Músculos e receptores musculares

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Por Karine Kavalco, 1998.

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Músculo esquelético

O músculo de vertebrados está sob controle voluntário e tem um aspecto de estriado. A base estrutural da contração em músculo estriado de vertebrados - o processo gerador de força mais bem conhecido - é constituído de células multinucleadas que são delimitadas por uma membrana celular eletricamente excitável (Stryer, 1996).

O músculo estriado esquelético é formado por feixes de células cilíndricas muito longas e multinucleares, que apresentam estriações transversais. Têm contração rápida, vigorosa e sujeita ao controle voluntário (Junqueira & Carneiro, 1996). Uma célula muscular contém muitas miofibrilas paralelas, cada uma com cerca de 1 mm de diâmetro, que estão imersas no citossol (Stryer, 1996).

Segundo Junqueira & Carneiro (1990), os feixes de fibras estão organizados e  envolvidos por uma membrana, o epimísio. O epimísio é composto por tecido conjuntivo que adentra o limite da fibra envolvendo feixes menores. Neste ponto o chamamos perimísio. Por sua  vez, cada fibra muscular é envolvida por uma camada muito fina constituída pela lâmina basal da fibra muscular e por fibras reticulares do endomísio. Esses envoltórios fazem com que as fibras permaneçam unidas e que não haja dissipação de forças durante a contração muscular. Essa função é importante porque a maioria das fibras não se estende de uma extremidade a outra da fibra. É ainda por este tecido conjuntivo que acontece a transmissão da força de contração do músculo a tendões, ossos, ligamentos, etc. Cada fibra muscular apresenta perto de seu centro uma terminação nervosa motora, a chamada placa motora.

Miofibrilas

O citoplasma da fibra muscular apresenta-se preenchido principalmente por fibrilas paralelas - as miofibrilas. As miofibrilas são cilíndricas e preenchem completamente o interior da fibra muscular.  Ao microscópio ótico aparecem com estriações transversais, pelas alternâncias de faixas claras e escuras. A faixa escura é anisotrópica (banda A), enquanto a faixa clara  (banda I) é isotrópica. No centro de cada banda I aparece uma linha transversal escura - a linha Z. A estriação da miofibrila é devida à repetição de unidades iguais, chamadas sarcômeros. Cada sarcômero é formado pela parte da miofibrila que fica entre duas linhas Z sucessivas e contém uma banda A separando duas semibandas I. A banda A apresenta uma zona mais clara no seu centro, a banda H. A disposição dos sarcômeros coincide nas várias miofibrilas da fibra muscular. Conseqüentemente, as bandas formas um sistema de estriações transversais, paralelas, que é característico das fibras musculares estriadas. Da linha Z partem os filamentos finos (actina) que correm até o bordo externo da banda H. Os filamentos grossos (miosina) ocupam a região central do sarcômero. Como resultado dessa disposição, a banda I é formada somente pela parte dos filamentos finos que não são invadidos pelos filamentos grossos. A banda A é formada principalmente por filamentos grossos e a banda H somente pelos filamentos grossos. Na região lateral da banda A, os filamentos finos e grossos se interdigitam. Um corte transversal nessa região mostra uma disposição simétrica tal que cada filamento grosso fica  rodeado por seis filamentos finos, num arranjo hexagonal (Junqueira & Carneiro, 1990).

As miofibrilas do músculo estriado contêm quatro proteínas principais: miosina, actina, tropomiosina e troponina. Os filamentos grossos são formados de miosina e as outras três proteínas são encontradas nos filamentos finos. A miosina e a actina, juntas, representam 55% do total de proteínas do músculo estriado (Junqueira & Carneiro, 1990).

Miosina:  a miosina tem três atividades biológicas importantes: são o principal constituinte dos filamentos grossos; é uma enzima e uma ATPase; e liga-se à actina polimerizada. ATP + H₂O  ® ADP + P_i + H⁺. 

