Movimento Muscular e ATP

Prévia do material em texto

As ligações cruzadas da miosina movem os filamentos de actina 
O movimento das ligações cruzadas da miosina fornece a força que move o filamento de actina durante uma contração. O processo pode ser comparado a uma equipe participando de uma regata em um barco a vela: são necessárias muitas pessoas para segurar a corda que levanta o pesado mastro. Quando é dada a ordem para levantar o mastro, cada pessoa da equipe começa a puxar a corda de mão em mão, agarrando, puxando e soltando-a, em um ciclo que se repete à medida que a corda é movida. No músculo, as cabeças de miosina ligam-se às moléculas de actina, que representam a “corda”. Um sinal de cálcio inicia o movimento de força, produzido quando as ligações cruzadas da miosina mudam de conformação, movendo-se para a frente e empurrando os filamentos de actina em direção ao centro do sarcômero. Ao final do movimento de força, cada cabeça de miosina solta-se da actina, inclina-se para trás e liga-se a uma nova molécula de actina, ficando pronta para dar início a um novo ciclo. Durante a contração, nem todas as cabeças de miosina se soltam ao mesmo tempo – se isso ocorresse, as proteínas deslizariam de volta para a posição inicial, do mesmo modo que o mastro cairia se todos os velejadores soltassem a corda ao mesmo tempo.
O movimento de força se repete muitas vezes ao longo de uma contração. As cabeças de miosina ligam-se, empurram e soltam as moléculas de actina várias vezes, à medida que os filamentos finos se movem em direção ao centro do sarcômero.
Miosina-ATPase: De onde é obtida a energia necessária para a geração do movimento de força? A resposta está no ATP. A miosina converte a energia da ligação química do ATP na energia mecânica necessária para o movimento das ligações cruzadas.
A miosina é uma ATPase (miosina-ATPase) que hidroliza o ATP, formando ADP e fosfato inorgânico (Pi). A energia liberada nesse processo é capturada pela miosina e armazenada como energia potencial no ângulo formado entre a cabeça da miosina e seu eixo longitudinal. Nessa posição, diz-se que as cabeças da miosina estão “engatilhadas”, ou prontas para disparar o movimento de força. A energia potencial armazenada nas cabeças engatilhadas transforma-se na energia cinética do movimento de força que desloca a actina.
O cálcio inicia a contração
Como o íon cálcio “liga” e “desliga” a contração muscular? A resposta está na troponina (TN), um complexo ligante de cálcio constituído por três proteínas. A troponina controla o posicionamento de um polímero proteico alongado, a tropomiosina.
Em um músculo esquelético no estado de repouso, a tropomiosina enrola-se ao redor dos filamentos de actina e cobre de forma parcial todos os sítios que permitiriam a ligação da mio- sina na actina. Essa é a posição de bloqueio da tropomiosina, ou posição “desligada”. Ainda podem ocorrer ligações actina-miosina fracas, de pouca força, porém a miosina fica impedida de completar o seu movimento de força, do mesmo modo que a trava de segurança de um revólver impede que o gatilho seja puxado. Antes que a contração possa ocorrer, a tropomiosina deve ser deslocada para a posição “ligada”, o que libera a porção restante do sítio de ligação à miosina presente na actina.
A mudança entre os estados “ligado” e “desligado” da tropomiosina é regulada pela troponina. Quando a contração é iniciada em resposta ao cálcio, uma das proteínas do complexo – a troponina C – liga-se reversivelmente ao Ca++ . O complexo cálcio-troponina C desloca a tropomiosina, afastando-a completamente dos sítios de ligação à miosina na actina. Essa posição “ligada” permite que as cabeças da miosina formem ligações cruzadas fortes, de alta energia, e executem o movimento de força, puxando o filamento de actina. Esses ciclos de contração ficam se repetindo enquanto os sítios de ligação estiverem expostos. Para que o relaxamento muscular possa ocorrer, as concentrações citoplasmáticas de Ca++ precisam diminuir. O Ca2++ desliga-se da troponina quando há uma redução do cálcio citosólico. Na ausência de Ca++, a troponina per- mite que a tropomiosina retorne para o estado “desligado”, recobrindo os sítios de ligação à miosina presentes nas moléculas de actina. Durante um breve período da fase de relaxamento, no qual a actina e a miosina não estão ligadas, os filamentos do sarcômero deslizam de volta às posições originais. 
