Contração do Músculo Esquelético

Bom dia pessoal,

nessa matéria vamos falar um pouco sobre a estrutura e o mecanismo de contração do músculo esquelético.

Falou em músculo esquelético, lembrem-se sempre: contração voluntária (nós que decidimos, que queremos a contração - a não ser nos reflexos), base de todos os nossos movimentos. É o músculo esquelético que junto ao esqueleto e às articulações forma nosso Sistema Locomotor. Para completar, o músculo esquelético é o gerador de movimento do nosso sistema locomotor.

O atual resumo é baseado no Capítulo 6 do Livro Tratado de Fisiologia Médica - Guyton e Hall.

Cerca de 40% do nosso corpo é composto por músculo esquelético, e alguns cientistas consideram que a musculatura lisa que compõem nossos órgãos e a estriada cardíaca que forma nosso coração equivalem a mais 10%.

A figura a baixo mostra a formação básica de todos os músculos esqueléticos, compostos por inúmeras fibras musculares que possuem subunidades menores, até chegarmos nos sarcômeros e nas moléculas de actina e miosina, as bases da contração muscular esquelética.

Sarcolema - nome dado à membrana citoplasmática das fibras musculares. O sarcolema é revestido por uma fina camada de polissacarídeos rica em colágeno, e em cada extremidade da fibra, essa fina camada superficial do sarcolema funde-se às fibras do tendão, cuja função é inserir o músculo no osso (bem resumidamente!).

- Miofibrilas são compostas por actina e miosina:

Cada fibra muscular contém milhares de miofibrilas. Cada miofibrila é composta por filamentos de actina (cerca de 3.000 filamentos) e miosina (cerca de 1.500), actina e miosina são as grandes responsáveis pela contração muscular (todas essas estruturas estão demonstradas na figura 1).

Agora, observem a figura a baixo para continuarmos a discussão sobre a estrutura do músculo:

A figura demonstra as formações conhecidas como sarcômeros, que são as unidades contráteis dos músculos esqueléticos. Notem que existem filamentos espessos (compostos por miosina, centrais) e filamentos finos (compostos por actina, de ambos os lados). Tanto os filamentos de actina quanto os de miosina são conectados a uma linha vertical, conhecida como Disco Z. Este disco Z é uma proteína filamentosa que liga todas as miofibrilas da fibra muscular (ajudando na estabilidade do músculo), é ela também, que confere o aspecto característico de músculo estriado, tanto ao músculo esquelético quanto ao cardíaco.

Além do disco Z, observem na primeira figura que existem algumas faixas, conhecidas como faixa A, I e H. As mais comumente abordadas, a faixa I é clara e só contém filamentos de actina e a faixa A, escura, que contém os filamentos de miosina e as extremidades dos filamentos de actina, onde se superpõem aos filamentos de miosina. Como pode-se notar nas duas figuras, o filamento grosso de miosina possui algumas projeções laterais, conhecidas como Pontes Cruzadas, cuja interação com os filamentos finos de actina garantem a contração.

Notem, então, que o sarcômero é segmento da miofibrila que se encontra entre dois discos Z, e é essa estrutura, pelo movimento dos filamentos grossos e finos, que exerce a contração muscular. Além disso, a estabilidade do posicionamento característico dos filamentos de actina e miosina é bem difícil de ser mantida, e só acontece pelo grande número de moléculas conhecidas como Titina, observadas na figura 2.

São essas moléculas de titina que funcionam como molas, e como estão presas ao disco Z permitem que a estrutura mantenha sua estabilidade durante a contração.

Observem na figura a baixo a diferença entre a miofibrila relaxada e contraída:

As miofibrilas que formam cada fibra muscular estão dispostas de tal forma que entre elas existe o sarcoplasma, que pode ser chamado também de líquido intracelular. Além de conter grande quantidade de íons, como potássio e o magnésio, o sarcoplasma contém muitas mitocôndrias. E por que? Pelo motivo óbvio, a contração muscular é um processo ativo que precisa de muita energia para acontecer, quem fornece essa energia, em forma de ATP, são as mitocôndrias. Além desses constituintes, o sarcoplasma possui um retículo sarcoplasmático (retículo endoplasmático especializado do músculo), grande responsável na manutenção e liberação do cálcio, que influencia diretamente o processo de contração.

