Creado para el movimiento

Creado para el movimiento

Autor: Lon Kilgore, PhD.

Traducción: Javier Varas

¿Qué relación tienen las miofibrillas con los fondos en el suelo?

El doctor Long Kilgore explica cómo nuestros cuerpos están construídos para producir movimiento.

Una de las razones por las que hago lo que hago es simplemente porque quiero saber cómo hacer de mí mismo un mejor atleta.  Desde que tenía 11 años, leí libros de anatomía y biología.  Y los leí no por diversión , sino para mejorar mi desempeño en la lucha y levantamiento de pesas.  Incluso en el colegio tomé clases electivas que, pensé, me ayudarían a entender algunas cosas.  En la  secundaria tomé clases de biología avanzada, y mi proyecto de investigación de último año fue un estudio sobre los mismos efectos de diferentes soluciones y concentraciones salinas en la producción de fuerza en contracciones musculares aisladas en ranas.

Desde mis más tempranos recuerdos, quería saber de qué se componía un músculo y cómo trabajaba.  Quería saber cómo hacer que las cosas se movieran.

El rol de la célula.

Para entender cómo se mueven las cosas primero necesitamos echar un pequeño vistazo a cómo están construidos los músculos.  Una pequeña sesión de anatomía, si gustan.

Los músculos están compuestos de cientos y cientos de células individuales. Músculos delgados y pequeños tienen unas cuantas miles de células que pueden medir menos de un centímetro.

Los músculos masivos y grandes como el latísimo del dorso (N. del T: También llamado dorsal ancho), que cubre una gran porción de la parte posterior del torso (espalda), tiene millones de células músculares que pueden llegar a medir más de 30 centímetros (alrededor de un pie) de longitud.

Todos juntos , los músculos son el 40% del total del peso corporal en un humano promedio.

Diseccionemos el músculo hasta un nivel celular, miremos cómo está construída una célula, identifiquemos sus componentes básicos y examinemos brevemente cada una de las partes.

Con su tratado de 1665 Micrographia,  Antoni Van Leeunwenhoek nos proveyó la primera vista del bloque primario de los seres vivos: La célula.  Tomó alrededor de 150 años de estudios avanzados y experimentación de muchos científicos antes de que se pudiera tener evidencia que le permitiría al zoólogo Theodor Schwann postular en 1839 que “las partes elementales de todo tejido está formado por células”.  Los trabajos de Schwann (junto con los del botánico Matthias Jakob Schleiden) conducen a la moderna teoría de la célula, la cual considera que la célula es el organismo más pequeño existente que posee todas las características de un ser vivo.  Estas propiedades son:

- Control Homeostático, o la habilidad de regular el ambiente interno del organismo.

- Actividad metabólica, o el consumo de energía a través de la conversión de materiales no vivientes en componenetes celulares.

- Capacidad de crecer.

- Capacidad de adaptarse, o la habilidad de alterar la forma, función o ambas en el tiempo en respuesta a desafíos ambientales.

- Excitabilidad frente a estímulos.

- Capacidad de reproducción, la habilidad de producir nuevos organismos.

La anatomía celular

Aquí estamos interesados en aprender cómo está construida una típica célula muscular, por lo que consideraremos solo las partes básicas de la célula.  Queremos entender la anatomía de la célula, no hurgar en las complejidades de la biología molecular y celular.

Varios estudios recientes indentifican estructuras comunes en todas las células observadas:  La membrana celular, Citoplasma, ácido desoxirribonucleico (ADN), aunque estos términos no son usados al mismo tiempo (figura 1).

Membrana celular

Las células de los mamiferos tienen una membrana de doble capa que bordea y contiene la célula, hecha de fosfolípidos (fosfatos que contienen grasas/aceites).  La membrana contiene componentes de la célula y es selectivamente permeable.  Permite la entrada o salida de materiales de la célula, mientras excluye otros componentes en el transporte.  Todos los componentes de la célula están contenidos dentro de la membrana.  La membrana celular puede también ser llamada “plasmalemma”.

