PROCESSO DE CONTRAÇÃO MUSCULAR

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PROCESSO DE CONTRAÇÃO MUSCULAR
Roger de Moraes
Todas as células especializadas de organismos complexos como o corpo humano são excitáveis e desempenham funções específicas de acordo com os sinais externos recebidos. Células neuronais e do músculo esquelético, apresentam potencial elétrico negativo em repouso e, uma vez estimuladas, alteram a polaridade de suas membranas alcançando rapidamente valores positivos em seu interior (1). 
A ativação voluntária do neurônio motor depende da presença de estímulos químicos provenientes de neurônios superiores e periféricos que provocam a abertura de canais de sódio em sua membrana. Uma vez que existe maior quantidade de íons sódio no meio extracelular e pequena quantidade destes íons no meio intracelular, com a abertura dos canais de sódio, estes íons começam a ingressar na célula colaborando para influxo de cargas positivas e alteração do potencial elétrico que, outrora negativo em repouso, passa rapidamente para valor positivo em processo conhecido como despolarização da membrana. 
Em seguida, a abertura de canais de potássio sensíveis a voltagem permite que os íons potássio, mais abundantes no interior da célula e com concentração reduzida no meio extracelular, deixem a célula levando consigo cargas positivas e restabelecendo o potencial original negativo de repouso da membrana (repolarização da membrana). Coletivamente, despolarização e repolarização compreendem um processo denominado potencial de ação e que é indispensável para estimular neurônios e fibras musculares (2). 
Á fim de que não exista um equilíbrio entre as concentrações iônicas de sódio e potássio nos meios intra e extra-celular, uma proteína conhecida como bomba de sódio-potássio, transporta constantemente 3 íons sódio para o exterior da célula e 2 íons potássio para o interior. A realização deste transporte ativo contra o gradiente de entrada de cada um desses íons consome energia proveniente da molécula de ATP (2). Podemos perceber que, paradoxalmente, para manter a homeostasia do organismo, mecanismos celulares provocam intencionalmente situações de desequilíbrio entre o meio intra e extracelular.
A despolarização do neurônio motor provoca a liberação de acetilcolina (um neurotransmissor) na fenda sináptica (espaço compreendido entre a terminação nervosa e a célula muscular). Uma vez liberada, a acetilcolina interage com o receptor nicotínico presente na membrana das células musculares e determina a abertura dos canais de sódio. A semelhança do descrito para o neurônio motor, a célula (= fibra) muscular possui potencial elétrico negativo em repouso e com a entrada de íons sódio, sofre uma onda de despolarização que é determinante para o processo de contração muscular (3).
A despolarização da membrana da fibra muscular se propaga para o retículo sarcoplasmático e determina a extrusão dos íons cálcio presentes em seu interior em direção ao citosol ativando as miofibrilas contráteis. Tal elevação da concentração de íons cálcio no interior da célula promove o deslizamento dos filamentos protéicos de actina sobre os de miosina conforme detalharemos a seguir (4). 
A fibra muscular é predominantemente composta por unidades contráteis conhecidas como sarcômeros. Cada sarcômero possui finos filamentos protéicos móveis denominados actina que possuem regiões de alta afinidade (sítios ativos) com a cabeça da miosina e encontram-se conectadas a proteínas transversais que integram a linha Z. No centro desta estrutura, existem filamentos grossos fortemente ancorados na célula, chamados de miosina que emitem projeções de suas superfícies (pontes cruzadas) em direção aos sítios ativos da actina (3). Algumas miopatias hereditárias caracterizam-se por alterações genéticas na síntese de uma proteína conhecida como distrofina (síndrome de Duchenne) que participa do ancoramento do sarcômero na matriz celular e que leva a completa disfunção motora (5).
No final de cada ponte cruzada pode ser observado também, um pescoço móvel e uma cabeça com alta afinidade pelos sítios ativos da actina e que além disso, possui uma molécula de ATP e uma enzima ATPase inativa em sua superfície. Sempre que a cabeça da miosina interage fisicamente com o filamento de actina, ocorre o encurtamento do sarcômero e a contração do músculo-esquelético. 
Para evitar que não haja contração em momentos inapropriados, os filamentos de actina são revestidos por uma proteína chamada tropomiosina que encobre todos os sítios ativos presentes no filamento de actina. É o aumento dos íons cálcio no citosol da célula, que ocorre logo após a despolarização da fibra muscular, que remove o filamento de tropomiosina e, ao expor os sítios de actina, permite o encurtamento do sarcômero (6). Neste sentido, os íons cálcio ativam a proteína troponina C, responsável pela remoção do filamento de tropomiosina de cima dos sítios ativos da actina.
A exposição da cabeça da miosina ao sítio ativo da actina provoca forte ligação entre os dois filamentos acionando a atividade catalítica da ATPase, o que resulta na degradação da molécula de ATP e liberação de energia. Como vimos, cerca de 70% desta energia gera calor, porém os outros 30% podem ser utilizados para promover alteração conformacional no pescoço da miosina e em conseqüência da aderência existente entre os filamentos de actina e miosina, garantir a aproximação entre duas linhas Z e o encurtamento do sarcômero (3).
A atividade da ATPase varia de acordo com o tipo de fibra. Na fibra muscular de seres humanos existem fibras do tipo I, IIa e IIx que apresentam características funcionais e metabólicas distintas (7). As fibras do tipo I apresentam elevado conteúdo de mitocôndrias, organelas que correspondem a usinas especializadas na fabricação de ATP a partir do metabolismo aeróbio. Estas fibras possuem também, grande quantidade de mioglobina e rede vascular bastante ramificada com abundante densidade capilar. Além disso, apresentam capacidade lenta de degradação do ATP uma propriedade que depende da atividade enzimática da enzima ATPase presente na cabeça da miosina (MHC I) (8).
