Interação actina-miosina e sua regulação
Misturas de miosina e actina em tubos de ensaio são usadas para estudar a relação entre a reação de degradação do ATP e a interação da miosina e da actina. A reação ATPase pode ser seguida medindo a mudança na quantidade de fosfato presente na solução. A interação miosina-actina também altera as propriedades físicas da mistura. Se a concentração de íons na solução for baixa, as moléculas de miosina agregar em filamentos. Como a miosina e a actina interagem na presença de ATP, elas formam uma massa compacta de gel; o processo é denominado superprecipitação. A interação actina-miosina também pode ser estudada em fibras musculares cuja membrana é destruída pelo tratamento com glicerol; essas fibras ainda desenvolvem tensão quando o ATP é adicionado. Uma forma de ATP que é inativa, a menos que irradiada com um feixe de laser, é útil no estudo do curso de tempo preciso subjacente à contração.
músculo: actina e miosina A estrutura dos filamentos de actina e miosina. Encyclopædia Britannica, Inc.
Se a troponina e a tropomiosina também estiverem presentes, entretanto, a actina e a miosina não interagem e o ATP não é decomposto. Este efeito inibitório corresponde ao estado de relaxamento do músculo intacto. Quando os íons de cálcio são adicionados, eles se combinam com a troponina, a inibição é liberada, a actina e a miosina interagem e o ATP é decomposto. Isso corresponde ao estado de contração do músculo intacto. O mecanismo exato pelo qual a troponina, a tropomiosina e os íons de cálcio regulam a interação miosina-actina não é totalmente acordado. No filamento fino, há uma troponina e uma molécula de tropomiosina para cada sete unidades de actina. De acordo com uma visão, Ca2+a ligação à troponina (na verdade, a subunidade TnC) induz uma mudança na posição da tropomiosina, movendo-a para longe do local onde a miosina também se liga (bloqueio estérico). Alternativamente, o movimento da tropomiosina induzido pelo cálcio, por sua vez, induz mudanças na estrutura da actina, permitindo sua interação com a miosina (modelo alostérico). Nos músculos lisos, Ca2+ativa uma enzima (quinase) que catalisa a transferência de fosfato do ATP para a miosina, e a forma fosforilada é então ativada pela actina.
Um esquema um tanto diferente de regulação opera no músculo de moluscos . Como nos músculos dos vertebrados, os íons de cálcio atuam como o iniciador da contração. A diferença é que o componente que liga os íons de cálcio no músculo do molusco é a miosina, e não um componente dos filamentos finos que contêm actina. A interação de actina e miosina fornece uma base para modelos moleculares de geração e contração de força em músculos vivos.
A junção neuromuscular
O sinal para um músculo se contrair tem origem no sistema nervoso e é transmitido ao músculo na junção neuromuscular, um ponto de contato entre o nervo motor e o músculo. Em organismos superiores, cada fibra muscular é inervada por uma única fibra nervosa motora; em outras espécies (por exemplo, crustáceos ) fibras inibidoras também estão presentes. À medida que o nervo se aproxima do músculo, ele perde seu revestimento de mielina, mas permanece parcialmente coberto por processos das células de Schwann, que em outras partes circundam o nervo e produzem mielina. O nervo então se ramifica várias vezes, recuando a superfície do músculo para formar a placa terminal que ocupa apenas uma pequena região da superfície total do músculo. O estreito (50 nm) sinapse separa o nervo do músculo e contém a membrana basal (lâmina basal). Na região subneural, a membrana muscular é profundamente dobrada, formando fendas sinápticas secundárias nas quais a membrana basal penetra.
O sinal neural é um impulso elétrico que é conduzido a partir do corpo da célula nervosa motora no medula espinhal ao longo do axônio do nervo até seu destino, a junção neuromuscular. Sem eletricidade continuidade existe entre o nervo e o músculo; o sinal é transmitido por meios químicos que requerem estruturas pré-sinápticas e pós-sinápticas especializadas.
