cabeças e faz com que elas atuem de forma independente, uma característica que provavelmente afetaria o grau de processabilidade (Morris et al., 2003). Não se sabe se a miosina VI de comprimento total mostraria qualquer regulação adicional dependente do cálcio. No momento, parece que uma mudança conformacional global dependente de cálcio, como observamos para a miosina V, não é uma característica comum a todas as miosinas de ligação a CaM.

Significado fisiológico

Na ausência de cálcio na força iônica fisiológica, a miosina V completa adota um estado com baixa ATPase ativada por actina, que os dados da solução e a microscopia sugerem que é devido a uma mudança conformacional global em toda a molécula. As moléculas neste estado não seriam competentes para transportar carga e, portanto, o pool de motores ativos seria baixo (ver modelo na Fig. 9). A partir desse estado, existem duas vias potenciais de ativação: via cálcio e via ligação de carga.

Uma vez que os níveis de cálcio aumentam, a atividade enzimática da molécula de comprimento total é ativada devido ao desdobramento da conformação inibida mais compacta. No entanto, a extensão em que o cálcio afeta as propriedades mecânicas da miosina V depende altamente se o CaM está presente em quantidades limitantes ou saturantes na célula. Particularmente na presença de cálcio, numerosas outras proteínas de ligação ao CaM competirão com a miosina V pelo pool solúvel de CaM (Tran et al., 2003) e, portanto, esse parâmetro é difícil de prever. Ao limitar o CaM, o motor seria inativo como um transportador, enquanto na presença de excesso de CaM, o cálcio apenas retarda a motilidade.

Em baixas concentrações de cálcio, a ligação da carga à cauda pode fornecer uma segunda via de ativação. Em apoio a essa ideia, a miosina V demonstrou transportar melanossomas ao longo dos filamentos de actina em EGTA (Rogers et al., 1999). Também é possível que o cálcio seja necessário para a carga se ligar, mas uma vez que a carga está amarrada, a cauda não pode mais dobrar para trás, mesmo na ausência de cálcio. Nesse cenário, as regiões de alta concentração de cálcio intracelular podem atuar como "zonas de coleta ou carregamento de carga" para a miosina V, enquanto aquelas de menor concentração de cálcio são as "zonas de trânsito rápido" porque a miosina V se move ao longo da actina mais rápido em a ausência de cálcio.

Uma peça que falta no quebra-cabeça é se o cálcio também afeta a duração do processamento, outro parâmetro importante para o transporte eficiente dentro da célula. As respostas a essas perguntas serão necessárias para um entendimento completo da regulação do cálcio da função motora da miosina V na célula. No momento, alguns dos paradoxos foram resolvidos e as bases foram estabelecidas para uma melhor compreensão da regulação deste motor molecular.


Uso duplo de ATP no relaxamento da miosina e no transporte ativo de cálcio? - Biologia

Contração e relaxamento alternados das células

Energia química transformada em energia mecânica

atribui ao osso, pele ou fáscia

estriado com faixas claras e escuras visíveis com escopo

controle voluntário da contração e relaxamento da ampola

autorítmico por causa do marca-passo embutido

preso aos folículos capilares na pele

nas paredes de órgãos ocos - vasos sanguíneos e GI

não estriado na aparência

Funções do tecido muscular

Posições corporais estabilizadoras

bandas de músculo liso chamadas esfíncteres

Movimento de substâncias dentro do corpo

sangue, linfa, urina, ar, comida e fluidos, esperma

contrações involuntárias do músculo esquelético (tremores)

Propriedades do tecido muscular

respondem a produtos químicos liberados das células nervosas

capacidade de propagar sinais elétricos pela membrana

capacidade de encurtar e gerar força

capacidade de ser esticado sem danificar o tecido

capacidade de retornar à forma original após ser esticado

Músculo esquelético - tecido conjuntivo

A fáscia superficial é um tecido conjuntivo frouxo e gordura subjacente à pele

Fáscia profunda = tecido conjuntivo denso e irregular ao redor do músculo

Os componentes do tecido conjuntivo do músculo incluem

epimísio = envolve todo o músculo

perimísio = envolve os feixes (fascículos) de 10-100 células musculares

endomísio = separa as células musculares individuais

Todas essas camadas de tecido conjuntivo se estendem além da barriga do músculo para formar o tendão

Componentes do tecido conjuntivo

Cada músculo esquelético é fornecido por um nervo, uma artéria e duas veias.

Cada neurônio motor fornece várias células musculares (junção neuromuscular)

Cada célula muscular é fornecida por um ramo terminal do neurônio motor e está em contato com um ou dois capilares.

fibras nervosas e capilares amp são encontrados no endomísio entre células individuais

Fusão de mioblastos em fibras musculares

Cada célula muscular madura se desenvolveu a partir de 100 mioblastos que se fundem no feto. (multinucleado)

Células musculares maduras não podem se dividir

O crescimento muscular é resultado do alargamento celular e não da divisão celular

As células satélites retêm a capacidade de regenerar novas células.

Fibra muscular ou miofibras

As células musculares são longas, cilíndricas e multinucleadas

Sarcolema = membrana da célula muscular

Sarcoplasma cheio de pequenos fios chamados miofibrilas e mioglobina (proteína de ligação de oxigênio de cor vermelha)

Túbulos T (transversos) são invaginações do sarcolema no centro da célula

preenchido com fluido extracelular

carregam potenciais de ação muscular para dentro da célula

As mitocôndrias encontram-se em fileiras ao longo da célula

perto das proteínas musculares que usam ATP durante a contração

As fibras musculares são preenchidas com fios chamados miofibrilas separadas por SR (retículo sarcoplasmático)

Miofilamentos (filamentos grossos e finos) são as proteínas contráteis do músculo

Retículo Sarcoplasmático (SR)

Sistema de sacos tubulares semelhantes ao RE liso em células não musculares

Armazena Ca + 2 em um músculo relaxado

A liberação de Ca +2 desencadeia a contração muscular

causada por desuso (atrofia por desuso) ou corte do suprimento nervoso (atrofia por desnervação)

a transição para o tecido conjuntivo não pode ser revertida

aumento no diâmetro das fibras musculares

resultante de atividade muscular repetitiva muito forte e um aumento nas miofibrilas, SR e mitocôndrias

Filamentos e o sarcômero

Filamentos grossos e finos se sobrepõem em um padrão que cria estrias (bandas I claras e bandas A escuras)

A região da banda I contém apenas filamentos finos.