Citoplasma

Dentro de la membrana celular se encuentra una compleja colección de sustancias suspendidas o disueltas en agua llamada citoplasma.  Otras estructuras sub celulares se encuentran suspendidas en el citoplasma, en donde está también el lugar donde toma lugar el primer paso de la respiración celular (metabolismo energético).  Cuando se discute sobre el citoplasma de la célula muscular también se le llama sarco plasma.

ADN

Todas las células contienen ADN, o material genético.  En las células simples, el ADN aparece flotando como una sola cinta en el citoplasma.  En las células de los mamiferos, como las que componen nuestros cuerpos, numerosas hebras de adn están encapsuladas con una membrana-vaina especial llamada núcleo.  El ADN es básico para la vida por que produce ácido ribonucleico (arn), el que a su vez produce proteínas, que a su vez producen la función.  En el sentido más básico, el ADN controla la anatomía (el como están construidas las cosas) y la fisiología (como funcionan las cosas).

La invención del microscopio con lente inmerso en aceite en 1870 dejó una ráfaga de descubrimientos a finales del siglo XIX, incluyendo la aclaración de las otras estructuras u organelos, que contenían las células de los mamíferos.

Los organelos están bien definidos y estructurados a gran escala (relativo al tamaño individual de cada célula) que conducen a funciones específicas de la célula. Varios organelos están completamente rodeados por una membrana. Los organelos con membranas son fundamentales en tanto permiten diferentes tipos de reacciones bioquímicas separadas unas de otras de forma que no interfieran entre sí durante operaciones simultáneas.

Una buena analogía es la de una fábrica en donde diferentes qúimicos se mantienen en recipientes separados que se mezclan en contenedores separados y secuenciados antes de obtener el producto final.  Los diferentes compuestos y reacciones relacionadas en la manufactura del producto se mantienen separadas unas de otras para evitar que la fábrica produzca en forma aleatoria una mugre química.

La compartimentación de compuestos bioquímicos y los procesos separados dentro de los organelos con capas membranosas previenen la interferencia entre las diferentes reacciones y sus caminos, proporciona la oportunidad para el control de reacciones secuenciales y permite que la célula produzca ambientes específicos dentro de cada compartimiento para la finalización de cada reacción en forma eficiente.

Retículo endo plasmático

La estructura básica del retículo endoplasmático es una red membranosa extensa con estructuras parecidas a sacos llamadas cisternas.  Al igual que la membrana plasmática, la membrana del retículo endoplasmático esta compuesta de fosfolípidos y crea un espacio delimitado, una red de espacios separados del citosol que lo rodea.  Existen tres tipos: retículo endoplasmático rugoso R.E.R (con ribosomas asociados- ver la descripción posterior), retículo endoplasmático liso R.E.L. (sin ribosomas asociados) y retículo endoplasmático R.e. (encontrado en el músculo esquelético).

El R.E.R juega un rol mayor en la producción de encimas lisosomales, secreta proteinas celulares y membranosas, y participa en la glucogénesis (añade carbohidratos a las proteinas). La función del R.E.L. está dada principalmente en procesos metabólicos, particularmente en la síntesis de lípidos y metabolismo de los carbohidratos.  El R.e. varia específicamente en el músculo.

Estas variaciones difieren en la composición de las proteínas de la capa membranosa y de las proteínas contenidas en los espacios delimitados por el retículo endoplasmático. Estas diferencias en las proteínas presentan alteraciones en sus respectivas funciones. El R.E.L. es un centro de síntesis  y el R.e. es un centro regulador de los depósitos de calcio. Las grandes concentraciones de calcio acumuladas en el retículo sarcoplasmico pueden ser rápidamente vaciados en el sarcoplasma, lo que en respuesta inicia la contracción en las células musculares.

Figura 1: Esquema de los organelos de una célula de mamífero.

El prototipo de célula que encontramos en los libros de estudio y arriba no corresponden a la realidad de como se distribuyen los organelos en la célula muscular. El núcleo esta empujado hacia el borde interno de la membrana celular y los organelos están apretados entre los elementos contráctiles.