Armazenamento de acetilcolina no terminal nervoso
O terminal nervoso contém muitas pequenas vesículas (estruturas fechadas por membrana) com cerca de 50 nm de diâmetro, cada uma contendo de 5.000 a 10.000 moléculas de acetilcolina. As mitocôndrias também estão presentes, fornecendo uma fonte de energia na forma de ATP. A acetilcolina é formada no terminal nervoso a partir da colina e da acetil-CoA por meio da ação catalítica da enzima colina acetiltransferase. A colina é obtida pela absorção ativa de colina extracelular, um produto da degradação da acetilcolina previamente liberada. As concentrações de acetilcolina (e ATP) são várias centenas de vezes mais baixas no citoplasma do que nas vesículas. O empacotamento do transmissor nas vesículas ocorre dentro do terminal nervoso e é um processo que requer energia.
Liberação de acetilcolina do terminal nervoso
As vesículas agrupam-se perto de regiões especializadas da membrana terminal do nervo chamadas de zonas ativas. A microscopia eletrônica de fratura por congelamento revela um arranjo ordenado de pequenas partículas (cerca de 10 nm de diâmetro) dentro dessas zonas ativas, que se acredita representarem canais de cálcio dependentes de voltagem. Os canais são abertos por despolarização (um aumento no potencial de membrana) da membrana terminal nervosa e seletivamente permitem a passagem de íons de cálcio.
O impulso nervoso é uma onda de despolarização que viaja ao longo do axônio do nervo motor de forma que o potencial de membrana em repouso de cerca de -70 milivolt é revertido, tornando-se brevemente positivo. No terminal nervoso, o impulso nervoso faz com que os canais de cálcio dependentes de voltagem nas zonas ativas se abram até que a despolarização diminua. Isso permite que os íons de cálcio entrem no terminal nervoso ao longo de seu gradiente de concentração. A região de concentração elevada de cálcio dentro do terminal nervoso está localizada perto das zonas ativas e, por um processo que ainda não é compreendido, faz com que as vesículas nesta região se fundam com a membrana do terminal nervoso e se abram para fora (exocitose), descarregando assim seus conteúdos na sináptica fenda . Um impulso nervoso causa a liberação de cerca de 50-100 vesículas de acetilcolina em humanos e um pouco mais em algumas outras espécies.
Em altas taxas de estimulação, suficientes para causar uma contração suave (tétano) do músculo, a quantidade de transmissor liberado por impulso diminui para os primeiros impulsos (depressão sináptica), o que pode ser devido a uma redução no número de vesículas prontas para lançamento.
Após o influxo de cálcio dependente da voltagem para o terminal nervoso, é necessário que o cálcio seja removido para evitar a descarga contínua do neurotransmissor. Os mecanismos subjacentes a esse processo provavelmente envolvem a troca de sódio-cálcio através da membrana terminal nervosa e, possivelmente, a captação de cálcio pelas mitocôndrias.
A acetilcolina é liberada do terminal nervoso por dois outros processos, independentemente do impulso nervoso. Nenhum desses processos leva à contração muscular. O primeiro ocorre espontaneamente quando vesículas individuais se fundem aleatoriamente com a membrana terminal nervosa e descarregam seu conteúdo, gerando uma pequena mudança potencial (cerca de 0,5-1 milivolt), o potencial de placa terminal em miniatura. Este potencial está abaixo do limiar em que um potencial de ação é acionado no músculo célula e, portanto, não leva à contração muscular. A frequência de tais eventos varia; em humanos, eles ocorrem em cada placa terminal cerca de uma vez a cada cinco segundos. O segundo processo de liberação de acetilcolina ocorre como um vazamento molecular contínuo de neurotransmissor do terminal nervoso em vez de vesículas. A quantidade total liberada no músculo em repouso por esse meio excede em muito a liberação espontânea de vesículas individuais.
As moléculas de acetilcolina se difundem pela fenda sináptica e reagem com os receptores de acetilcolina. O número de locais de ligação da acetilcolina disponíveis excede em muito o número de moléculas de acetilcolina liberadas. A acetilcolina é rapidamente quebrada pela enzima acetilcolinesterase, que está ancorada na membrana basal, ou se difunde para fora da fenda primária, evitando assim a estimulação constante dos receptores de acetilcolina. Os medicamentos que inativam a acetilcolinesterase e, portanto, prolongam a presença de acetilcolina na fenda, podem levar a disparos repetitivos da célula muscular em resposta a um único estímulo nervoso.