Eles são organizados em compartimentos chamados sarcômeros, separados por discos Z.

Na região de sobreposição, seis filamentos finos circundam cada filamento espesso

Proteínas de suporte (linha M, titina e disco Z ajudam a ancorar os filamentos grossos e finos no lugar)

Sobreposição de miofilamentos espessos e finos dentro de uma miofibrila

Dano muscular induzido por exercício

O exercício intenso pode causar danos musculares

micrografias eletrônicas revelam sarcolemas rasgados, miofibrilas danificadas e discos Z interrompidos

aumento dos níveis sanguíneos de fosfato de mioglobina e amp creatina encontrados apenas dentro das células musculares

Dor muscular de início tardio

12 a 48 horas após exercícios extenuantes

rigidez, sensibilidade e inchaço devido a danos celulares microscópicos

As miofibrilas são constituídas por 3 tipos de proteínas

proteínas regulatórias que ligam e desligam a contração

proteínas estruturais que fornecem alinhamento, elasticidade e extensibilidade adequados

titina, mioomesina, nebulina e distrofina

As proteínas do músculo - miosina

Filamentos grossos são compostos de miosina

cada molécula se assemelha a dois tacos de golfe torcidos juntos

cabeças de miosina (pontes cruzadas) estendem-se em direção aos filamentos finos

Mantido no lugar pelas proteínas da linha M.

As Proteínas do Músculo - Actina

Filamentos finos são feitos de actina, troponina e tropomiosina

O local de ligação da miosina em cada molécula de actina é coberto pela tropomiosina no músculo relaxado

Os filamentos finos são mantidos no lugar por linhas Z. De uma linha Z para a próxima está um sarcômero.

Mecanismo de contração do filamento deslizante

Pontes cruzadas de miosina
puxar filamentos finos

Lâmina de filamentos finos
para dentro

Os discos Z vêm em direção
uns aos outros

Os sarcômeros encurtam. A fibra muscular encurta. O músculo encurta

Aviso: Filamentos grossos e finos não mudam de comprimento

Como a contração começa?

O impulso nervoso atinge um terminal de axônio e as vesículas sinápticas liberam acetilcolina (ACh)

ACh se difunde para receptores no sarcolema e canais de Na + amp abertos e Na + corre para a célula

Um potencial de ação muscular se espalha pelo sarcolema e desce para os túbulos transversos

SR libera Ca + 2 no sarcoplasma

O Ca + 2 se liga à troponina e faz com que o complexo troponina-tropomiosina se mova e revele os locais de ligação da miosina na actina - o ciclo de contração começa

Alternância excitação-contração

Todas as etapas que ocorrem desde o potencial de ação muscular atingindo o túbulo T até a contração da fibra muscular.

Seqüência de repetição de eventos que faz com que os filamentos grossos e finos se movam.

4 etapas para o ciclo de contração

ligação da miosina à actina para formar pontes cruzadas

descolamento de miosina de actina

O ciclo continua se repetindo enquanto houver ATP disponível e um alto nível de Ca + 2 de amplificação próximo ao filamento fino

Etapas do Ciclo de Contração

Observe como a cabeça de miosina se conecta e puxa o filamento fino com a energia liberada do ATP

Cabeças de miosina são ativadas por ATP

Cabeças ativadas se conectam à actina e puxam o amplificador (curso de energia)

ADP é lançado. (ATP liberou P & amp ADP e energia do amp)

Filamentos finos deslizam pelos filamentos grossos

O ATP se liga à cabeça da miosina e o amp separa-o da actina

Todas essas etapas se repetem continuamente

O nível de Ca + próximo ao complexo troponina-tropomiosina é alto

Visão geral: do início ao fim

A acetilcolinesterase (AChE) decompõe a ACh dentro da fenda sináptica

O potencial de ação muscular cessa

Canal de liberação de Ca + 2 fechado

O transporte ativo bombeia Ca2 + de volta ao armazenamento no retículo sarcoplasmático

A proteína de ligação ao cálcio (calsequestrina) ajuda a manter Ca + 2 em SR (concentração de Ca + 2 10.000 vezes maior do que no citosol)

O complexo tropomiosina-troponina recupera o local de ligação na actina

Rigor mortis é um estado de rigidez muscular que começa 3-4 horas após a morte e dura cerca de 24 horas

Após a morte, os íons Ca + 2 vazam do RS e permitem que as cabeças da miosina se liguem à actina

Como a síntese de ATP cessou, as pontes cruzadas não podem se separar da actina até que as enzimas proteolíticas comecem a digerir as células em decomposição.

Lâmpadas de extremidade sináptica são inchaços dos terminais dos axônios

Os bulbos finais contêm vesículas sinápticas cheias de acetilcolina (ACh)

A membrana da placa terminal do motor contém 30 milhões de receptores ACh.

Eventos que ocorrem após um sinal nervoso

A chegada do impulso nervoso ao terminal nervoso causa a liberação de ACh das vesículas sinápticas

A ACh se liga a receptores na placa motora muscular, abrindo os canais iônicos bloqueados para que o Na + possa entrar na célula muscular

O interior da célula muscular torna-se mais positivo, desencadeando um potencial de ação muscular que viaja sobre a célula e desce pelos túbulos T

A liberação de Ca + 2 do RS é desencadeada e a célula muscular vai encurtar e gerar força

A acetilcolinesterase decompõe a ACh ligada aos receptores na placa motora, de forma que o potencial de ação muscular cessa e a célula muscular relaxa.