Aparato de Golgi

Este organelo está compuesto de vesículas con capas membranosas. Normalmente, algunos de estos sacos aplanados (entre 5 y estarán muy cerca, pero se ha observado que en algunas células en ciertas situaciones hay agrupaciones de varias docenas de ellas. El aparato de Golgi toma desde el retículo endoplasmático vesículas fusionadas con los sacos aplanados y modifican el contenido resultante antes de entregarlo al destino correspondiente, que puede sacar los elementos hacia fuera de la célula. Aportan también en el transporte de lípidos en la célula y en la creación de lisosomas.

Mitocondria

La mitocondria tiene una membrana de dobre capa de fosfolípidos(externo e interno). Las capas tiene diferentes composiciones (diferentes lípidos y proteínas alojadas presentes) y por lo tanto diferentes funciones. Cinco compartimiento diferentes están presentes en la mitoconfria: Membrana mitocondrial externa, membrana mitocondrial interna, espacio intermembranoso (espacio entre la membrana externa e interna), Cresta (los sacos internos de la membrana) y la matriz (espacio dentro de la membrana interna.)

El número de mitocondrias varía según la localización y el tipo de células.  Una gran cantidad mitocondrias se encuentra en el hígado en donde se pueden comprimir a un 20% del volumen total de la célula.  Se encuentran también entre las miofibrillas (filamentos de proteínas) del múculo. Son también descritas con forma de salchicha, pero su forma en realidad varia de acuerdo a como y donde se asocian con los elementos del citoesqueleto. La función más destacable de la mitocondria está enraizada con el metabolismo energético. Una serie de reacciones íntimamente complicadas en la producción de ATP (conocido como el ciclo del ácido cítrico o el ciclo de Krebs) y el sistema de transporte de electrones que ocurre al interior de la mitocondria.

Vacuolas

Estos son compartimientos cubiertos de membranas que sirven a funciones de secreción, excreción y depósito. Son llamadas a la acción para remover desechos estructurales o desperdicios de la célula, aislar sustancias dañinas y guardar o liberar iones moleculares para mantener el Ph equilibrado, junto con otras labores de dueña de casa.

Núcleo

El núcleo es el organelo celular más grande en las células de los mamíferos y contiene casi toda la información de material genético de la célula o ADN (la mitocondria contiene algo de ADN). Tiene un diámetro promedio entre 11 y 22 micrómetros y comprende el 10%  del volumen total de una célula tipo.  El núcleo contiene un líquido viscoso, parecido al citoplasma, llamado nucleoplasma.  Suspendido en el núcleo se encuentra un sub-organelo – el nucleolo que es el emplazamiento del ácido ribonucleico y ensamblaje ribosomal. Algunas células como las células rojas de la sangre, son anucleadas (no presentan núcleo.) Otras, como la célula del músculo cardiáco, son mononucleadas (un núcleo por célula.) Aún otras, como la célula del músculo esquelético, son multinucladas (muchos núcleos presente.)

Ribosomas

Estos pequeños organelos,carentes de membranas, fueron descubiertos en 1955 después de la invención del microscopio electrónico. Los ribosomas son formados parcialmente de ácido ribonucleico (RNA). Construyen proteínas a partir de las intrucciones genéticas pasadas desdeel ADN al ARN. Los ribosomas pueden encontrarse libres (suspendidos en el citosol), o pueden encontrarse también en el retículo endoplamático, dándole la apariencia rugosa y por esto el nombre “retículo endoplasmático rugoso.”

Lisosomas

Estos organelos provistos de membrana contienen ácido “hydrolases” (enzimas digestivas) y trabajan dirigiendo organelos muy gastados, trozos de comida, o agentes patógenos virales o bacteriales que hayan sido envueltos por la célula. La membrana del lisosoma permite la separación entre el ambiente ácido del mismo y el ambiente neutro del citoplasma.

Miofibrillas

La forma de las células musculares diverge de la forma de la célula típica de un mamifero.  Generalmente parecen un cilindro alargado con extremos en forma de cuña. Se debe hacer un gran acercamiento para poder verlas (figura  2).