Receptores de acetilcolina
Os receptores de acetilcolina são canais iônicos que atravessam a membrana pós-sináptica e possuem porções extracelulares, intramembranosas e citoplasmáticas. Eles estão localizados principalmente sobre os picos das dobras pós-sinápticas, onde estão presentes no alto densidade . Eles consistem em cinco subunidades dispostas em torno do canal iônico central.
O suprimento de receptores juncionais de acetilcolina é continuamente renovado. Os receptores são internalizados pela célula muscular e degradados em lisossomas (organelas citoplasmáticas especializadas), enquanto novos receptores são sintetizados e inseridos na membrana muscular.
No músculo normalmente inervado, os receptores estão confinados à junção neuromuscular. No músculo fetal não inervado e no músculo adulto desnervado, entretanto, os receptores de acetilcolina também são encontrados em outros lugares. Esses receptores têm propriedades ligeiramente diferentes dos receptores juncionais, notavelmente uma taxa de renovação muito maior.
Interação de receptor de acetilcolina-acetilcolina
O potencial de membrana em repouso da célula muscular é mantido em cerca de −80 milivolt. A ligação da acetilcolina ao seu receptor faz com que a molécula receptora altere sua configuração de modo que o canal iônico seja aberto por cerca de um milissegundo (0,001 segundo). Isso permite a entrada de pequenos íons positivos, principalmente sódio. A despolarização local resultante (o potencial da placa terminal) faz com que os canais de sódio dependentes de voltagem localizados ao redor da placa terminal se abram. Em um ponto crítico (o limiar de disparo para a célula muscular), um potencial de ação autogerado é disparado, fazendo com que o potencial de membrana se reverta e se torne brevemente positivo. O potencial de ação propaga sobre a membrana da fibra muscular para ativar o processo contrátil.
A amplitude do potencial da placa terminal é normalmente suficiente para trazer o potencial de membrana da célula muscular bem acima do limiar de disparo crítico. A extensão em que isso ocorre representa um fator de segurança para a transmissão neuromuscular. O fator de segurança será reduzido por qualquer evento que, ao interferir na função pré-sináptica ou pós-sináptica, reduza o tamanho do potencial da placa terminal.
Propriedades mecânicas
Os aspectos físicos
Os vertebrados são capazes de se mover e exercer e suportar forças devido à contração dos músculos estriados. Essas atividades geralmente envolvem várias estruturas que operam de maneiras diferentes. O esqueleto ao qual os músculos estão fixados funciona como um sistema de alavanca. Quando um músculo encurta, ele move as articulações que abrange. Além disso, no movimento coordenado, geralmente vários músculos se contraem de maneiras diferentes. À medida que alguns músculos encurtam, outros desenvolvem uma força enquanto estão em um comprimento fixo, e ainda outros podem ser alongados por uma força externa mesmo quando se contraem.
A força que um músculo desenvolve é uma força de tração, nunca uma força de tração. Se a carga for pequena o suficiente, o músculo pode encurtar e produzir um movimento de tração (uma condição isotônica). Se a carga for igual à força máxima que o músculo pode desenvolver, o comprimento do músculo permanecerá o mesmo (uma condição isométrica). Uma carga ainda maior alongará o músculo.
O tamanho e a taxa das respostas mecânicas à estimulação, seja por um nervo no corpo ou por choques elétricos diretos em um músculo isolado, dependem do músculo e da temperatura. Em um rã músculo sartório (da perna) a 0 ° C (32 ° F), o potencial de ação atinge seu pico de despolarização cerca de 1,5 milissegundos após o estímulo.
As mudanças iniciais de tensão requerem instrumentos de medição e registro muito mais rápidos e sensíveis do que os necessários para estudar outros aspectos do processo de contração. O período latente, os primeiros sete milissegundos, é a quantidade de tempo necessária para que o sinal elétrico, que aparece como um potencial de ação na membrana superficial, seja transladado e viaje até o aparelho contrátil dentro das fibras musculares. A explicação para o relaxamento da latência (um período de quatro milissegundos durante o qual a tensão cai ligeiramente), entretanto, não é tão clara. Pode estar relacionado a uma mudança na forma do retículo sarcoplasmático, que libera uma grande quantidade de íons de cálcio mais ou menos no momento em que ocorre o relaxamento da latência. A tensão começa a aumentar após 15 milissegundos.
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