A toxina botulínica bloqueia a liberação de neurotransmissor no NMJ para que a contração muscular não possa ocorrer

bactérias encontradas em alimentos enlatados inadequadamente

a morte ocorre por paralisia do diafragma

Curare (veneno de planta de flechas envenenadas)

causa paralisia muscular ao bloquear os receptores ACh

usado para relaxar o músculo durante a cirurgia

Neostigmina (agente anticolinesterásico)

bloqueia a remoção de ACh dos receptores, então fortalece as contrações musculares fracas da miastenia gravis

também um antídoto para o curare após o término da cirurgia

Metabolismo muscular
Produção de ATP em fibras musculares

O músculo usa ATP em grande velocidade quando ativo

O ATP sarcoplasmático dura apenas alguns segundos

3 fontes de produção de ATP dentro do músculo

respiração celular anaeróbica

respiração celular anaeróbica

Respiração celular anaeróbica

ATP produzido a partir da quebra da glicose em ácido pirúvico durante a glicólise

pirúvico convertido em ácido láctico que se difunde no sangue

A glicólise pode continuar anaerobicamente para fornecer ATP por 30 a 40 segundos de atividade máxima (corrida de 200 metros)

Respiração celular aeróbia

ATP para qualquer atividade com duração superior a 30 segundos

se houver oxigênio suficiente disponível, o ácido pirúvico entra na mitocôndria para gerar ATP, água e calor

ácidos graxos e aminoácidos também podem ser usados ​​pela mitocôndria

Fornece 90% da energia ATP se a atividade durar mais de 10 minutos

Incapacidade de contrair após atividade prolongada

fadiga central é sensação de cansaço e desejo de parar (mecanismo de proteção)

depleção de fosfato de creatina

declínio de Ca + 2 dentro do sarcoplasma

Fatores que contribuem para a fadiga muscular

oxigênio ou glicogênio insuficiente

acúmulo de ácido láctico e ADP

liberação insuficiente de acetilcolina dos neurônios motores

Consumo de oxigênio após o exercício

O tecido muscular possui duas fontes de oxigênio.

difunde-se do sangue

liberado pela mioglobina dentro das fibras musculares

O sistema aeróbico requer O2 para produzir ATP necessário para atividade prolongada

aumento do esforço respiratório durante o exercício

uso elevado de oxigênio após o exercício (débito de oxigênio)

ácido láctico é convertido de volta em ácido pirúvico

temperatura corporal elevada significa todas as reações mais rápidas

Contração involuntária de um pequeno número de unidades motoras (alternadamente ativas e inativas em um padrão de mudança constante)

mantém os músculos firmes mesmo relaxados

não produz movimento

Essencial para manter a postura (cabeça ereta)

Importante na manutenção da pressão arterial

tom dos músculos lisos nas paredes dos vasos sanguíneos

Classificação das fibras musculares

Oxidativo lento (contração lenta)

na cor vermelha (muitas mitocôndrias, mioglobina e vasos sanguíneos amplificados)

contrações prolongadas e sustentadas para manter a postura

Oxidativo-glicolítico rápido (contração rápida A)

na cor vermelha (muitas mitocôndrias, mioglobina e vasos sanguíneos amplificados)

dividir ATP em uma taxa muito rápida usada para caminhada e corrida

Glicolítico rápido (contração rápida B)

de cor branca (poucas mitocôndrias e amp BV, baixa mioglobina)

movimentos anaeróbicos de curta duração usados ​​para levantamento de peso

Tipos de fibra dentro de um músculo inteiro

A maioria dos músculos contém uma mistura de todos os três tipos de fibras

As proporções variam com a ação normal do músculo

os músculos do pescoço, costas e pernas têm uma proporção maior de fibras oxidativas posturais lentas

os músculos do ombro e do braço têm uma proporção maior de fibras glicolíticas rápidas

Todas as fibras de qualquer unidade motora são iguais.

Diferentes fibras são recrutadas conforme necessário.

Aumenta o tamanho, força e resistência muscular

Muitos efeitos colaterais muito sérios

cabelo facial e aumento de voz em mulheres

atrofia dos testículos e calvície em homens

Anatomia do músculo cardíaco

Fibras estriadas, curtas, quadrangulares, ramificadas

Único núcleo centralmente localizado

Células conectadas por discos intercalados com junções comunicantes

Mesmo arranjo de filamentos grossos e finos amp do esqueleto

Músculo Cardíaco versus Músculo Esquelético

Mais sarcoplasma e mitocôndrias

Túbulos transversais maiores localizados nos discos Z, em vez de nas junções da banda A-l

Reservas intracelulares limitadas de Ca + 2

mais Ca + 2 entra na célula do fluido extracelular durante a contração

A entrega prolongada de Ca + 2 ao sarcoplasma produz uma contração que dura 10-15 vezes mais do que no músculo esquelético

Fisiologia do músculo cardíaco

contrair sem estimulação

Contrata 75 vezes por minuto e precisa de muito O2

Mitocôndrias maiores geram ATP aerobicamente

Contração sustentada possível devido à liberação lenta de Ca + 2

Canais de Ca + 2 para o fluido extracelular permanecem abertos

Dois tipos de músculo liso

no as paredes de vísceras ocas e um pequeno BV

Gap = Vão junções fazem com que as fibras se contraiam em uníssono

Individual fibras com o próprio neurônio motor terminando

encontrado em grandes artérias, vias respiratórias grandes, músculos eretores do pili, íris e corpo ciliar

Fisiologia do músculo liso

A contração começa devagar e o amp dura mais tempo

sem túbulos transversais e muito pouco SR

Ca + 2 deve fluir de fora

Calmodulina substitui troponina

O Ca + 2 se liga à calmodulina ativando uma enzima (cadeia leve quinase da miosina) que fosforila a cabeça da miosina para que a contração possa ocorrer

enzima funciona lentamente, desacelerando a contração

Ca + 2 move-se lentamente para fora da célula

atrasar o relaxamento e fornecer um estado de contração parcial contínua

Útil para manter a pressão arterial ou uma pressão constante no conteúdo do trato gastrointestinal

As fibras musculares esqueléticas não podem se dividir após o primeiro ano

o crescimento é o aumento das células existentes

satélite células e medula óssea produzem algumas células novas

E se número insuficiente --- a fibrose ocorre com mais frequência

As fibras musculares cardíacas não podem se dividir ou regenerar

toda a cura é feita por fibrose (formação de cicatriz)

Fibras musculares lisas (a regeneração é possível)

as células podem crescer em tamanho (hipertrofia)

algumas células (útero) podem se dividir (hiperplasia)

novas fibras podem se formar a partir de células-tronco nas paredes do BV

O músculo esquelético começa a ser substituído por gordura a partir dos 30

Diminuição dos reflexos e diminuição da força máxima

A mudança no tipo de fibra para fibras oxidativas lentas pode ser devido à falta de uso ou pode ser resultado do envelhecimento

Desordem autoimune progressiva que bloqueia os receptores ACh na junção neuromuscular

Quanto mais receptores são danificados, mais fraco é o músculo.