Cada célula muscular, o miofibrilla, contiene largos filamentos de proteínas llamados miofilamentos que facilitan el movimiento de los humanos. Las miofibrillas se componen de dos tipos de miofilamentos: delgados y gruesos. Los filamentos gruesos están compuestos principalmente por la proteína llamada miosina que se mantiene en su lugar, relativo a otros filamentos, gracias a los filamentos titina (otra proteina especializada). La miosina se parece mucho a los palos de golf, con las cabezas de los palos sobresaliendo aparentemente en diferentes niveles. En donde los palos están todos unidos por los mangos. Los filamentos delgados compuestos de la proteina actina mantienen adherida en su lugar por otras proteínas, la nebulina. La configuración de la actina guarda semejanza con la forma de una cuerda enroscada, alineado con surco en espiral que recorre toda su longitud. La estructura de la actina se asocia a dos proteinas más: Tropnina y tropomiosina.

La actina y la miosina son las proteinas contractiles principalmente responsables de la contracción muscular. La troponina regula, a traves de su acción en la tropomiosina, la actividad contractil bloqueando o facilitando la interacción entre la actina y la miosina. Las proteinas están organizadas en sub unidades repetidas llamadas sarcómeros que forman la unidad funcional del músculo. Una célula muscular está bien abastecida con miofibrillas en todo su largo (en serie), y su ancho (en paralelo), a lo largo del eje más largo de ella. Esta orientación estructural da pie a típicas propiedades, causando que la célula parezca rayada o estriada. No todas las células musculares tienen la característica de un patrón de bandas. Las células de los músculos lisos del sistema vascular y gastrointestinal no son estriadas.

Figura 2: Desgarrar un pedazo muy seco de carne nos muestra pequeños grupos de células musculares que son visibles a simple vista.

Caracterísiticas de los diferentes tipos de músculos

Un viaje a la carnicería por un trozo de carne de vaca nos puede dar una excelente perspectiva de la anatomía muscular. Toma un trozo muy seco de carne y muerde o desgárralo en la mitad (figura 2). Cuidadosamente mira al lado roto de la carne. El lado deshilachado con forma de hebras de algodón de azúcar son células musculares o pequeños grupos de células.

Los organelos pueden estar presentes e las células en variables números o totalmente ausentes, dependiendo de la función de la célula. La célula de sangre roja no tiene nucleo, pero la célula muscular tiene un gran número. Esto nos dice que las células de la sangre no se pueden reproducir o reparar por si solas. También nos dice que la célula muscular posee la capacidad de auto repararse y crecer por el gran complemento de materiales genéticos pressentes. De hecho, eso es lo que ocurre.  Cuando una célula roja de la sangre se envejece o daña es retirada de circulación. Una célula muscular dañada usará su poder genético para estimular la roducción proteínas reparadoras que restablezcan el normal funcionamiento.

Otro ejemplo de la presencia diferencial se encuentra nuevamente en las células musculares.  La mayoría de las personas se les hace familiar el concepto las células musculares de contracción rápida y células musculares de contracción lenta. Esta es una simplificación del concepto pero funciona para el ejemplo. Las fibras de contracción lenta poseen un gran número de mitocondrias. Las de contracción rápida no. Esta diferencia anatómica se da por una diferencia funcional en que el gran número de mitocondrias en las fibras de contracción lenta son resistentes a la fatiga. Las fibras de contracción rápida, que tienen pocas mitocondrias, se fatigan en unos pocos segundos de contracciones máximas.

Las fibras de contracción rápida son además má laras que las de contracción lenta y por consiguiente tiene mayor cantidad de sarcómeros. Más actina y miosina significan una capacidad de producción de fuerza mayor. Así que aparentemente, incluso con esta pequeña reseña de anatomía muscular, la forma anatómica dicta la funcionalidad fisiológica. Este tema se repetirá una y otra vez en nuestro estudio de la anatomía.

Es muy importante hace notar que el entrenamiento puede cambiar la composición estructural anatómica de la célula. Si es una alteración inducida por el ejercicio en los elementos químicos presentes o un cambio en la estructura celular, los efectos del ejercicio físico en el ser humano son a nivel celular antes de manifestarse en la apariencia externa o en las mejoras del rendimiento.