Essa equação global, que ocorre em uma série de etapas independentes, fornece a energia livre para contração muscular. A miosina pode ser vista como uma mecanoenzima porque  ela catalisa a conversão  de energia química a mecânica. É uma proteína grande, constituídas por seis cadeias polipeptídicas: duas cadeias pesadas idênticas e dois pares de cadeias leves. A molécula consiste de duas cabeças unidas a um bastão muito longo. O bastão são duas a-hélices  formado pelas cadeias pesadas. A cadeia pesada de cada cabeça liga-se a duas cadeias leves diferentes.

Actina: é a principal constituinte dos filamentos finos. A actina é um monômero chamada actinaG, pela sua forma globular; quando a força iônica aumenta, esta polimeriza-se numa forma fibrosa , a actinaF. Como a miosina, esta proteína também é uma ATPase; o ciclo ATP-ADP da actina participa na montagem e desmonte do filamento. Todas as unidades de actina de uma filamento têm o mesmo sentido.

Triponina e tropomiosina: a actina e a miosina são mantidas sob controle pela tropomiosina e pelo complexo de troponina. Estas estão localizadas no filamento fino. A tropomiosina é um bastão filamentoso que alinha-se quase paralelamente ao eixo do filamento fino. A troponina é um complexo de três cadeias polipeptídicas: TnC, TnI e TnT. Cada complexo de troponina regula, através da tropomiosina, as interações com actina (Stryer, 1996).

Sarcolema e Sarcoplasma

O sarcolema é a membrana celular da fibra muscular. No entanto, consiste de uma membrana celular verdadeira, a membrana plasmática, e de uma fina camada de material polissacarídico similar ao da membrana basal que circunda os capilares sangüíneos; finas fibrilas colágenas também estão  presentes na camada mais externa do sarcolema. Nas extremidades  das fibras musculares, essas camadas  superficiais do sarcolema se fundem com as fibras tendinosas que, por sua vez, se reúnem em feixes para formar os tendões musculares, para então se inserirem nos ossos (Junqueira & Carneiro, 1990).

Segundo Junqueira & Carneiro (1990), as miofibrilas estão suspensas no interior da fibra muscular numa matriz denominada sarcoplasma, que é composta dos constituintes intracelulares habituais (corresponde ao citoplasma das demais células do corpo). O líquido sarcoplasmático contém grandes quantidades de potássio, magnésio, fosfato e enzimas. Também existe grande número de mitocôndrias, que se localizam entre e paralelamente às miofibrilas, o que indica grande necessidade de ATP formado naquelas organelas para que ocorra contração das miofibrilas.

Fibras vermelhas e fibras brancas

De acordo com a estrutura e composição bioquímica, as fibras musculares esqueléticas podem ser classificadas como fibras do tipo I e fibras do tipo II. As fibras do tipo I são chamadas fibras lentas e as do tipo II são chamadas fibras rápidas. De cor vermelho-escura, as fibras do tipo I são ricas em sarcoplasma, com muita mioglobina; estas fibras são adaptadas para contrações contínuas e a energia é produzida a partir da fosforilação oxidativa de ácidos graxos.  As fibras do tipo II, porém as adaptadas para  contrações rápidas e descontínuas; essas fibras contém pouca mioglobina e são de cor vermelho-clara.  As fibras do tipo II podem ainda ser divididas em tipo A, B e C. Essa classificação é feita de acordo com características funcionais e bioquímicas, como por exemplo, a estabilidade da ATPase actomiosina que elas contêm.  As fibras mais rápidas são do tipo II B e necessitam principalmente da glicólise como fonte de energia, como afirmam Junqueira & Carneiro (1990).

Biologia molecular da contração

Na década de 1950, Andrew Huxley e Ralph Niedergerke, e Hugh Huxley e Jean Hanson, independentemente, propuseram um modelo de filamentos deslizantes, baseados em estudo com raios X e microscopia ótica e eletrônica. As características essenciais deste modelo são:

O encurtamento do sarcômero é resultante do deslizamento dos filamentos de miosina pelos filamentos de actina sem mudança no seu comprimento. Este modelo do filamento deslizante, proposto pela primeira vez em 1954, foi crucial para a compreensão do mecanismo contrátil (Alberts et al., 1997).

