AULA 3 Músculo Esquelético Biofísica Molecular - Moodle

Cadeira de Biofísica Molecular
Capítulo 2
O músculo esquelético
Paula Tavares, FCUL (2012-2013)
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Os músculos
Cerca de 50% da massa corporal são músculos. 40% de músculo
esquelético e cerca de 10% de músculo cardíaco e liso (Guyton & Hall, 2005,
Textbook of Medical Physiology, Pennsylvania: Elsevier
).
Os mesmos princípios de contracção aplicam-se a todos os tipos de
músculos.
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Fisiologia Anatómica do Músculo Esquelético
Cada músculo esquelético é formado por
vários fascículos (fascicle), que por sua
vez são formados por grupos de fibras
musculares (muscle fiber ou skeletal
muscle cell). As fibras musculares tem
entre 10 a 80 µm de diâmetro, e o seu
comprimento é tipicamente o do músculo.
http://training.seer.cancer.gov/module_anatomy/unit4_2_muscle_structur
e.html
O sarcolema (ou plasmalema) é a membrana
que reveste a fibra muscular. O sarcolema é
formado por uma membrana celular revestida
no exterior por uma fina camada de
glicoproteínas e fibras de colagénio.
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Fisiologia Anatómica do Músculo Esquelético
Cada fibra muscular é formada por centenas a
milhares de miofibrilhas. Cada miofibrilha tem
cerca de 1 a 2 µm de diâmetro e encontra-se
separada das restantes miofibrilhas pelos
mitocôndrios, retículo sarcoplasmático e sistema
de túbulos T. Numa fibra muscular de cerca de
50 µm de diâmetro existem até 2000
miofibrilhas. Podem-se distinguir duas bandas na
fibra muscular.
A banda I (isotrópica – a velocidade da luz
polarizada é igual em todas às direcções),
apresenta-se mais clara porque a luz atravessa
facilmente os finos filamentos de actina que a
constituem.
A banda A (anisotrópica - a velocidade da
luz polarizada não é igual em todas as
direcções), apresenta-se mais escura por ser
composta por actina e espessos filamentos de
miosina que dificultam a passagem da luz.
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O sarcómero
O comprimento relativo das bandas varia consoante o músculo examinado se encontre
em posição de repouso, contracção, ou estiramento passivo.
O comprimento da banda A permanece constante em todas as fases de contracção. O
comprimento da banda I é maior no músculo estirado, intermédio na posição de
repouso e menor no músculo contraído.
A linha Z divide a meio cada
banda I. Os filamentos de actina
estão ligados a esta linha.
A unidade estrutural a que se
referem todos os fenómenos
morfológicos do ciclo contráctil
é o sarcómero, que se define
como sendo o segmento
compreendido entre duas linhas
Z consecutivas, incluindo uma
banda A e a metade de duas
bandas I contíguas.
A miofibrilha e o sarcómero
A miofibrilha é assim
constituida por milhares de
sarcómeros contíguos. Uma
fibra muscular de cerca de
4 cm de comprimento em
repouso é constituida por
cerca de 20000 sarcómeros
em série.
Ocupando a região central da banda A, pode ainda observar-se uma zona mais clara,
denominada zona H. Esta banda é exclusivamente constituída por filamentos de
miosina. Localizada no meio da zona H, pode ainda ser observada uma linha escura
delgada, a linha M.
A aparência estriada
dos músculos
esquelético e cardíaco
deve-se à presença
destas bandas claras e
escuras.
http://www.ks.uiuc.edu/~ericlee/Telethonin/ : Electron microscope image of striated muscle (courtesy Roger
Craig, University of Massachussettes).
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A titina
Cada molécula de titina
(proteína filamentosa) liga
a linha Z à linha M.
Na banda I, a titina possuí
uma zona elástica que é
capaz de esticar quando o
músculo é estirado (Titin
spring).
Granzier et al, 2007, Muscle Nerve 36: 740–755.
A titina é importante para a manutenção da integridade estrutural do sarcómero nas
suas várias fases de funcionamento:
• O segmento elástico da titina confere-lhe uma força passiva que posiciona as
bandas A no meio do sarcómero e mantém a homogeneidade de comprimento do
sarcómero.
• Pensa-se que pode ser responsável por restaurar o sarcómero à sua posição de
repouso no fim da contracção muscular.
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Os filamentos contrácteis
Os componentes
contrácteis básicos da
fibra muscular são
quatro proteínas, a
miosina, a actina, a
tropomiosina e a
troponina, agregadas
em dois componentes
multimoleculares a
miosina e actina (este
último é um agregado
de actina, tropomiosina
e troponina). Nenhuma
proteína, por si só,
apresenta propriedades
contrácteis.