Já as fibras do tipo IIa possuem bastante mitocôndrias porém em número mais reduzido que as do tipo I. Estas fibras apresentam elevada atividade das enzimas da via glicolítica e, graças a maior atividade da ATPase (MHC II), são capazes de degradar o ATP com velocidade mais elevada que as fibras do tipo I. Finalmente, as fibras IIx possuem reduzida densidade mitocondrial e capacidade glicolítica ainda mais elevada, sendo capazes de degradar muito mais rapidamente a molécula de ATP (MHC II) (8).
Uma unidade motora é representada pelo conjunto de fibras musculares inervadas por um único neurônio motor. Um músculo contém várias unidades motoras e cada uma delas é especifica para um único tipo de fibras. Existe também, um padrão hierárquico em seu recrutamento que é dependente da intensidade do exercício. Assim, as fibras do tipo I são inicialmente recrutadas e a medida que a intensidade do exercício aumenta, novas unidades motoras de fibras do tipo II são convocadas para auxiliar na realização do trabalho muscular (9).
Apesar do tipo de fibra ser definido pelo padrão de despolarização dos neurônios motores que a inervam (neurônios de baixa frequência inervam fibras do tipo I e de alta frequência inervam fibras do tipo II), o treinamento físico é capaz de alterar o metabolismo de cada uma delas. De fato, enquanto o treinamento aeróbio tem sido associado a moderada hipertrofia e incremento de fibras do tipo I, a ausência de contrações no músculo-esquelético (inatividade física) é capaz de induzir atrofia e ao mesmo tempo contribuir para expressão de fenótipos direcionados para as fibras do tipo IIx (7, 10).
Tais transformações encontram-se em grande parte associadas a alterações nos níveis de íons cálcio no citosol da fibra em resposta a despolarização de sua membrana. De fato, o músculo esquelético é um tecido extremamente plástico e sujeito a alterações impostas pela prática regular de atividades físicas (11). É a presençade íons cálcio no interior da célula que além de disparar o processo de contração muscular, exerce o estímulo necessário para ativação de proteínas regulatórias como a calcineurina (Cn) e a cálcio-calmodulina kinase (CamK) que aciona fatores de transcrição como o PGC-1α envolvidos na leitura de genes do DNA e fabricação de proteínas relacionadas a biogênese mitocondrial, a síntese de transportadores de glicose (GLUTs) e a fabricação de enzimas ATPase de funcionamento lento (MHC I) (12, 13).
Como o relaxamento do sarcômero depende tanto do bombeamento retrógado de íons cálcio de volta para o retículo sarcoplasmático e do desligamento da cabeça da miosina do sítio ativo de actina, processos que consomem ATP, durante o exercício existe urgência para fabricação destas moléculas. Como veremos mais adiante, perturbações nos sistemas de ressíntese de ATP além da presença de espécies reativas de oxigênio e alterações no pH intracelular, afetam o funcionamento da bomba de cálcio e podem precipitar a fadiga aguda periférica durante o exercício (14, 15).
REFERENCIAS
1.	Aidley DJ. The physiology of excitable cells. 4th ed. Cambridge, UK ; New York, NY, USA: Cambridge University Press; 1998. xii, 477 p. p.
2.	Alberts B. Molecular biology of the cell. 5th ed. New York: Garland Science; 2008.
3.	Berg JM. Biochemistry. 7th ed. New York, NY: W. H. Freeman and Co.; 2010.
4.	Lieber RL, Ward SR. Skeletal muscle design to meet functional demands. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2011;366(1570):1466-76.
5.	Markert CD, Ambrosio F, Call JA, Grange RW. Exercise and Duchenne muscular dystrophy: toward evidence-based exercise prescription. Muscle Nerve. 2011;43(4):464-78.
6.	Gomes AV, Potter JD, Szczesna-Cordary D. The role of troponins in muscle contraction. IUBMB Life. 2002;54(6):323-33.
7.	Schiaffino S, Sandri M, Murgia M. Activity-dependent signaling pathways controlling muscle diversity and plasticity. Physiology (Bethesda). 2007;22:269-78.
8.	Yan Z, Okutsu M, Akhtar YN, Lira VA. Regulation of exercise-induced fiber type transformation, mitochondrial biogenesis, and angiogenesis in skeletal muscle. J Appl Physiol. 2011;110(1):264-74.
9.	Chalmers GR. Can fast-twitch muscle fibres be selectively recruited during lengthening contractions? Review and applications to sport movements. Sports Biomech. 2008;7(1):137-57.
10.	Ohira Y, Yoshinaga T, Nomura T, Kawano F, Ishihara A, Nonaka I, et al. Gravitational unloading effects on muscle fiber size, phenotype and myonuclear number. Adv Space Res. 2002;30(4):777-81.
11.	Hood DA, Irrcher I, Ljubicic V, Joseph AM. Coordination of metabolic plasticity in skeletal muscle. J Exp Biol. 2006;209(Pt 12):2265-75.
12.	Rockl KS, Witczak CA, Goodyear LJ. Signaling mechanisms in skeletal muscle: acute responses and chronic adaptations to exercise. IUBMB Life. 2008;60(3):145-53.
13.	Freyssenet D. Energy sensing and regulation of gene expression in skeletal muscle. J Appl Physiol. 2007;102(2):529-40.
14.	Place N, Yamada T, Bruton JD, Westerblad H. Muscle fatigue: from observations in humans to underlying mechanisms studied in intact single muscle fibres. European journal of applied physiology. 2010;110(1):1-15.
15.	Jackson MJ. Free radicals generated by contracting muscle: by-products of metabolism or key regulators of muscle function? Free radical biology & medicine. 2008;44(2):132-41.