Mais comum em mulheres de 20 a 40 anos com possível linha para tumores da glândula do timo

Começa com visão dupla e dificuldade de engolir e o amp progride para paralisia dos músculos respiratórios

O tratamento inclui esteróides que reduzem os anticorpos que se ligam aos receptores ACh e inibidores da acetilcolinesterase

Doenças hereditárias, destruidoras de músculos

Rupturas de sarcolema durante a contração muscular

O gene mutado está no cromossomo X, então o problema é com os homens quase exclusivamente

Aparece aos 5 anos em homens e aos 12 pode ser incapaz de andar

A degeneração das fibras musculares individuais produz atrofia do músculo esquelético

A terapia genética é esperada com a forma mais comum = distrofia muscular de Duchenne

Espasmo = contração involuntária de um único músculo

Tic = contração involuntária dos músculos normalmente sob controle voluntário - pálpebra ou músculos faciais

Tremor = contração involuntária rítmica de grupos musculares opostos

Fasciculação = involuntária, breve contração de uma unidade motora visível sob a pele


Contração e relaxamento da fibra muscular

A sequência de eventos que resulta na contração de uma fibra muscular individual começa com um sinal - o neurotransmissor, ACh - do neurônio motor que inerva essa fibra. A membrana local da fibra vai despolarizar à medida que íons de sódio carregados positivamente (Na +) entram, desencadeando um potencial de ação que se espalha para o resto da membrana que vai despolarizar, incluindo os túbulos T. Isso desencadeia a liberação de íons cálcio (Ca ++) do armazenamento no retículo sarcoplasmático (RS). O Ca ++ então inicia a contração, que é sustentada pelo ATP ((Figura)). Enquanto os íons Ca ++ permanecerem no sarcoplasma para se ligar à troponina, o que mantém os locais de ligação da actina "não blindados", e enquanto o ATP estiver disponível para conduzir o ciclo da ponte cruzada e puxar os fios de actina pela miosina, a fibra muscular continuará a encurtar até um limite anatômico.

A contração muscular geralmente para quando a sinalização do neurônio motor termina, o que repolariza o sarcolema e os túbulos T e fecha os canais de cálcio dependentes de voltagem no RS. Os íons Ca ++ são então bombeados de volta para o RS, o que faz com que a tropomiosina proteja (ou recubra) os locais de ligação nas fitas de actina. Um músculo também pode parar de se contrair quando fica sem ATP e fica cansado ((Figura)).

A liberação de íons de cálcio inicia as contrações musculares. Assista a este vídeo para aprender mais sobre o papel do cálcio. (a) O que são “túbulos T” e qual é sua função? (b) Descreva como os locais de ligação da actina são disponibilizados para a ponte cruzada com as cabeças de miosina durante a contração.

Os eventos moleculares de encurtamento da fibra muscular ocorrem dentro dos sarcômeros da fibra (ver (Figura)). A contração de uma fibra muscular estriada ocorre à medida que os sarcômeros, linearmente dispostos dentro das miofibrilas, encurtam à medida que as cabeças da miosina puxam os filamentos de actina.

A região onde os filamentos grossos e finos se sobrepõem tem uma aparência densa, pois há pouco espaço entre os filamentos. Esta zona onde os filamentos finos e grossos se sobrepõem é muito importante para a contração muscular, pois é o local onde começa o movimento dos filamentos. Filamentos finos, ancorados em suas extremidades pelos discos Z, não se estendem completamente para a região central que contém apenas filamentos grossos, ancorados em suas bases em um ponto chamado linha-M. Uma miofibrila é composta de muitos sarcômeros correndo ao longo de seu comprimento, portanto, as miofibrilas e as células musculares se contraem conforme os sarcômeros se contraem.

O modelo de filamento deslizante de contração

Quando sinalizado por um neurônio motor, uma fibra muscular esquelética se contrai conforme os filamentos finos são puxados e, em seguida, deslizam pelos filamentos grossos dentro dos sarcômeros da fibra. Esse processo é conhecido como modelo de filamento deslizante da contração muscular ((Figura)). O deslizamento só pode ocorrer quando os locais de ligação da miosina nos filamentos de actina são expostos por uma série de etapas que começam com a entrada do Ca ++ no sarcoplasma.

A tropomiosina é uma proteína que envolve as cadeias do filamento de actina e cobre os locais de ligação da miosina para impedir que a actina se ligue à miosina. A tropomiosina se liga à troponina para formar um complexo troponina-tropomiosina. O complexo troponina-tropomiosina impede que as “cabeças” de miosina se liguem aos locais ativos nos microfilamentos de actina. A troponina também possui um sítio de ligação para os íons Ca ++.

Para iniciar a contração muscular, a tropomiosina deve expor o local de ligação da miosina em um filamento de actina para permitir a formação de pontes cruzadas entre os microfilamentos de actina e miosina. O primeiro passo no processo de contração é o Ca ++ se ligar à troponina, de forma que a tropomiosina possa deslizar para longe dos locais de ligação nas fitas de actina. Isso permite que as cabeças de miosina se liguem a esses locais de ligação expostos e formem pontes cruzadas. Os filamentos finos são então puxados pelas cabeças de miosina para deslizar pelos filamentos grossos em direção ao centro do sarcômero. Mas cada cabeça só pode puxar uma distância muito curta antes de atingir seu limite e deve ser “engatilhada” antes de puxar novamente, uma etapa que requer ATP.

ATP e contração muscular

Para que os filamentos finos continuem a deslizar pelos filamentos grossos durante a contração muscular, as cabeças de miosina devem puxar a actina nos locais de ligação, destacar, reencaixar, anexar a mais locais de ligação, puxar, desprender, reencaixar, etc. Este movimento repetido é conhecido como o ciclo da ponte cruzada. Este movimento das cabeças de miosina é semelhante ao dos remos quando um indivíduo rema um barco: o remo dos remos (as cabeças de miosina) puxam, são levantados da água (destacam), reposicionados (engatilhados) e então imersos novamente para puxar ((Figura)). Cada ciclo requer energia, e a ação das cabeças de miosina nos sarcômeros puxando repetidamente os filamentos finos também requer energia, que é fornecida pelo ATP.