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A miosina
A molécula individual de miosina (cerca de 50% da proteína muscular) é constituída
por seis cadeias polipeptídicas. Duas cadeias pesadas – a azul na imagem (cada uma
com 200.000 Da). Quatro cadeias leves – a amarelo e a laranja na imagem (cada
com 20.000 Da). As duas cadeias pesadas formam uma dupla hélice – a cauda da
molécula de miosina. A extremidade de cada cadeia pesada enrola-se, formando um
polipéptido globular, a cabeça da miosina (Head na imagem).
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A miosina
Existem duas cabeças livres, lado a lado,
numa das extremidades da dupla hélice de
miosina. As cabeças são o local responsável
pela actividade enzimática da molécula de
miosina e pela sua afinidade com a actina.
Uma parte da dupla hélice de miosina
afasta-se igualmente do corpo do filamento
constituindo um braço (ou pescoço) que
permite o afastamento para o exterior da(s)
cabeça(s).
As cadeias leves ajudam a controlar a função das
cabeças durante o processo de contracção muscular.
O braço e a cabeça da miosina denominam-se
conjuntamente por ponte cruzada. A ponte cruzada
é assim composta por duas partes: por um braço e por uma cabeça ligada à este.
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Os filamentos grossos: a miosina
A miosina fica com as cabeças viradas numa direcção ao longo de metade do
filamento, e na direcção oposta na outra metade, deixando uma região média livre e
isenta de projecções numa distância de aproximadamente 0.2 µm (parte central do
sarcómero – quase toda a Zona H). O comprimento total do filamento de miosina é
de 1.6 µm.
Craig et al, 2006, Curr Opin Struct
Biol, 16:204–212.
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Os filamentos grossos: a miosina
As cabeças de miosina projectam-se para fora na
direcção dos filamentos de actina e são os únicos
elos de ligação, estruturais e mecânicos, entre os
filamentos grossos e finos.
As projecções estão organizadas em pares, cada
um apresentando uma rotação de cerca de 120°
relativamente ao par precedente. Isto é importante
porque garante que as pontes cruzadas se
estendem em todas as direcções à volta do
filamento.
A miosina é especialmente flexível em dois locais:
(1) No ponto em que o braço se afasta do corpo do filamento de miosina. Permite a
rotação para o exterior da cabeça de miosina, afastando-a do corpo do filamento de
miosina, e aproximando-a da actina, com a qual interage;
(2) No ponto em que o braço se liga à cabeça da miosina. A rotação da cabeça
participa no processo de contracção.
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Os filamentos finos: a actina
Os filamentos finos são constituídos por actina,
tropomiosina e troponina.
A actina é encontrada em dois estados: a actina G (G para
globular, 42000 Da) é a sua forma monomérica; a actina F
(F para filamentosa) é a sua forma de polímero em hélice.
Relsler et al, 2007, J Biol Chem, 282: 36133–
36137.
A estrutura base do filamento fino é constituída por actina F.
Quando associada à tropomiosina e à troponina a dupla
hélice tem cerca de 13 moléculas de actina G por volta (Giganti
et al, 2003, Prog Cell Cycle Res, 5: 511-525), num total de 300 a 400
moléculas de actina G por filamento.
Cada filamento de actina tem cerca de 1 µm de
comprimento. A base dos filamentos de actina encontramse fortemente inseridas nas linhas Z.
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Os filamentos finos: a tropomiosina
Os filamento finos contém também duas fitas adicionais
de proteína, que são polímeros de moléculas de
tropomiosina (a verde na imagem), cada uma com um
peso molecular de 70.000 Da e um comprimento de 40
nm.
Os filamentos de tropomiosina enrolam-se à volta da
actina F, preenchendo os dois sulcos da dupla hélice de
actina, de tal forma que cada molécula de tropomiosina
está em contacto directo com sete monómeros de actina
(Perry, 2003, J Muscle Res Cell Motil, 24: 593–596).
No estado de repouso a tropomiosina cobre os locais
activos da actina de modo a que não ocorra a interacção
actomiosínica e consequentemente a contracção muscular.
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Os filamentos finos: a troponina
A troponina é um complexo de três moléculas
proteicas globulares: troponina C (18000 Da),
troponina T (30500 Da) e troponina I (21000
Da) (Squire et al, 1998, The FASEB Journal, 12: 761-771).
Uma dessas proteínas globulares tem grande
afinidade pela actina (troponina I), outra pela
tropomiosina (troponina T) e a terceira por
iões cálcio (troponina C).
A contracção muscular é controlada pela modulação da concentração intracelular de
Ca2+ no sarcoplasma. Cada troponina C liga até 4 iões Ca2+. A troponina C interage
com a troponinas I e T. A interacção com a troponina I é maior quando o Ca2+ não se
encontra ligado.
Na presença de Ca2+ a alteração conformacional da troponina C promove uma
alteração, via troponina I, na interacção entre a tropomiosina e a actina que deixa a
descoberto os locais de ligação da actina à miosina.
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