10.4: Contração e relaxamento das fibras musculares
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Ao final desta seção, você poderá:
- Descreva os componentes envolvidos em uma contração muscular
- Explique como os músculos se contraem e relax
- Descreva o modelo de filamento deslizante da contração muscular
A sequência de eventos que resulta na contração de uma fibra muscular individual começa com um sinal — o neurotransmissor, Ach — do neurônio motor inervando essa fibra. A membrana local da fibra se despolarizará à medida que íons de sódio carregados positivamente (Na +) entrarem, desencadeando um potencial de ação que se espalha para o resto da membrana que se despolarizará, incluindo os túbulos T. Isso desencadeia a liberação de íons de cálcio (Ca ++) do armazenamento no retículo sarcoplasmático (SR). O Ca ++ então inicia a contração, que é sustentada pelo ATP (Figura 10.8). Enquanto os íons Ca ++ permanecerem no sarcoplasma para se ligarem à troponina, o que mantém os sítios de ligação à actina “sem proteção”, e enquanto o ATP estiver disponível para impulsionar o ciclo da ponte cruzada e a tração dos fios de actina pela miosina, a fibra muscular continuará a encurtar até um limite anatômico.
A contração muscular geralmente cessa quando a sinalização do neurônio motor termina, o que repolariza o sarcolema e os túbulos T e fecha os canais de cálcio dependentes da voltagem no SR. Os íons Ca ++ são então bombeados de volta para o SR, o que faz com que a tropomiosina reproteja (ou recobre) os locais de ligação nas cadeias de actina. Um músculo também pode parar de se contrair quando fica sem ATP e fica fatigado (Figura 10.9).
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A liberação de íons cálcio inicia as contrações musculares. Assista a este vídeo para saber mais sobre o papel do cálcio. (a) O que são “túbulos T” e qual é o papel deles? (b) Descreva como os sítios de ligação à actina são disponibilizados para cruzamento com cabeças de miosina durante a contração.
Os eventos moleculares do encurtamento da fibra muscular ocorrem dentro dos sarcômeros da fibra (veja a Figura 10.10). A contração de uma fibra muscular estriada ocorre quando os sarcômeros, dispostos linearmente dentro das miofibrilas, se 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. Essa zona onde filamentos finos e grossos se sobrepõem é muito importante para a contração muscular, pois é o local onde se inicia o movimento do filamento. Filamentos finos, ancorados em suas extremidades pelos discos Z, não se estendem completamente para a região central que contém apenas filamentos espessos, ancorados em suas bases em um ponto chamado linha M. Uma miofibrila é composta por muitos sarcômeros que percorrem seu comprimento; assim, as miofibrilas e as células musculares se contraem à medida que os sarcômeros se contraem.
O modelo de contração do filamento deslizante
Quando sinalizada por um neurônio motor, uma fibra muscular esquelética se contrai quando 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 de contração muscular (Figura 10.10). O deslizamento só pode ocorrer quando os sítios de ligação à miosina nos filamentos de actina são expostos por uma série de etapas que começam com a entrada de Ca ++ no sarcoplasma.
A tropomiosina é uma proteína que contorna 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 de troponina-tropomiosina. O complexo troponina-tropomiosina impede que as “cabeças” da miosina se liguem aos sítios ativos dos microfilamentos de actina. A troponina também tem um local de ligação para íons Ca ++.
Para iniciar a contração muscular, a tropomiosina precisa expor o local de ligação da miosina em um filamento de actina para permitir a formação de ponte cruzada entre os microfilamentos de actina e miosina. A primeira etapa do processo de contração é que o Ca ++ se ligue à troponina para que a tropomiosina possa se afastar dos locais de ligação nas cadeias 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 da miosina para deslizar pelos filamentos grossos em direção ao centro do sarcômero. Mas cada cabeça só pode percorrer uma distância muito curta antes de atingir seu limite e deve ser “inclinada novamente” antes de poder puxar novamente, uma etapa que requer ATP.
ATP e contração muscular
Para que os filamentos finos continuem a deslizar por filamentos grossos durante a contração muscular, as cabeças de miosina devem puxar a actina nos locais de ligação, soltar, recolocar, fixar-se em mais locais de ligação, puxar, soltar, recolocar, etc. Esse movimento repetido é conhecido como ciclo de ponte cruzada. Esse movimento das cabeças de miosina é semelhante ao dos remos quando um indivíduo rema um barco: a raquete dos remos (as cabeças da miosina) puxa, é levantada da água (desprende), reposicionada (recolocada) e depois imersa novamente para puxar (Figura 10.11). 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 de ponte cruzada ocorre quando a cabeça da miosina se liga à actina, enquanto o difosfato de adenosina (ADP) e o fosfato inorgânico (P i) ainda estão ligados à miosina (Figura 10.11 a, b). O P i é então liberado, fazendo com que a miosina forme uma ligação mais forte à actina, após o qual a cabeça da miosina se move em direção à linha M, puxando a actina junto com ela. Quando a actina é puxada, os filamentos se movem aproximadamente 10 nm em direção à linha M. Esse movimento é chamado de curso de força, pois o movimento do filamento fino ocorre nesta etapa (Figura 10.11 c). Na ausência de ATP, a cabeça da miosina não se desprenderá 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 ao ATP faz com que a cabeça da miosina se separe da actina (Figura 10.11 d). Depois que isso ocorre, o ATP é convertido em ADP e P i pela atividade intrínseca da ATPase da miosina. A energia liberada durante a hidrólise do ATP muda o ângulo da cabeça da miosina para uma posição inclinada (Figura 10.11 e). A cabeça da miosina está agora em posição para novos movimentos.