- Mecanismo Geral de Contração Muscular:

O início e a execução da contração muscular ocorrem nas seguintes etapas:

1. O estímulo sai do nosso cérebro, através do córtex motor. O potencial de ação cursa todo o nervo motor até suas terminações nas fibras musculares.
2. Em cada terminação, o nervo secreta pequenas quantidades de acetilcolina (neurotransmissor utilizados na contração muscular e também o neurotransmissor afetado no uso do botox).
3. A acetilcolina chega aos seus receptores na membrana do músculo e causa a abertura de diversos canais de sódio dependentes da acetilcolina. 
4. Isso permite uma grande entrada (influxo) de sódio nas fibras musculares, o que causa despolarização dessas fibras. Isso desencadeia o potencial de ação nas fibras.
5. O potencial de ação se propaga por toda a membrana da fibra muscular.
6. O potencial de ação então se propaga para dentro da fibra muscular, através das linhas T. Agindo agora sobre o retículo sarcoplasmático.
7. Quando ativado, o retículo sarcoplasmático libera cálcio no sarcoplasma, que ativa as forças atrativas entre os filamentos de actina e miosina, fazendo com que deslizem ao lado um do outro, que é o processo contrátil.
8. Após fração de segundo, os íons cálcio são bombeados novamente para o retículo sarcoplasmático (por bombas de cálcio presentes na membrana do retículo) e são armazenados até o próximo potencial de ação. A remoção dos íons cálcio das miofibrilas faz com que cesse a contração muscular.

Mas vamos ver agora como isso ocorre a um nível molecular, porque como disse lá em cima, esse processo precisa da energia fornecida pelo ATP para acontecer:

A contração muscular ocorre por mecanismos de deslizamento dos filamentos. 

Mas, o que faz com que os filamentos de actina deslizem por entre os filamentos de miosina? 

Isso resulta da força gerada pela interação das pontes cruzadas dos filamentos de miosina com os filamentos de actina. 

Em condições de repouso, essas forças são inativas. Mas quando chega o potencial de ação, ele faz com que o retículo sarcoplasmático libere grande quantidade de cálcio, que rapidamente circulam pelas miofibrilas. Os íons cálcio, por sua vez, ativam as forças entre os filamentos de miosina e actina, e a contração se inicia. Mas, energia é necessária para que a contração continue, e essa energia é derivada da quebra da molécula de ATP em ADP, liberando energia. 

Observem a baixo a estrutura das moléculas de miosina e de actina. Notem, na parte A da figura, que as cabeças de miosina possuem mitocôndrias em sua volta (fornecimento direto de ATP).

Lembrem-se: essas projeções do filamento de miosina, chamadas de cabeças de miosinas, formam a estrutura que chamamos lá em cima de pontes cruzadas. Grande responsável pelo movimento dos filamentos durante a contração.

- Atividade ATPase da cabeça de miosina:

Outra característica da cabeça de miosina, fundamental no processo de contração muscular, é sua atividade de enzima ATPase. Essa propriedade permite que a cabeça de miosina clive a molécula de ATP e utilize a energia derivada das ligações de alta energia do fosfato do ATP para energizar o processo de contração.

Traduzindo: a função de ATPase da cabeça de miosina permite a quebra das moléculas de ATP, assim ela consegue obter a energia necessária para continuar o processo de contração.

- Filamentos de Actina:

Os filamentos de actina são compostos pela viga mestre, a proteína actina, que como mostra a figura a cima é formado por uma dupla hélice de proteínas entrelaçadas, com locais conhecidos como locais ativos (bolinhas pretas na figura a cima). Os filamentos de actina também são compostos por uma proteína chamada tropomiosina, que durante o período de repouso recobre os locais ativos do filamento de actina, impedindo o contato com a miosina (evitando a contração).

Ligado aos lados da molécula de tropomiosina, ainda temos um complexo de três proteínas conhecido como troponina. A troponina é formada então, por 3 subunidades, a subunidade I (troponina I) que se liga a actina, a troponina T, que se liga à tropomiosina e a troponina C, que se liga ao cálcio. Acredita-se hoje que esse complexo de troponina seja o grande responsável por ligar a tropomiosina com a actina.

- Inibição do Filamento de Actina pelo Complexo Troponina-Tropomiosina e Ativação pelos íons cálcio:

Se o filamento de actina não fosse ligado ao complexo troponina-tropomiosina, ele se ligaria instantaneamente e fortemente às cabeças de miosina, gerando contração. Por isso que, no repouso, 

existe o complexo troponina-tropomiosina recobrindo os sítios ativos da troponina, assim, ele impede, fisicamente, o contato entre a actina e as pontes cruzadas da miosina.

Essa situação deixa clara a importância dos íons cálcio nesse processo. Quando o potencial de ação chega pela fibra muscular nessa região do sarcômero, ele estimula a liberação de cálcio pelos retículos sarcoplasmáticos, o cálcio então interage com a troponina C, ela gera uma alteração conformacional e o complexo troponina-tropomiosina destampa (ou descobre) os locais ativos da actina, permitindo a interação entre actina e miosina, gerando a contração.