Segundo Alberts et al. (1997), a base estrutural da interação geradora de força para o movimento é visível em micrografias eletrônicas de elevada ampliação. Os filamentos de miosina são vistos com numerosas extensões laterais, ou pontes transversais, com 13 nm de comprimento, que fazem contato com filamentos de actina adjacentes. Estas estruturas são formadas pelas cabeças de miosina. Quando o músculo se contrai, os filamentos de actina e de miosina são  puxados uns por sobre os outros pelas pontes transversais que aturam ciclicamente, como uma série de finos remos. Conforme foi anteriormente exposto, a cabeça globular, ou domínio motor da miosina liga-se ao filamentos de actina e hidrolisa ATP. Cada molécula de actina num filamento de actina tem a capacidade de ligar uma cabeça de miosina, formando um complexo que exibe a polaridade estrutural do filamento. Tais complexos, quando observados ao microscópio eletrônico após coloração negativa, revelam uma morfologia regular e característica: cada cabeça de miosina forma uma projeção lateral e a imagem sobreposta de várias dessas projeções cria um aspecto de flechas ao longo do filamento. A extremidade penetrante da flecha de miosina  corresponde à extremidade “menos” de crescimento lento do filamento de actina (extremidade “menos” termina na linha medial - linha M - da zona H). A extremidade farpada da flecha corresponde à extremidade “mais” de crescimento rápido (extremidade “mais” termina na linha Z). As cabeças da miosina se dispõem em direções opostas em ambos os lados de uma região central exposta do filamento de miosina. Uma vez que as cabeças devem interagir com os filamentos de actina na região de sobreposição, estes devem estar dispostos com polaridades opostas nos sois lados do sarcômero.

Conforme cita Stryer (1996), julga-se que o ciclo ATP-ADP na miosina produza movimento direcional da seguinte maneira:

1. No músculo em repouso, as cabeças da miosina são incapazes de interagir com as unidades de actina nos filamentos finos por causa da interferência estérica da tropomiosina. Nesse estado, os produtos da hidrólise, ADP e P_i , ainda estão unidos à miosina.

2. Quando o músculo é estimulado, a tropomiosina muda de posição. As cabeças de miosina podem assim distender-se para fora do filamento grosso e ligar-se às unidades de actina nos filamentos finos.

3. A ligação da miosina-ADP-P_i , à actina leva à liberação de P_i. A dissociação subsequente do ADP induz uma grande alteração na conformação de miosina. A mudança na orientação de miosina em relação à actina constitui o pulso de força da contração. O ADP é liberado da miosina ao final do pulso de força.

4. A subsequente ligação do ATP à miosina leva à rápida liberação de actina. A cabeça de miosina é novamente desprendida do filamento fino.

5. Finalmente, o ATP ligado é hidrolisado da cabeça livre da miosina, o que a recompõe para a próxima interação com o filamento fino.

A interação molecular geradora de força recém-descrita, ocorre somente quando o músculo esquelético recebe um sinal vindo do sue nervo motor. O sinal dispara um potencial de ação na membrana plasmática da célula muscular e, esta excitação elétrica se espalha rapidamente por uma série de dobras membranosas, os túbulos transversos, que se estendem desde a membrana plasmática para dentro, envolvendo cada miofibrila. O sinal atravessa um pequeno espaço e alcança então o retículo sarcoplasmático, um conjunto de vesículas achatadas e anastomosadas que circundam, como uma rede, cada miofibrila (Alberts et a., 1997).