A formação da ponte cruzada ocorre quando a cabeça da miosina se liga à actina, enquanto o difosfato de adenosina (ADP) e o fosfato inorgânico (Peu) ainda estão ligados à miosina ((Figura)a, b) Peu é então liberado, fazendo com que a miosina forme um apego mais forte à actina, após o que a cabeça da miosina se move em direção à linha M, puxando a actina junto com ela. Conforme a actina é puxada, os filamentos se movem aproximadamente 10 nm em direção à linha M. Este movimento é chamado de golpe de força, pois o movimento do filamento fino ocorre nesta etapa ((Figura)c) Na ausência de ATP, a cabeça da miosina não se separa da actina.

Uma parte da cabeça da miosina se liga ao local de ligação da actina, mas a cabeça tem outro local de ligação para o ATP. A ligação do ATP faz com que a cabeça da miosina se separe da actina ((Figura)d) Depois que isso ocorre, o ATP é convertido em ADP e Peu pela atividade ATPase intrínseca da miosina. A energia liberada durante a hidrólise de ATP muda o ângulo da cabeça da miosina para uma posição inclinada ((Figura)e) A cabeça da miosina está agora em posição para mais movimento.

Quando a cabeça da miosina está inclinada, a miosina está em uma configuração de alta energia. Essa energia é gasta conforme a cabeça de miosina se move durante o golpe de força e, no final do golpe de força, a cabeça de miosina está em uma posição de baixa energia. Após o golpe de força, o ADP é liberado, no entanto, a ponte cruzada formada ainda está no lugar e a actina e a miosina estão ligadas. Enquanto o ATP estiver disponível, ele prontamente se liga à miosina, o ciclo da ponte cruzada pode se repetir e a contração muscular pode continuar.

Observe que cada filamento espesso de aproximadamente 300 moléculas de miosina tem várias cabeças de miosina e muitas pontes cruzadas se formam e se quebram continuamente durante a contração muscular. Multiplique isso por todos os sarcômeros em uma miofibrila, todas as miofibrilas em uma fibra muscular e todas as fibras musculares em um músculo esquelético, e você poderá entender por que tanta energia (ATP) é necessária para manter os músculos esqueléticos funcionando. Na verdade, é a perda de ATP que resulta no rigor mortis observado logo após a morte de alguém. Sem a possibilidade de produção adicional de ATP, não há ATP disponível para que as cabeças de miosina se desprendam dos locais de ligação da actina, de modo que as pontes cruzadas permanecem no lugar, causando a rigidez nos músculos esqueléticos.

Fontes de ATP

O ATP fornece a energia para que ocorra a contração muscular. Além de seu papel direto no ciclo da ponte cruzada, o ATP também fornece a energia para as bombas de Ca ++ de transporte ativo no SR. A contração muscular não ocorre sem quantidades suficientes de ATP. A quantidade de ATP armazenada no músculo é muito baixa, apenas o suficiente para alimentar alguns segundos de contrações. À medida que é decomposto, o ATP deve ser regenerado e substituído rapidamente para permitir a contração sustentada. Existem três mecanismos pelos quais o ATP pode ser regenerado: metabolismo de fosfato de creatina, glicólise anaeróbica e fermentação e respiração aeróbia.

O fosfato de creatina é uma molécula que pode armazenar energia em suas ligações de fosfato. Em um músculo em repouso, o excesso de ATP transfere sua energia para a creatina, produzindo ADP e fosfato de creatina. Isso atua como uma reserva de energia que pode ser usada para criar mais ATP rapidamente. Quando o músculo começa a se contrair e precisa de energia, o fosfato de creatina transfere seu fosfato de volta ao ADP para formar ATP e creatina. Esta reação é catalisada pela enzima creatina quinase e ocorre muito rapidamente, portanto, o ATP derivado da creatina fosfato alimenta os primeiros segundos da contração muscular. No entanto, o fosfato de creatina pode fornecer apenas cerca de 15 segundos de energia, momento em que outra fonte de energia deve ser usada ((Figura)).

À medida que o ATP produzido pelo fosfato de creatina se esgota, os músculos se transformam em glicólise como fonte de ATP. A glicólise é um processo anaeróbico (não dependente de oxigênio) que quebra a glicose (açúcar) para produzir ATP; no entanto, a glicólise não pode gerar ATP tão rapidamente quanto o fosfato de creatina. Assim, a mudança para a glicólise resulta em uma taxa mais lenta de disponibilidade de ATP para o músculo. O açúcar usado na glicólise pode ser fornecido pela glicose no sangue ou metabolizando o glicogênio que é armazenado no músculo. A quebra de uma molécula de glicose produz dois ATP e duas moléculas de ácido pirúvico, que podem ser usados ​​na respiração aeróbica ou quando os níveis de oxigênio estão baixos, convertidos em ácido lático ((Figura)b).

Se houver oxigênio disponível, o ácido pirúvico é usado na respiração aeróbica. No entanto, se o oxigênio não estiver disponível, o ácido pirúvico é convertido em ácido lático, o que pode contribuir para a fadiga muscular. Essa conversão permite a reciclagem da enzima NAD + do NADH, que é necessária para que a glicólise continue. Isso ocorre durante exercícios extenuantes, quando grandes quantidades de energia são necessárias, mas o oxigênio não pode ser fornecido o suficiente para os músculos. A glicólise em si não pode ser sustentada por muito tempo (aproximadamente 1 minuto de atividade muscular), mas é útil para facilitar rajadas curtas de produção de alta intensidade. Isso ocorre porque a glicólise não utiliza a glicose de forma muito eficiente, produzindo um ganho líquido de dois ATPs por molécula de glicose e o produto final do ácido lático, que pode contribuir para a fadiga muscular à medida que se acumula.

A respiração aeróbica é a quebra da glicose ou de outros nutrientes na presença de oxigênio (O2) para produzir dióxido de carbono, água e ATP. Aproximadamente 95 por cento do ATP necessário para músculos em repouso ou moderadamente ativos é fornecido pela respiração aeróbica, que ocorre na mitocôndria. As entradas para a respiração aeróbica incluem glicose circulando na corrente sanguínea, ácido pirúvico e ácidos graxos. A respiração aeróbica é muito mais eficiente do que a glicólise anaeróbica, produzindo aproximadamente 36 ATPs por molécula de glicose contra quatro da glicólise. No entanto, a respiração aeróbica não pode ser sustentada sem um suprimento constante de O2 para o músculo esquelético e é muito mais lento ((Figura)c) Para compensar, os músculos armazenam uma pequena quantidade de oxigênio em excesso em proteínas chamadas mioglobina, permitindo contrações musculares mais eficientes e menos fadiga. O treinamento aeróbico também aumenta a eficiência do sistema circulatório, de modo que O2 pode ser fornecido aos músculos por longos períodos de tempo.