Teoria do "Ir adiante" (Walk-Along) da contração muscular:

Tão logo os filamentos de actina são ativados pelos íons cálcio, as pontes cruzadas da cabeça de miosina são atraídas pelos locais ativos dos filamentos de actina, o que permite o início da contração. Acredita-se que a contração seja gerada, através da interação entre os sítios ativos da actina e as pontes cruzadas das cabeças de miosina, através do mecanismo conhecido como "Walk-Along". Como mostrado na figura a baixo:

A figura a cima mostra esse mecanismo. No desenho, duas cabeças de miosina se ligam e se desligam dos locais ativos do filamento de actina. Acredita-se que quando a cabeça se liga ao local ativo, essa ligação provoca alterações nas forças intramoleculares entre a cabeça e o braço dessas pontes cruzadas. O novo alinhamento de forças faz com que a cabeça se incline em direção ao braço e leva com ela o filamento de actina. Essa inclinação da cabeça é chamada de força de deslocamento ou movimento de força. Então, imediatamente após a inclinação da cabeça, ela instantaneamente se desliga do filamento de actina, retornando para sua posição normal (estendida). Nessa posição, ela se combina novamente com um sítio ativo, situado mais adiante no filamento de actina. Então, após se ligar, a cabeça novamente se inclina para efetuar novo movimento de força, e o filamento de actina se move outro passo. Desse modo, as pontes cruzadas das cabeças se inclinam para frente e para trás, passo a passo, ao longo do filamento de actina, puxando as extremidades livres de dois filamentos sucessivos de actina em direção ao centro do filamento de miosina.

Como mostrado no gif a baixo:

- ATP como fonte de energia para contração:

Quando um músculo se contrai, é realizado trabalho com necessidade de energia. Grandes quantidades de ATP são degradadas (por isso tantas mitocôndrias na região), formando ADP durante o processo de contração. Quanto maior a quantidade de trabalho realizado pelo músculo, maior a quantidade de ATP degrada. (acredito que aqui seja a relação da quantidade de fibra muscular ativada, dependendo do peso ou do movimento que estamos realizando, com  a quantidade de ATP necessário).

Acredita-se que esse efeito ocorra da seguinte maneira:

1. Antes do início da contração, as pontes cruzadas das cabeças de miosina se ligam ao ATP. A atividade ATPase das cabeças imediatamente clivam (quebram) o ATP, mas deixa o ADP e o íons fosfato resultantes guardados como produtos dessa clivagem. Nessa etapa, a conformação da cabeça é tal que se estende perpendicularmente em direção ao filamento de actina, mas não se liga a ele.
2. Quando o complexo troponina-tropomiosina se liga ao cálcio e descobre os sítios ativos da actina, as cabeças de miosina conseguem se ligar a eles;
3. A ligação entre a ponte cruzada da cabeça e o local ativo no filamento de actina causa alteração conformacional na cabeça, fazendo com que se incline em direção ao braço da ponte cruzada. Essa alteração é quem gera o movimento de força para puxar o filamento de actina. A energia que ativa o movimento de força é a energia armazenada, como uma mola "engatilhada", pela alteração conformacional que ocorreu na cabeça quando as moléculas de ATP foram clivadas;
4. Uma vez que a cabeça da ponte cruzada esteja inclinada, isso permite a liberação do ADP e do íon fosfato que estavam ligados à cabeça. No local onde foi liberado o ADP, nova molécula de ATP se liga. A ligação desse novo ATP causa o desligamento da cabeça de miosina do filamento de actina.
5. Após a cabeça ter sido desligada da actina, a nova molécula de ATP é clivada para que seja iniciado um novo ciclo, levando a um novo movimento de força. Ou seja, a energia volta a "engatilhar" a cabeça em sua posição perpendicular, pronta para começar o novo ciclo do movimento de força.
6. Quando a cabeça engatilhada (com energia armazenada derivada da clivagem do ATP) se liga ao novo local ativo no filamento de actina, ela descarrega e de novo fornece outro movimento de força.

Desse modo, o processo ocorre sucessivamente até que os filamentos de actina puxem a membrana Z contra as extremidades dos filamentos de miosina, ou até que a carga sobre os músculos fique demasiadamente forte para que ocorra mais tração.

Essa primeira matéria sobre músculo se encerra aqui pessoal, logo vou soltar uma que fala apenas da Junção Neuromuscular, ou seja, do local de contato entre o músculo e o nevo, ou entre o neurônio e o músculo!