Alberts et al. (1997), descrevem a junção mioneural: na junção, grandes canais liberadores de Ca⁺⁺ estendem-se como pilares a partir da membrana do retículo sarcoplasmático, conectando-se  com a membrana do túbulo transverso (T) no lado oposto. Quando as proteínas da membrana do túbulo T, sensíveis à voltagem, são ativadas pelo potencial de ação que está chegando, elas provocam a abertura de alguns dos canais de Ca⁺⁺, provavelmente por acoplamento mecânico direto. Os íons Ca⁺⁺ são liberados do retículo sarcoplasmático (onde estão armazenados em alta concentração) na fenda da junção mioneural provocando a abertura de mais canais amplificando, assim, a resposta. A entrada de grande quantidade de Ca⁺⁺ no citoplasma inicia a contração das miofibrilas. Todas as miofibrilas contraem ao mesmo tempo porque o sinal proveniente da membrana plasmática da célula muscular é transmitido, para cada sarcômero, num intervalo de milissegundos. O aumento da concentração do Ca⁺⁺ é transitório pois o íon é recaptado para o  retículo sarcoplasmático por uma Ca⁺⁺-ATPase existente na membrana do retículo. Em 30 milissegundos a concentração do Ca⁺⁺ citoplasmático alcança níveis de repouso e as miofibrilas relaxam.

A dependência de Ca⁺⁺ para a contração do músculo esquelético dos vertebrados e, portanto sua dependência dos comandos motores transmitidos via nervos, é inteiramente devida a uma grupo de proteínas acessórias intimamente associadas aos filamentos de actina. Misturando-se miosina com filamentos de actina puros num tubo de ensaio, verifica-se que a atividade de ATPase da miosina é estimulada mesmo na ausência de Ca⁺⁺, numa miofibrila normal, por outro lado, na qual os filamentos de actina estão associados com proteínas acessórias, a estimulação da atividade ATPásica da miosina é dependente de Ca⁺⁺.  A forma muscular da tropomiosina é uma destas proteínas acessórias, uma  molécula com formato de bastão (apresentada anteriormente) e que se liga no sulco da hélice de actina. Outra proteína acessória importante envolvida na regulação pelo Ca⁺⁺ do músculo esquelético de vertebrados é a troponina, formada por um complexo de três polipeptídios - troponinas T, I e C. O complexo da troponina apresenta uma forma alongada, na qual as subunidades C e I formam uma região globular e a T, uma longa cauda. A cauda da troponina T liga-se à tropomiosina e, imagina-se que seja a responsável pelo posicionamento do complexo no filamento fino. A troponina I liga-se à actina e, quando adicionada à troponina T e tropomiosina, forma um complexo que inibe a interação da actina com a miosina, mesmo na presença de Ca⁺⁺ (Alberts et al.,1997).

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Receptores musculares: Fuso Muscular e Órgão Tendinoso de Golgi

As terminações musculares são mecanoceptores da sensibilidade tecidual profunda, que detectam deformação mecânica (Guyton, 1992). Os músculos e tendões têm uma quantidade abundante de dois tipos especiais de receptores: os fusos musculares e os órgãos tendinosos de Golgi. A principal diferença entre o fuso muscular e o órgão tendinoso de Golgi é que enquanto o fuso detecta o comprimento relativo do músculo e o órgão tendinoso detecta a tensão muscular.