A fadiga muscular ocorre quando um músculo não consegue mais se contrair em resposta aos sinais do sistema nervoso. As causas exatas da fadiga muscular não são totalmente conhecidas, embora certos fatores tenham sido correlacionados com a redução da contração muscular que ocorre durante a fadiga. O ATP é necessário para a contração muscular normal e, à medida que as reservas de ATP são reduzidas, a função muscular pode diminuir. Isso pode ser mais um fator em uma produção muscular breve e intensa do que em esforços sustentados de baixa intensidade. O acúmulo de ácido láctico pode diminuir o pH intracelular, afetando a atividade enzimática e proteica. Desequilíbrios nos níveis de Na + e K + como resultado da despolarização da membrana podem interromper o fluxo de Ca ++ para fora do RS. Longos períodos de exercício sustentado podem danificar o RS e o sarcolema, resultando em regulação do Ca ++ prejudicada.

A atividade muscular intensa resulta em um débito de oxigênio, que é a quantidade de oxigênio necessária para compensar o ATP produzido sem oxigênio durante a contração muscular. O oxigênio é necessário para restaurar os níveis de ATP e fosfato de creatina, converter o ácido láctico em ácido pirúvico e, no fígado, converter o ácido láctico em glicose ou glicogênio. Outros sistemas usados ​​durante o exercício também requerem oxigênio, e todos esses processos combinados resultam no aumento da frequência respiratória que ocorre após o exercício. Até que o débito de oxigênio seja atendido, a ingestão de oxigênio é elevada, mesmo após a interrupção do exercício.

Relaxamento de um músculo esquelético

O relaxamento das fibras musculares esqueléticas e, por fim, do músculo esquelético, começa com o neurônio motor, que para de liberar seu sinal químico, ACh, na sinapse no NMJ. A fibra muscular será repolarizada, fechando as portas no RS onde o Ca ++ estava sendo liberado. As bombas acionadas por ATP moverão o Ca ++ do sarcoplasma de volta para o SR. Isso resulta na "proteção" dos locais de ligação da actina nos filamentos finos. Sem a capacidade de formar pontes cruzadas entre os filamentos finos e grossos, a fibra muscular perde sua tensão e relaxa.

Força muscular

O número de fibras musculares esqueléticas em um determinado músculo é determinado geneticamente e não muda. A força muscular está diretamente relacionada à quantidade de miofibrilas e sarcômeros em cada fibra. Fatores como hormônios e estresse (e esteróides anabolizantes artificiais), agindo no músculo podem aumentar a produção de sarcômeros e miofibrilas dentro das fibras musculares, uma alteração chamada hipertrofia, que resulta no aumento da massa e volume do músculo esquelético. Da mesma forma, a diminuição do uso de um músculo esquelético resulta em atrofia, onde o número de sarcômeros e miofibrilas desaparece (mas não o número de fibras musculares). É comum que um membro engessado mostre músculos atrofiados quando o gesso é removido, e certas doenças, como a poliomielite, mostram músculos atrofiados.

A distrofia muscular de Duchenne (DMD) é um enfraquecimento progressivo dos músculos esqueléticos. É uma das várias doenças referidas coletivamente como "distrofia muscular". A DMD é causada pela falta da proteína distrofina, que ajuda os filamentos finos das miofibrilas a se ligarem ao sarcolema. Sem distrofina suficiente, as contrações musculares causam a ruptura do sarcolema, causando um influxo de Ca ++, levando a danos celulares e degradação das fibras musculares. Com o tempo, conforme o dano muscular se acumula, a massa muscular é perdida e maiores comprometimentos funcionais se desenvolvem.

DMD é uma doença hereditária causada por um cromossomo X anormal. Afeta principalmente homens e geralmente é diagnosticado na primeira infância. A DMD geralmente aparece pela primeira vez como dificuldade de equilíbrio e movimento e, em seguida, progride para uma incapacidade de andar. Ele continua progredindo para cima no corpo das extremidades inferiores para a parte superior do corpo, onde afeta os músculos responsáveis ​​pela respiração e circulação. Em última análise, causa a morte devido a insuficiência respiratória, e as pessoas afetadas geralmente não vivem além dos 20 anos.

Como a DMD é causada por uma mutação no gene que codifica a distrofina, pensava-se que a introdução de mioblastos saudáveis ​​em pacientes poderia ser um tratamento eficaz.Mioblastos são as células embrionárias responsáveis ​​pelo desenvolvimento muscular e, idealmente, carregariam genes saudáveis ​​que poderiam produzir a distrofina necessária para a contração muscular normal. Essa abordagem tem sido amplamente malsucedida em humanos. Uma abordagem recente envolveu a tentativa de aumentar a produção muscular de utrofina, uma proteína semelhante à distrofina que pode ser capaz de assumir o papel de distrofina e prevenir a ocorrência de danos celulares.

Revisão do Capítulo

Um sarcômero é a menor porção contrátil de um músculo. As miofibrilas são compostas por filamentos grossos e finos. Filamentos grossos são compostos pela proteína miosina filamentos finos são compostos pela proteína actina. A troponina e a tropomiosina são proteínas reguladoras.

A contração muscular é descrita pelo modelo de filamento deslizante de contração. ACh é o neurotransmissor que se liga à junção neuromuscular (NMJ) para desencadear a despolarização, e um potencial de ação viaja ao longo do sarcolema para desencadear a liberação de cálcio do RS. Os locais de actina são expostos após o Ca ++ entrar no sarcoplasma a partir de seu armazenamento de SR para ativar o complexo troponina-tropomiosina de modo que a tropomiosina se afaste dos locais. A ponte cruzada das cabeças de myposin encaixando-se nos locais de ligação da actina é seguida pelo “golpe de força” - o deslizamento dos filamentos finos por filamentos grossos. Os golpes de energia são alimentados por ATP. Por fim, os sarcômeros, miofibrilas e fibras musculares encurtam para produzir movimento.