As cabeças da miosina caminham ao longo dos filamentos de actina
A FIGURA 12.9 mostra os eventos moleculares de um ciclo de contração em um músculo esquelético. Começaremos o ciclo com o estado de rigor, ou rigidez, no qual as cabeças da miosina estão fortemente ligadas às moléculas de actina G. Nenhum nucleotídeo (ATP ou ADP) está ligado à miosina. No músculo vivo, o estado de rigidez ocorre apenas por um período muito breve de tempo. Então:
1	Ligação do ATP e liberação da miosina. Uma molécula de ATP liga-se à cabeça da miosina. A ligação do ATP diminui a afinidade de ligação da miosina pela actina, e a miosina acaba soltando-se da actina.
2	A hidrólise do ATP fornece a energia necessária para a cabeça da miosina se inclinar e se ligar novamente à actina. O sítio de ligação ao ATP envolve a molécula de ATP e converte a mesma em ADP e em fosfato inorgânico (Pi). O ADP e o Pi permanecem ligados à miosina enquanto a energia liberada pela clivagem do ATP move a cabeça da miosina até que ela forme um ângulo de 90° com o eixo longitudinal dos filamentos. Nesta posição engatilhada, a miosina liga-se a uma nova actina, que está 1 a 3 moléculas distante da sua posição inicial.
As ligações cruzadas recém-formadas entre a miosina e a actina são fracas, uma vez que a tropomiosina está bloqueando parcialmente os sítios de ligação na actina. Entretanto, nesse estado engatilhado, a miosina estoca energia potencial, da mesma forma que uma mola esticada. A cabeça está pronta para disparar (exatamente como acontece quando alguém engatilha um revólver, puxando o martelo para trás antes de disparar). A maioria das fibras musculares em repouso encontram-se nesse estado, engatilhadas e preparadas para disparar (contrair), apenas esperando pelo sinal fornecido pelo cálcio.
3 Movimento de força. O movimento de força (o movimento de inclinação das ligações cruzadas) inicia após o cálcio se ligar à troponina e permite a liberação total do sítio de ligação à miosina. As ligações cruzadas, então, transformam-se em ligações fortes, de alta energia, à medida que a miosina libera o Pi. A liberação do Pi permite que a cabeça da miosina se desloque. As cabeças inclinam-se, levando junto o filamento de actina. O movimento de força também pode ser chamado de movimento de inclinação das ligações cruzadas, pois a região da cabeça e a região de dobradiça da miosina saem de um ângulo de 90° para um ângulo 45°.
4	A miosina libera ADP. Ao final do movimento de força, a miosina libera ADP, o segundo produto do processo de clivagem do ATP. Com a saída do ADP, a cabeça da miosina liga-se fortemente à actina novamente, retornando ao estado de rigidez. O ciclo está pronto para recomeçar assim que uma nova molécula de ATP se ligar à miosina.
O estado de rigidez: O ciclo de contração e relaxamento ilustrado na Figura 12.9 começa com o estado de rigidez, no qual nenhum ATP ou ADP estão ligados à miosina. No músculo vivo, esse estado é normalmente muito curto. As fibras musculares vivas têm um suprimento de ATP suficiente, o qual se liga rapidamente à miosina assim que o ADP é liberado. Assim, as fibras musculares relaxadas permanecem quase sempre no estado apresentado no passo 2.
Por outro lado, após a morte, quando o metabolismo cessa e o suprimento de ATP se esgota, os músculos são incapazes de ligar mais ATP e, por isso, os músculos permanecem no estado de ligação forte,chamado de estado de rigidez. Na condição conhecida como rigor mortis, os músculos ficam “paralisados” em decorrência das fortes ligações cruzadas que permanecem imó- veis. A forte ligação entre a actina e a miosina persiste por um dia ou mais após a morte, até que as enzimas envolvidas no processo de decomposição comecem a degradar as proteínas musculares.
A contração do músculo esquelético requer um suprimento contínuo de ATP 
O uso do ATP pela fibra muscular é uma característica essencial da fisiologia muscular. Os músculos necessitam de energia constantemente: durante a contração, para o movimento e a liberação das ligações cruzadas; durante o relaxamento, para bombear o Ca2 de volta para o retículo sarcoplasmático; recondução o Na+ e o K+ para os compartimentos extracelular e intracelular, respectivamente. De onde é obtido todo o ATP necessário para a atividade muscular?
A quantidade, ou “pool”, de ATP estocado em uma fibra muscular a qualquer tempo é suficiente para apenas cerca de oito contrações. À medida que o ATP é convertido em ADP e Pi durante a contração, o estoque de ATP precisa ser restabelecido pela transferência de energia a partir de outras ligações fosfato de alta energia ou pela síntese de ATP utilizando processos mais lentos, como as vias metabólicas da glicólise e da fosforilação oxidativa.
