Organización inesperada: estructura de fibra muscular recién descubierta

Por Universidad de Lieja 5 de junio de 2023

Sección longitudinal que ilustra la configuración en forma de celosía dentro del músculo sónico en Parophidion vassali. Crédito: Marc Thiry/Universidad de Lieja

Los investigadores acaban de hacer el inesperado descubrimiento de una nueva organización de fibras musculares en Parophidion vassali, un pez que vive en el mar Mediterráneo y, como muchos peces, utiliza músculos especializados para producir sonidos. Este es un descubrimiento importante que bien podría cambiar nuestra comprensión de la contracción muscular.

Los científicos de la Universidad de Lieja, Eric Parmentier y Marc Thiry, han descubierto una disposición única de fibras musculares en el pez mediterráneo, Parophidion vassali, que podría revolucionar nuestra comprensión de la contracción muscular. Esta configuración única en forma de red de miofibrillas dentro de la fibra muscular podría permitir contracciones rápidas mientras se retiene la fuerza. Se necesita más investigación para comprender completamente esta nueva estructura de fibra muscular y sus implicaciones funcionales.

La historia de la descripción de los músculos esqueléticos tiene su origen en las observaciones realizadas por el biólogo holandés Antoni van Leeuwenhoek, precursor de la biología celular y la microbiología quien, en un artículo publicado en 1712 en Philosophical Transactions of the Royal Society, informó, gracias al uso de un microscopio portátil de lente única, la primera descripción de las fibras musculares de la ballena. En 1840, el anatomista William Bowman proporcionó una descripción más precisa del músculo, señalando: "la existencia y disposición de líneas alternativamente claras y oscuras [...] que son de exquisita delicadeza y acabado". (Consulte Acerca de las fibras musculares al final de este artículo).

Estudios posteriores han dado lugar a descripciones cada vez más claras, incluida la identificación de las diferentes moléculas que componen el músculo y una explicación de su funcionamiento, en particular el modelo de contracción muscular propuesto por el biofísico Andrew Huxley en 1957. Durante los últimos 300 años , numerosos estudios han extendido la representación de la organización de las fibras musculares a diferentes taxones. Esto ha demostrado que la organización general de las fibras musculares estriadas se ha mantenido perfectamente conservada en todos los grupos de animales vertebrados estudiados hasta la fecha.

Figura 1. Comparación de la organización del músculo esquelético "clásico" con miofibrillas paralelas y del músculo sónico con miofibrillas reticulares en Parophidion vassali. Crédito: E.Parmentier/M.Thiry/Université de Liège

However, the proportion of each of these cellular components can vary from one fiber to another, giving these fibers particular contraction properties. For example, a fiber rich in myofibrils with a poorly developed sarcoplasmic reticulum is found in muscles that develop force during contraction. Conversely, fibers low in myofibrils with an abundance of sarcoplasmic reticulum and numerous mitochondria are present in muscles that develop an increased speed of contraction. The fastest muscles are found in the sonic muscles of fish, where certain speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">especies producen sonidos utilizando músculos que se contraen a una frecuencia de entre 100 y 300 Hz, es decir, de 100 a 300 ciclos de contracción/relajación por segundo.

Un estudio reciente realizado en colaboración entre el Laboratorio de Morfología Funcional y Evolutiva y el Laboratorio de Biología Celular y Tisular ha revelado una nueva disposición de miofibrillas dentro de las fibras de un músculo sónico en el pez Parophidion vassali. En lugar de estar dispuestas en paralelo, las miofibrillas forman una enorme red dentro de la fibra muscular, explica el profesor Eric Parmentier, director del Laboratorio de Morfología Funcional y Evolutiva de la Universidad de Lieja.

Cada miofibrilla se subdivide en dos ramas en cada sarcómero, una que se conecta a la miofibrilla de arriba y la otra a la miofibrilla de abajo (Figura 1B). Este nuevo diseño de fibra muscular podría resultar en un músculo que se contrae rápidamente mientras conserva la fuerza. La escasez de miofibrillas y el gran volumen que ocupa el retículo sarcoplásmico favorecen que las fibras se contraigan rápidamente.

"La estructura de red de las miofibrillas permitiría que más cabezas de miosina formaran puentes cruzados con los miofilamentos de actina, lo que aumentaría la fuerza en este músculo rápido", explica el profesor Marc Thiry, director del Laboratorio de Biología Celular y Tisular. "Además, numerosas mitocondrias inusualmente dispuestas dentro de las estrías Z (muy largas en estas fibras: 700 nm en comparación con 70 a 150 nm en un músculo convencional) parecen proporcionar la energía necesaria para producir sonidos duraderos".

Este nuevo tipo de organización de las fibras musculares estriadas, nunca antes descrita en la literatura científica, y que permitiría por tanto combinar fuerza y ​​velocidad muscular, requiere de más estudios para comprender su funcionamiento y determinar si existen adaptaciones a nivel de las diferentes moléculas involucradas en estos músculos.

Sección longitudinal en un músculo esquelético clásico. Crédito: Marc Thiry/Universidad de Lieja

Las fibras o células del músculo esquelético estriado representan las unidades elementales de los músculos voluntarios (músculos que permiten movimientos como la locomoción o el mantenimiento de la postura) en los animales. Cada fibra se caracteriza por numerosos elementos contráctiles, miofilamentos de actina y miosina, organizados en haces paralelos al eje longitudinal de la fibra muscular, llamados miofibrillas.

En el corte longitudinal bajo el microscopio óptico, estas fibras aparecen como una sucesión de bandas claras y oscuras ubicadas al mismo nivel para cada miofibrilla, dando la apariencia de una estría transversal a la fibra muscular. Una línea más oscura divide la banda clara en el medio, conocida como la estría Z. La porción de la miofibrilla entre dos estrías en Z se denomina sarcómero y representa la unidad contráctil de la miofibrilla. Por lo tanto, cada miofibrilla está formada por muchos sarcómeros colocados uno al lado del otro.

Las miofibrillas ocupan un gran volumen celular y están rodeadas por cisternas del retículo endoplásmico liso (o retículo sarcoplásmico), que almacena el calcio esencial para la contracción muscular. Además, las mitocondrias se ubican cerca de las miofibrillas; son la principal fuente de ATP que proporciona energía para la contracción muscular.