Fuso muscular: Cada fuso se localiza ao redor de três a dez pequenas fibras musculares intrafusais, afiladas em suas extremidades e que se inserem nas bainhas das fibras musculares esqueléticas extrafusais adjacentes. A porção receptora do fuso muscular está localizada na parte média entre suas duas extremidades, onde as fibras musculares intrafusais não têm quaisquer  elementos contráteis. Há dois tipos diferente de fibras intrafusais: fibras com bolsa nuclear (núcleos ficam agregados no interior de um saco expandido na porção central da área receptora) e as fibras com cadeia nuclear (possuem núcleos alinhados em cadeia ao longa da área receptora). O fuso pode ser excitado de duas maneiras diferentes: pelo estriamento de todo o músculo e pela contração das porções terminais das fibras intrafusais.  Observa-se dois tipos de terminações sensoriais na região receptora do fuso muscular: terminação primária (no centro da zona receptora, uma fibra grande envolve as porções centrais das fibras intrafusais formando esta terminação que transmite impulsos para a medula numa velocidade de 100m/s) e a terminação secundária (duas fibras nervosas sensoriais menores inervam a região receptora em cada lado da terminação primária; podem ser chamadas também de terminações em buquê de flores). Quando a porção receptora do fuso muscular é estirada lentamente, o número de impulsos transmitidos, tanto pela terminação primária como pela secundária, aumenta quase diretamente em proporção ao grau de estiramento, e as terminações continuam a transmitir esses impulsos durante muitos minutos. Esse efeito é chamado de resposta estática do receptor do fuso e significa simplesmente que tanto a terminação primária como a secundária continuam a transmitir seus sinais durante todo o tempo que o receptor permanecer estirado. Como apenas as fibras intrafusais do tipo com cadeia nuclear são inervadas por terminações tanto primária como secundária, acredita-se que essas fibras com cadeias nuclear sejam responsáveis pela resposta estática. Quando o comprimento do receptor do fuso aumenta subitamente, a terminação primária (mas não a terminação secundária) é estimulada. Esse estímulo excessivo da terminação primária é chamado de resposta dinâmica, que significa que a terminação primária responde de forma extremamente ativa à rápida velocidade de modificação do comprimento. Imediatamente após ser sustado o aumento de comprimento do receptor, a freqüência de descarga dos impulsos volta a nível muito baixo, correspondente à resposta estática. Ao contrário, quando há o encurtamento do receptor do fuso, essa modificação diminui momentaneamente a freqüência de impulsos provenientes da terminação primária. Portanto, a terminação primária envia ao sistema nervoso central sinais de grande intensidade alertando-o sobre qualquer alteração do comprimento da área receptora do fuso (Guyton, 1992).

Órgão tendinoso de Golgi: situam-se dentro dos tendões musculares  e imediatamente adiante de suas inserções nas fibras musculares. É um órgão estimulado pela tensão produzida por esse pequeno feixe de fibras musculares. O órgão tendinoso têm uma resposta dinâmica e uma resposta estática, respondendo com intensidade quando a tensão do músculo aumenta subitamente, mas dentro de uma pequena fração de segundo ele se acomoda em um nível inferior de disparo constante, que é quase diretamente proporcional à tensão muscular. Assim, o órgão tendinoso de Golgi proporciona ao sistema nervoso uma informação instantânea do grau de tensão de cada pequeno segmento de cada músculo. As fibras do tipo Ib transmitem sinais tanto para áreas localizadas da medula como para áreas cerebrais distantes, tais como cerebelo e córtex cerebral por meio de vias longas, tais como os feixes espinocerebelares e outros feixes para o córtex cerebral. O sinal local na medula excita interneurônio inibitório único que, por sua vez, inibe o motoneurônio anterior. Esse circuito local inibe diretamente o músculo individual, sem afetar os músculos adjacentes. Por vezes, o reflexo causado pela estimulação do órgão tendinoso quando submetido a um aumento da tensão muscular (os sinais são transmitidos para a medula espinhal para causar efeitos reflexos no próprio músculo estimulado) é inteiramente inibitório, exatamente contrário ao reflexo do fuso muscular. Outra provável função do reflexo do órgão de Golgi é a de equalizar as forças contráteis das fibras musculares dispersas, isto é, as fibras que estão exercendo tensão excessiva são inibidas, enquanto as que estão exercendo tensão muito baixa tornam-se mais excitadas (Guyton, 1992).

Bibliografia Consultada

Alberts, B; Bray, D; Lewis, J; Raff, M; Roberts, K; Watson, J. D. (1997) Biologia Molecular da Célula. Traduzido por Amauri Braga. 3.ed. Porto Alegre: Artes Médicas.

Guyton, A.C. (1992) Tratado de Fisiologia Médica. 8.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan.

Junqueira, L.C.; Carneiro, J. (1990) Histologia básica. 7.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan.

Stryer L.(1996) Bioquímica. 4.ed. Rio de Janeiro, Guanabara Koogan.

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