Quando a cabeça da miosina está inclinada, a miosina está em uma configuração de alta energia. Essa energia é gasta à medida que a cabeça da miosina se move através do curso de força e, no final do golpe de força, a cabeça da 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 em vigor e a actina e a miosina estão unidas. Enquanto o ATP estiver disponível, ele se liga prontamente 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 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 à actina, de modo que as pontes cruzadas permaneçam no lugar, causando rigidez nos músculos esqueléticos.
Fontes de ATP
O ATP fornece a energia para que a contração muscular ocorra. Além de seu papel direto no ciclo de ponte cruzada, a ATP também fornece energia para as bombas 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, suficiente apenas para alimentar alguns segundos de contrações. À medida que é decomposto, o ATP deve, portanto, ser regenerado e substituído rapidamente para permitir uma contração sustentada. Existem três mecanismos pelos quais o ATP pode ser regenerado nas células musculares: metabolismo do fosfato de creatina, glicólise anaeróbica e respiração aeróbica.
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 rapidamente mais ATP. 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. Essa reação é catalisada pela enzima creatina quinase e ocorre muito rapidamente; assim, o ATP derivado do fosfato de creatina alimenta os primeiros segundos da contração muscular. No entanto, o fosfato de creatina só pode fornecer aproximadamente 15 segundos de energia, momento em que outra fonte de energia deve ser usada (Figura 10.12).
À medida que o ATP produzido pelo fosfato de creatina se esgota, os músculos recorrem à glicólise como fonte de ATP. A glicólise é um processo anaeróbico (não dependente de oxigênio) que decompõe 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 pela metabolização do glicogênio armazenado no músculo. A quebra de uma molécula de glicose produz duas moléculas de ATP e duas moléculas de ácido pirúvico, que podem ser usadas na respiração aeróbica ou quando os níveis de oxigênio estão baixos, convertidas em ácido lático (Figura 10.12 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, 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 suficientemente aos músculos. A glicólise em si não pode ser sustentada por muito tempo (aproximadamente 1 minuto de atividade muscular), mas é útil para facilitar explosões 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 decomposição da glicose ou de outros nutrientes na presença de oxigênio (O 2) 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 nas mitocôndrias. 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 versus quatro da glicólise. No entanto, a respiração aeróbica não pode ser sustentada sem um suprimento constante de O 2 para o músculo esquelético e é muito mais lenta (Figura 10.12 c). Para compensar, os músculos armazenam uma pequena quantidade de excesso de oxigênio em proteínas chamadas mioglobina, permitindo contrações musculares mais eficientes e menos fadiga. O treinamento aeróbico também aumenta a eficiência do sistema circulatório para que o O 2 possa 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 alguns fatores tenham sido correlacionados com a diminuição 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 na produção muscular breve e intensa do que em esforços sustentados e de menor intensidade. O acúmulo de ácido lático 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 SR. Longos períodos de exercícios contínuos podem danificar o SR e o sarcolema, resultando em comprometimento da regulação do Ca ++.
A atividade muscular intensa resulta em uma dívida 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 lático em ácido pirúvico e, no fígado, converter o ácido lático 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 a dívida de oxigênio seja atingida, a ingestão de oxigênio é elevada, mesmo após a interrupção do exercício.
Relaxamento de um músculo esquelético
O relaxamento das fibras musculares esqueléticas e, finalmente, do músculo esquelético, começa com o neurônio motor, que para de liberar seu sinal químico, ACh, na sinapse do NMJ. A fibra muscular se repolarizará, o que fecha os portões do SR onde o Ca ++ estava sendo liberado. As bombas acionadas por ATP moverão o Ca ++ do sarcoplasma de volta para o SR. Isso resulta na “reblindagem” dos locais de ligação à actina nos filamentos finos. Sem a capacidade de formar pontes cruzadas entre os filamentos finos e grossos, a fibra muscular perde a 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 dentro de cada fibra. Fatores como hormônios e estresse (e anabolizantes artificiais) que atuam 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 do 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, mostrem músculos atrofiados.
Distúrbios do...
Sistema muscular
A distrofia muscular de Duchenne (DMD) é um enfraquecimento progressivo dos músculos esqueléticos. É uma das várias doenças conhecidas coletivamente como “distrofia muscular”. O DMD é causado 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, à medida que os danos musculares se acumulam, a massa muscular é perdida e maiores deficiências funcionais se desenvolvem.
O DMD é um distúrbio hereditário causado por um cromossomo X anormal. Ela afeta principalmente homens e geralmente é diagnosticada na primeira infância. O DMD geralmente aparece primeiro como dificuldade de equilíbrio e movimento e, em seguida, progride para a 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 pela circulação. Em última análise, causa a morte devido à insuficiência respiratória, e as pessoas afetadas geralmente não vivem além dos 20 anos.
Como o DMD é causado por uma mutação no gene que codifica a distrofina, acreditava-se que a introdução de mioblastos saudáveis nos pacientes poderia ser um tratamento eficaz. Os 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 evitar que ocorram danos celulares.