Perguntas sobre links interativos

A liberação de íons de cálcio inicia as contrações musculares. Assista a este vídeo para aprender mais sobre o papel do cálcio. (a) O que são “túbulos T” e qual é sua função? (b) Descreva também como os locais de ligação da actina são disponibilizados para a ponte cruzada com as cabeças de miosina durante a contração.

(a) Os túbulos T são extensões internas do sarcolema que desencadeiam a liberação de Ca ++ do SR durante um potencial de ação. (b) O Ca ++ se liga à troponina, e isso desliza os bastonetes de tropomiosina para longe dos locais de ligação.

Perguntas de revisão

No músculo relaxado, o local de ligação da miosina na actina é bloqueado por ________.

De acordo com o modelo de filamento deslizante, os locais de ligação na actina abrem quando ________.

  1. níveis de fosfato de creatina aumentam
  2. Os níveis de ATP aumentam
  3. níveis de acetilcolina aumentam
  4. aumento dos níveis de íons de cálcio

A membrana celular de uma fibra muscular é chamada de ________.

O relaxamento muscular ocorre quando ________.

  1. íons de cálcio são ativamente transportados para fora do retículo sarcoplasmático
  2. íons de cálcio se espalham para fora do retículo sarcoplasmático
  3. íons de cálcio são ativamente transportados para o retículo sarcoplasmático
  4. íons de cálcio se difundem no retículo sarcoplasmático

Durante a contração muscular, a ponte cruzada se desprende quando ________.

  1. a cabeça da miosina se liga a uma molécula de ADP
  2. a cabeça da miosina se liga a uma molécula de ATP
  3. íons de cálcio se ligam à troponina
  4. íons de cálcio se ligam à actina

Filamentos finos e grossos são organizados em unidades funcionais chamadas ________.

Questões de pensamento crítico

Como as contrações musculares seriam afetadas se as fibras musculares esqueléticas não tivessem túbulos T?

Sem os túbulos T, a condução do potencial de ação para o interior da célula aconteceria muito mais lentamente, causando atrasos entre a estimulação neural e a contração muscular, resultando em contrações mais lentas e fracas.

O que causa a aparência estriada do tecido muscular esquelético?

Bandas escuras A e bandas I claras se repetem ao longo das miofibrilas, e o alinhamento das miofibrilas na célula faz com que toda a célula apareça estriada.

Como as contrações musculares seriam afetadas se o ATP fosse completamente esgotado em uma fibra muscular?

Sem ATP, as cabeças da miosina não podem se separar dos locais de ligação da actina. Todas as pontes cruzadas “presas” resultam em rigidez muscular. Em uma pessoa viva, isso pode causar uma condição como "cãibras do escritor". Em uma pessoa recentemente morta, resulta em rigor mortis.

Glossário


Qual é o papel do ATP na contração muscular?

De acordo com a Muscle Physiology da University of California, San Diego, o ATP fornece a energia necessária para que os músculos se contraiam. Ironicamente, o ATP também é necessário para o relaxamento muscular. A substância química estimula o relaxamento muscular ao desconectar a miosina e a actina.

O ATP, também conhecido como trifosfato de adenosina, é a principal fonte de energia para muitas funções do corpo, incluindo a contração muscular, observa a Wikipedia. De acordo com a fisiologia muscular, a contração e o relaxamento muscular são obtidos através do mecanismo de hidrólise da actomiosina ATPase de Lymn-Taylor. Os cientistas ainda não descobriram totalmente a ligação entre o mecanismo de hidrólise da actomiosina ATPase de Lymn-Taylor e a função mecânica da ponte cruzada, que também desempenha um papel crítico na contração muscular. No entanto, Lymn e Taylor, os cientistas por trás da descoberta do mecanismo de hidrólise da actomiosina ATPase de Lymn-Taylor, teorizam que o ATP desempenha seu papel por meio de um processo dividido em quatro partes.

Primeiro, o ATP se liga à miosina, quebrando uma ponte actina-miosina e fazendo com que as contrações musculares parem. A miosina livre e sua ponte então se movem para um ponto onde podem se ligar à actina. Nesse ponto, o ATP é decomposto em difosfato de adenosina e Pi, gerando energia, explica a fisiologia muscular. O ADP, o Pi e a ponte de miosina então se ligam à actina, causando a contração muscular. Durante a fase de relaxamento muscular, a actina desloca ADP e Pi na ponte cruzada da miosina. ADP e Pi são então reconstituídos em ATP pelo corpo, e o processo começa novamente. A contração muscular também requer que o cérebro, o sistema nervoso e outros sistemas do corpo funcionem adequadamente.


Síntese

O ATP pode ser sintetizado a partir de vários processos. A cadeia de transporte de elétrons em animais e plantas é a fonte mais importante de ATP dentro das células. Nesta seção, discutiremos várias maneiras utilizadas pelas células vivas para produzir ATP.

Síntese de AMP e ADP

Monofosfato de adenosina (AMP) é o precursor tanto do ADP quanto do ATP. É sintetizado nas células durante o processo de síntese de nucleosídeos. Em uma molécula de ribose-5-fosfato, o anel de purina é feito com dióxido de carbono e vários aminoácidos. O produto imediato é monofosfato de inosina (IMP).

Esta molécula IMP é convertida em AMP em duas etapas

  • Na primeira etapa, o IMP é condensado com aspartato para formar adenilosuccinato usando a energia fornecida pelo GTP. Esta reação é catalisada pela enzima adenilosuccinato sintetase.
  • Na segunda etapa, o adenilossuccinato perde fumarato para formar monofosfato de adenosina. Esta reação é catalisada pela enzima adenilosuccinase.

Uma vez que o AMP foi feito, ele é fosforilado para formar ADP pela enzima adenilato quinase. O ADP atua como o precursor imediato do ATP.

As células têm um grande pool de ADP que pode ser convertido em ATP pela enzima ATP sintase. Este processo de fosforilação requer energia que pode ser fornecida por vários processos. Os dois processos mais importantes são

Fosforilação oxidativa

É a fosforilação de ADP em ATP acoplada à cadeia de transporte de elétrons. A fosforilação oxidativa é a principal via pela qual a energia é obtida na forma de ATP usando vários combustíveis.

A cadeia de transporte de elétrons (ETC) é uma série de complexos enzimáticos que se organizam em ordem decrescente de poder redutor. Está presente na membrana mitocondrial interna e é uma importante fonte de síntese de ATP em células animais. As células das plantas usam a fonte mitocondrial para gerar energia a partir da glicose e de outros combustíveis à noite.