A reserva energética de segurança dos músculos é a fosfocreatina (ou creatina-fosfato, ou ainda, fosfato de creatina). A fosfocreatina é uma molécula cujas ligações fosfato de alta energia são geradas entre a creatina e o ATP quando os músculos estão em repouso. Quando os músculos entram em atividade, como durante o exercício, os grupamentos fosfato de alta energia da fosfocreatina são transferidos para o ADP, gerando mais ATP para abastecer os músculos. A enzima que transfere o grupamento fosfato da fosfocreatina para o ADP é a creatina-cinase (CK, do inglês, creatine kinase), também conhecida como creatina-fosfocinase (CPK, do inglês, creatine phosphokinase). As células musculares contêm grandes quantidades dessa enzima. Como consequência, níveis elevados de creatina-cinase no sangue normalmente são um indicador de dano muscular esquelético ou cardíaco. Como os dois tipos de músculos contêm isoenzimas diferentes , os médicos conseguem distinguir entre os danos ao tecido cardíaco produzidos durante um infarto do miocárdio e os danos da musculatura esquelética.
A energia armazenada nas ligações fosfato de alta energia é muito limitada. Assim, as fibras musculares precisam utilizar o metabolismo de biomoléculas para transferir energia das ligações covalentes para o ATP. Os carboidratos, particularmente a glicose, são a fonte de energia mais rápida e eficiente para a produção de ATP. A glicose é metabolizada pela glicólise a piruva- to. Na presença de quantidades adequadas de oxigênio, o piruvato entra no ciclo do ácido cítrico, produzindo cerca de 30 ATP para cada molécula de glicose. Quando as concentrações de oxigênio caem durante um exercício intenso, o metabolismo da fibra muscular depende preferencialmente da glicólise anaeróbia. Nessa via metabólica, a glicose é metabolizada a lactato, com a produção efetiva de apenas 2 ATP por molécula de glicose. O metabolismo anaeróbio da glicose é uma fonte mais rápida de geração de ATP, porém produz quantidades muito menores de ATP para cada molécula de glicose. Quando as demandas energéticas excedem a quantidade de ATP que pode ser produzida pelo metabolismo anaeróbio da glicose, os músculos conseguem trabalhar apenas por um intervalo muito curto de tempo antes de entrarem em fadiga.
As fibras musculares também obtêm energia a partir dos ácidos graxos, embora esse processo sempre necessite de oxigênio. Durante períodos de repouso ou exercícios leves, os mús- culos esqueléticos utilizam os ácidos graxos juntamente com a glicose, uma das razões pelas quais programas de exercícios moderados, como caminhadas, são um modo eficaz de reduzir a gordura corporal. Entretanto, o processo metabólico pelo qual os ácidos graxos são convertidos em acetil-CoA é relativamente lento e não é capaz de produzir ATP rápido o suficiente para suprir as demandas energéticas das fibras musculares durante um exercício intenso. Sob essas condições, as fibras musculares dependem fundamentalmente da glicose. As proteínas normalmente não são uma fonte de energia para a contração muscular. 
Os músculos esqueléticos são classificados de acordo com a velocidade de contração e a resistência à fadiga
As fibras musculares esqueléticas têm sido tradicionalmente classificadas com base na velocidade de contração e na resistência à fadiga decorrente da estimulação repetida. Todavia, como ocorre frequentemente em fisiologia, quanto mais os pesquisadores aprendem, mais complicado se torna o quadro. A classificação atual dos tipos de fibras musculares depende da isoforma da miosina expressa na fibra (tipo 1 ou tipo 2).
Os tipos das fibras musculares não são fixos por toda a vida. Os músculos têm plasticidade e podem mudar seu tipo dependendo da atividade. A classificação atualmente aceita para os tipos de fibras musculares em seres humanos inclui as fibras oxidativas de contração lenta (também chamadas de ST – do inglês, slow-twitch – ou tipo 1), as fibras glicolíticas de contração rápida (FOG – do inglês, fast-twitch oxidative- -glycolytic– ou tipo 2). As fibras musculares de contração rápida (tipo 2) produzem tensão duas a três vezes mais rápido do que as fibras de contração lenta (tipo 1). A velocidade com a qual uma fibra muscular contrai é determinada pela isoforma da miosina-ATPase presente nos filamentos grossos da fibra. As fibras de contração rápida clivam o ATP mais rapidamente e, assim, podem completar múltiplos ciclos contráteis com maior velocidade do que as fibras de contração lenta. Essa velocidade é traduzida em um desenvolvimento mais rápido de tensão pelas fibras de contração rápida.