Figura 3: Función y anatomía del sarcómero. Durante la contracción muscular, las bandas Z son tiradas hacia el centro del sarcómetro y las bandas I se reducen. Esto produce el movimiento.

Cómo se mueve el cuerpo

Consideraremos cómo las células musculares funcionan por medio de la característica de las miofibrillas (la parte de la fisiología de esta sesión.)

El mecanismo de contracción muscular aceptado, es un concepto relativamente moderno, propuesto en su forma básica en 1950 por H.E.  Huxley. En su teoría de los filamentos deslisantes, las dos proteínas contráctiles actina y miosina, tiran entra si intermitentemente y transitoriamente cuando es estimulada nerviosamente para hacerlo.

Es un concepto fácil de entender:  Tu cerebro o un reflejo envía una señal a través de una moto neurona (un nervio que alimenta a un músculo de información). La señal serviosa llega la célula muscular, que desencadena procesos químicos dentro de la célula, y la producción de fuerza.

Piensa en la actina como una escalera acostada en el suelo.  En el final más lejano, en el último peldaño de la escalera, hay algo que quieres. ¿Cómo alcanzas el objeto?  Usando tus manos y pies tiras del extremo más lejano de la escalera, mano sobre mano y peldaño por peldaño, cercano a ti hasta que finalmente tienes el objeto que quieres al alcance.

En esta analogía te has comportado como la miosina, alternando tus manos en contacto y generando fuerza contra la actina (la escalera) para lograr el movimiento. Ahora piensa que esta misma tarea se realiza momentáneamente con alguien más trabajando con otra escalera, jalando su escalera y queriendo un objeto en direcciones opuestas.  En esta orientación tú y tu compañero estarán comportándose como un sarcómero, la unidad contráctil básica de la célula muscular, tirando los extremos del sistema hacia el centro. Hay aproximadamente 400 sarcómeros por cada milimetro de miofibrilla. La estructura del sacómero permite el acortamiento en serie a lo largo de toda la célula muscular por medio de un mecanismo que depende de energía (fig. 3).

Un sarcómero está rodeado en cada extremo por una línea Z a la que se encuentra anclada la Actina. La Miosina está anclada en el centro del sarcómero a la línea M y está representada por la banda A. El área entre la línea Z y la banda A, la banda I, es variable en su ancho.  En un estado de relajación la banda I es ancha. Mientras el músculo está contraído, la linea Z es tirada hacia el centro y las bandas I comienzan a achicarse.

Así las miofibrillas, las largas cadenas de sarcómeros que están contenidas en la célula muscular, generan fuerza. La fuerza es transferida a células adyacentes que por virtud el tejido conectivo que rodea cada una de las células. Este tejido conectivo es llamado endomisio, y el endomisio que rodea una célula se adosa con el de sus células vecinas.

Un segundo nivel de estructura del tejido conectivo asiste en la transferencia de la fuerza.

Rodeando a un número considerable o vainas de células musculares, encontraremos un tejido conectivo más delgado llamado perimisio. El perimisio y todas las células musculares contenidas en esta vaina son llamadas fasículo (figura 4).

Hay un nivel más en la estructura del tejido concetivo que permite latransferencia de la fuerza: el epimisio. El epimisio es una capa de tejido conectivo es colindante con la otra y termina presentándose como un tendón en el lugar de inserción al hueso.

Figura 4: El tejido cognitivo del músculo, epimisio y perimisio. Estos tejidos terminan en tendones. que se insertan a los huesos y transfieren la fuerza muscular que produce movimiento en una articulación.

El acortamiento de sarcómeros da como resultado el acortamiento de todo el músculo y actúa acercando los dos huesos a los que se encuentra inserto el músculo.  Si un músculo se acorta, se contrae.

Con la excepción del tejido conectivo que rodea a la célula muscular (el endomisio, no visible a simple vista), un trozo de carne de vaca cortado a la mitad o prácticamente cualquier filete en el mostrador de la carnicería pueden demostrar la organización del tejido conectivo en el músculo. Haces de fibra muscular rodeados por tejido conectivo (el perimisio) y colectivamente llamados fascículos. Haces de fascículos son redeados por más tejido conectivo (elapimisio), formando un músculo completo.