Os elétrons derivados de vários combustíveis de energia na glicose semelhante a células, ácidos graxos, etc. são transportados para a cadeia de transporte de elétrons por transportadores como NADH e FADH2. Conforme os elétrons passam pela cadeia de transporte de elétrons, eles liberam uma grande quantidade de energia. Esta energia é usada para bombear os prótons (H +) da matriz mitocondrial para o espaço intermembranoso (um espaço entre as membranas mitocondriais interna e externa)

Os prótons no espaço intermembranoso mitocondrial já estão em maior concentração. Eles tendem a se mover para baixo no gradiente de concentração na matriz mitocondrial. Eles fazem isso passando por um canal de prótons.

O canal de prótons é uma parte da enzima ATP sintase. Conforme um próton passa por este canal, ele libera energia. Esta energia é usada para fosforilar o ADP para formar ATP.

Reação Z

É o outro nome das reações à luz da fotossíntese. Nesta reação, a energia para a fosforilação é fornecida pela luz solar. Ocorre nas membranas tilacóides dos cloroplastos.

É uma série de reações químicas nas quais a energia dos fótons de luz é usada para mover os elétrons para um estado de redução superior. Os elétrons são obtidos da água e sua capacidade de redução é aprimorada com o uso da energia da luz. Esses elétrons são posteriormente canalizados do estado de redução superior para a cadeia de transporte de elétrons (ETC).

À medida que esses elétrons passam pela cadeia de transporte de elétrons nas membranas dos tilacóides, eles liberam energia que é usada para bombear prótons do estroma dos cloroplastos para o lúmen do tilacóide, contra seu gradiente de concentração.

Esses prótons tendem a descer no gradiente de concentração de volta ao estroma, passando pelo canal de prótons da ATP sintase, também presente na membrana tilacóide dos cloroplastos. Conforme os prótons se movem, eles liberam a energia que é usada para fosforilar ADP em ATP.

Outras reações

A fosforilação oxidativa e a reação Z são as duas principais fontes de energia para a fosforilação de ADP em ATP.

Além dessas reações, algumas reações exergônicas liberam energia suficiente para a fosforilação de ATP em ADP. Alguns exemplos de tais reações são dados abaixo.

É o processo pelo qual o oxigênio é oxidado em ácido pirúvico. A segunda fase da reação glicolítica produz energia suficiente para converter duas moléculas de ADP em ATP.

Ciclo de Krebs

Em cada ciclo de Krebs, uma molécula de GDP é convertida em GTP que, por sua vez, fornece energia para a fosforilação de ADP em ATP.

Deve-se ter em mente que além de fornecer energia para fosforilação direta, essas reações também geram portadores de elétrons como NADH e FADH.2. Esses portadores de elétrons causam a síntese de ATP via cadeia de transporte de elétrons, conforme mencionado acima.


Mecanismo de contração do filamento deslizante

Excitação

Uma vez que um potencial de ação chega ao terminal do axônio, acetilcolina é liberado, resultando na despolarização da placa motora, conforme mostrado na Figura 1. Este potencial de ação se propaga ao longo do sarcolema e para baixo o Túbulos T causando a liberação de íons Ca 2+ do cisternas terminais no citosol. Os íons Ca 2+ então se ligam à troponina causando uma mudança conformacional no complexo troponina-tropomiosina, que expõe os locais de ligação na actina. Conforme ilustrado na Figura 3, a cabeça de miosina já está energizada, como um ATP molécula se liga a uma cabeça de miosina, onde uma enzima chamada miosina ATPase hidrolisa o ATP. Isso libera a energia, resultando em uma extensão da cabeça da miosina, carregando alta energia, enquanto mantém o ADP e um grupo fosfato temporariamente.

Contração

Esta cabeça de miosina energizada e armada liga-se a um local ativo no local de ligação à actina exposto, conforme mostrado na Figura 3. Com um curso de potência, os finos filamentos de actina deslizam ao longo da miosina. A miosina ouve mudanças de uma posição estendida de alta energia para uma posição flexionada de baixa energia. ADP e um grupo fosfato são lançados. A cabeça da miosina ainda permanece ligada ao filamento de actina até que se ligue a uma nova molécula de ATP. Uma vez que um novo ATP se liga à cabeça de miosina, ele libera actina e muda de volta para uma posição estendida de alta energia, pronto para o próximo ciclo de causar golpe de força. Tal golpe de força alternativo ocorre simultaneamente em milhares de cabeças de miosina com filamentos de actina, resultando em uma contração geral de uma fibra muscular. Essas contrações que ocorrem em milhões de fibras musculares, por sua vez, fazem com que todo o músculo esquelético se contraia.

Relaxamento

Depois de um breve tempo, a acetilcolina se difunde para longe de seus locais receptores, causando o receptores de acetilcolina& # 160 para fechar como mostrado na Figura 4. A acetilcolina é então quebrada por uma enzima acetilcolinesterase presente na fenda sináptica. Logo após a contração, Íons Ca 2+ é ativamente transportado do citosol de volta ao retículo sarcoplasmático por meio de bombas especializadas de Ca 2+. O ATP é gasto neste processo de transporte ativo. Depois que os íons Ca 2+ são removidos do citosol, o complexo troponina-tropomiosina cobre os locais de ligação ativa das subunidades de actina mais uma vez, de modo que as cabeças de miosina não podem se ligar à actina. Isso resulta no relaxamento de uma célula muscular.

As figuras a seguir ilustram esses processos de excitação, contração e relaxamento do modelo de filamento deslizante:

Figura 1.Estágios de excitação de uma fibra muscular desde a chegada do potencial de ação na fibra nervosa até a geração do potencial de ação na fibra muscular.

Figura 2. Alternância excitação-contração. Eventos de potencial de ação na fibra muscular para liberação e ligação de íons Ca 2+ à troponina.

Figura 3. O mecanismo de contração do filamento deslizante. Um ciclo de eventos repetitivos que fazem com que um filamento fino deslize sobre um filamento espesso e gere tensão no músculo. 

 

Figura 4. Relaxamento de uma fibra muscular. Esses eventos vão desde a cessação de um sinal nervoso até a liberação de filamentos finos pela miosina. 


Assista o vídeo: Sistema Muscular - Contração e Relaxamento Muscular (Dezembro 2021).