A duração da contração também varia de acordo com o tipo de fibra. A duração da contração é determinada, em grande parte, pela velocidade com que o retículo sarcoplasmático remove o Ca2 do citosol. À medida que as concentrações citosólicas de Ca2 caem, o Ca2 desliga-se da troponina, permitindo que a tropomiosina se mova para a posição que causa o bloqueio par- cial dos sítios de ligação à miosina. Desse modo, com a inibição do movimento de força, a fibra muscular relaxa.
As fibras rápidas bombeiam Ca2 para dentro do retículo sarcoplasmático de forma mais rápida do que as fibras lentas e, por isso, produzem contrações mais rápidas. Nas fibras de contração rápida, os abalos duram somente cerca de 7,5 ms, o que torna esses músculos úteis para movimentos finos e rápidos, como tocar piano. A contração das fibras de contração lenta pode durar dez vezes mais. As fibras de contração rápida são usadas ocasionalmente, porém as de contração lenta são usadas quase constantemente para a manutenção da postura, na posição ortos- tática estacionária (ficar em pé) e durante a locomoção.
A segunda grande diferença entre os tipos de fibras musculares é a capacidade de resistência à fadiga. As fibras glicolíticas (contração rápida) dependem principalmente da glicólise anaeróbia para a produção de ATP. Entretanto, o acúmulo de H+ proveniente da clivagem do ATP contribui para a acidose, uma condição associada ao desenvolvimento de fadiga. Como consequência as fibras glicolíticas entram em fadiga mais facilmente do que as fibras oxidativas, que não dependem do metabolismo anaeróbio.
As fibras oxidativas dependem principalmente da fosforilação oxidativa para a produção de ATP – daí o nome que recebem. Essas fibras, possuem mais mitocôndrias (a organela que contém as enzimas do ciclo do ácidocítrico e da fosforilação oxidativa) do que as fibras glicolíticas. Elas também possuem mais vasos sanguíneos no tecido conectivo adjacente, disponibilizando mais oxigênio para as células.
A eficiência com a qual as fibras musculares obtêm o oxigênio é um fator determinante do método preferencial de metabolização da glicose. O oxigênio do sangue deve difundir-se para o interior das fibras musculares para chegar até as mitocôndrias. Esse processo é facilitado pela presença da mioglobina, um pigmento vermelho com grande afinidade pelo oxigênio. Essa alta afinidade permite que a mioglobina atue como molécula de transferência ou de transporte, levando o oxigênio mais rapidamente para o interior das fibras. Como as fibras oxidativas contêm mais mioglobina, a difusão do oxigênio é mais rápida do que nas fibras glicolíticas. As fibras oxidativas são descritas como músculo vermelho, devido às grandes quantidades de mioglobina, que produzem a sua cor característica. Além dessa diferença em relação à mioglobina, as fibras oxidativas também possuem um diâmetro menor, o que reduz a distância pela qual o oxigênio deve se difundir até as mitocôndrias. Como as fibras oxidativas possuem mais mioglobina e mais capilares para levar o sangue até as células, além de terem menor diâmetro, elas possuem um melhor suprimento de oxigênio e, assim, são capazes de usar a fosforilação oxidativa para a produção de ATP. 
As fibras glicolíticas, ao contrário, são descritas como um músculo branco, devido ao seu baixo conteúdo de mioglobina. Essas fibras musculares também possuem um diâmetro maior do que as fibras lentas (tipo 1). A combinação de um maior tamanho, uma menor quantidade de mioglobina e uma menor vascularização faz haver maior possibilidade de as fibras glicolíticas ficarem sem oxigênio após contrações repetidas. Portanto, as fibras glicolíticas dependem principalmente da glicólise anaeróbia para a síntese de ATP e, assim, entram mais rapidamente em fadiga.
A medida que as fibras crescem, novas miofibrilas são sintetizadas, o que permite que as fibras gerem mais força, isso reflete o aumento do diâmetro médio das fibras, e os músculos ficam mais volumosos e maciços. 
Os músculos humanos são formados por uma mistura dos tipos de fibras, com a proporção entre os diferentes tipos variando de músculo para músculo e de indivíduo para indivíduo. Por exemplo, quem deveria ter mais fibras de contração rápida nos músculos da perna, um maratonista ou um atleta de salto em altura? 
image5.png
image1.png
image2.png
image3.png
image4.png