Una variación en la estructura en que se encuentran situadas las células musculares con respecto al tejido conectivo afecta la cantidad de fuerza generada por un músculo (figura 5A y 5B).  La penación se refiere al ángulo en que las células musculares están en relación al eje más largo del tendón sobre el que actúan. Cuando las fibrasmusculares corren paralelo al eje más largo de su tendón, el músculo es capaz de cambiar su longitud enorme y rápidamente, a la vez que produce una fuerza moderada (directamente proporcional a la fuerza generada por el acortamiento de los sarcómeros). Un músculo de una masa indéntica al de células paralelas antes descrito pero que sus fibras de insertan en el tendón en un ángulo de 45 grados experimenta una amplificación en la producción de fuerza. Es una cosa de matemática y física con senos y cosenos involucrados, pero en la raíz de esto es una mayor cantidad de fibras musculares empaquetados en un mismo espacio. Este tipo de músculos son capaces de generar mucho más fuerza que el músculo en paralelo, a la vez que esto ocurrirá en un rango de movimiento menor y a una velocidad menor.

¿Como es que esta exquisitez de información de la anatomía y la fisiología nos puede ayudar a enseñar o programar el ejercicio?  Piensa en todos aquellos trucos para ejercitar la pantorrilla por ahí que tienen como propósito mejorar el salto vertical o la velocidad de sprint. Piensa ahora e el músculo Gastronemio de múltiples cabezas (el músculo grande de la pantorrilla). Tiene fibras musculares que están penadas a su tendón (el tendón de Aquiles o tendón calcaneo) y como tal está dispuesto para generar fuerza y no velocidad (no puedes saltar lento). El tipo de fibra y cuestiones de palanca mecánica limitan aún más la contribución del Gastronemio a la altura del salto. Depositar una gran atención al gastronemio con la intenciónde mejorar el rendimiento en el salto es como malgastar el tiempo.

Movimiento:  desde las células hasta las sentadas

Un entendimiento conceptual de la anatomía en la contracción del músculo vuelve obvio que hay mucho más sucediendo durante la contracción muscular.  De hecho así es, desde la moléculas individuales hasta el músculo entero. Desde las proteínas que producen fuerza hasta el nivel de toda la acción muscular, un entendimiento sencillo de la forma en que están hechas las cosas forman el núcleo de nuestro entendimiento de como cambiar su estructura para mejorar su función. Los procesos fisiológicos que inducen y apoyan la contracción muscular son numerosos, diversos e importantes de conocer. Hacer que el músculo se mueva requiere que se involucre el sistema neurológico, cardiopulmonar, esquelético y muscular, haciendo un tema fisiológico integrado para un examen más adelante.

Figura 5: Penación muscular. El biceps braquial (A) son músculos con inserción de fibras musculares paralelas (Paralelas al eje de mayor longitud del tendón). Un músculo de doble penación, como el gastronemio (B), tiene una orientación diferente del ángulo de las fibras musculares, irradiando desde un tendón central.

Sobre el Autor

Lon Kilgore, Doctor en fisiología, es profesor de kinesiología en Midwestern State University, en donde enseña fisiología del deporte y acondicionamiento físico y anatomía aplicada.  Es autor y co-autor de varios libros sobre ejercicio profesional, numerosos artículos de investigación en biología del ejercicio y muchos artículos que interpretan la ciencia del ejercicio para entrenadores medios e iniciados. Sus estudiantes se han convertido en facultativos de universidades, entrenadores deportivos de secundaria y universidades, entrenadores privados, kinesiologos, terapeutas físicos, directores de bienestar y entrenadores nacionales de levantamiento de pesas y ciclismo. Ha sido miembro presidente del comité de ciencias del deporte para el levantamiento de pesas de EE.UU. Investigador en el equipo de proyectos para la mejora del rendimiento en levantamiento de pesas de la USOC y miembro del comité de certificación para la sociedad americana de fisiología del ejercicio.

(Original: Build to Move de Lon Kilgore para el CrossFit Journal, 4 de junio de 2009)