Contraindo um músculo

Os filamentos é que fazem o trabalho real de um músculo. Os filamentos grossos são feitos de uma proteína chamada miosina. No nível molecular, um filamento grosso é uma haste de moléculas de miosina dispostas em um cilindro. Os filamentos finos são feitos de uma proteína chamada actina e se parecem com dois colares de pérolas enrolados um no outro.

Durante a contração, os filamentos de miosina agarram-se aos filamentos de actina, formando pontes cruzadas. Os filamentos grossos puxam os filamentos finos para trás, fazendo com que o sarcômero encolha. Em uma fibra muscular, o sinal para a contração é sincronizado por toda a fibra, o que faz com que todas as miofibrilas que formam o sarcômero encolham simultaneamente.

Há duas estruturas nos caminhos de cada filamento fino que permitem que eles deslizem pelos grossos: uma proteína longa e semelhante a um bastão chamada tropomiosina e um complexo de proteínas menores e semelhantes a pérolas, chamadas de troponina. Troponina e tropomiosina são os interruptores moleculares que controlam a interação de actina e miosina durante a contração.

Durante a contração, os filamentos finos deslizam pelos filamentos grossos,
encolhendo o sarcômero

Embora o deslizamento de filamentos explique como o músculo encolhe, ele não explica como o músculo cria a força necessária para isso. Para entender como essa força é criada, vamos pensar em como se puxa um objeto com uma corda:

1. agarre a corda com as duas mãos;
2. relaxe a pegada com uma mão, digamos que seja a mão esquerda, e mantenha a pegada com a direita;
3. com a mão direita segurando a corda, modifique a forma do braço direito para que diminua o seu alcance e puxe a corda na sua direção;
4. agarre a corda com a mão esquerda estendida e solte a pegada da mão direita;
5. mude a forma do braço esquerdo para encolhê-lo e puxe a corda, levando o braço direito de volta à sua posição estendida original para que agarre a corda;
6. repita o procedimento das etapas 2 a 5, alternando os braços, até que termine.

Os músculos criam força alternando pontes cruzadas de miosina

Para entender como os músculos criam força, vamos usar o exemplo da corda.

As moléculas de miosina têm o formato de um taco de golfe. Para nosso exemplo, a cabeça do taco de miosina (junto com a ponte cruzada que ela forma) é o seu seu braço e o filamento de actina é a corda:

1. durante a contração, a molécula de miosina forma uma ligação química com uma molécula de actina no filamento fino (segurando a corda). Essa ligação química é a ponte cruzada. Para entendermos melhor, somente uma ponte cruzada foi exibida na figura acima concentrando-se em um braço;
2. inicialmente, a ponte cruzada está estendida (seu braço estendido) com adenosina difosfato (ADP) e fosfato inorgânico (P_i) ligados à miosina;
3. assim que a ponte cruzada é formada, a cabeça de miosina se curva (seu braço encurtando), criando força e deslizando o filamento de actina pela miosina (puxando a corda). Esse processo é chamado de tempo de expansão. Durante o tempo de expansão, a miosina libera ADP e P_i ;
4. assim que o ADP e o P_i  são liberados, uma molécula de adenosina trifosfato (ATP) liga-se à miosina. Quando o ATP é ligado, a miosina libera a molécula de actina (soltar a corda);
5. quando a actina é liberada, a molécula de ATP é dividida em ADP e P_i pela miosina. A energia do ATP leva a cabeça da miosina de volta à sua posição original (estender o braço novamente);
6. o processo se repete. As ações das moléculas de miosina não são sincronizadas. A qualquer momento, algumas miosinas estão se ligando a filamentos de actina (agarrando a corda), outras estão criando força (puxando a corda) e outras estão soltando o filamento de actina (soltando a corda).

Contração isotônica x contração isométricaO encolhimento das fibras cria força mecânica ou tensão muscular. Se o comprimento do músculo se altera (mesma força ou contração isotônica) ou não (mesmo comprimento ou contração isométrica) depende da carga ligada ao músculo. Por exemplo, o seu bíceps está ligado a sua omoplata em uma extremidade e à ulna do seu antebraço na outra extremidade. Quando o bíceps se contrai, ele encolhe e puxa a ulna em direção à omoplata. A ulna é ligada à articulação do cotovelo. Esse movimento permite que você levante o seu antebraço e uma carga determinada. Por outro lado, se estiver carregando uma carga pesada, como uma maleta cheia, não é possível levantar o seu antebraço e o bíceps não se contrai muito. Mas a força que o músculo gera está ajudando a carregar a maleta.

As contrações de todos os músculos são disparadas por impulsos elétricos, quer sejam transmitidos por células nervosas, criados internamente (como em um marcapasso) ou aplicados externamente (com um estímulo elétrico). O sinal elétrico inicia uma série de eventos que levam ao ciclo de pontes cruzadas entre a miosina e actina, que, por sua vez, gera força. A série de eventos é um pouco diferente entre os músculos esqueléticos, lisos e cardíacos. Primeiramente, vamos descrever os eventos em um músculo esquelético primeiro.

O processo de acoplamento levando do sinal elétrico (excitação) à contração
no músculo esquelético

Vamos ver o que ocorre dentro de um músculo esquelético, da excitação à contração e depois ao relaxamento:

1. um sinal elétrico (potencial de ação) viaja por uma célula nervosa, fazendo com que ela libere uma mensagem química (neurotransmissor) em uma pequena lacuna entre a célula nervosa e a célula muscular. Essa lacuna é chamada de sinapse;
2. o neurotransmissor cruza a lacuna, liga-se à proteína (receptor) da membrana da célula muscular e causa um potencial de ação na célula muscular;
3. o potencial de ação se espalha rapidamente pela célula muscular e entra na célula através do túbulo T;
4. o potencial de ação abre as portas do estoque de cálcio do músculo (retículo sarcoplasmático);
5. íons de cálcio fluem para dentro do citoplasma, o local onde se encontram os filamentos de actina e miosina;
6. os íons de cálcio se ligam às moléculas do complexo troponina-tropomiosina localizadas nos sítios de ligação dos filamentos de actina. Normalmente, a molécula de tropomiosina (semelhante a um bastão) cobre os sítios da actina com os quais a miosina pode formar pontes cruzadas;
7. ao ligar íons de cálcio, a troponina altera sua forma e desliza a tropomiosina para fora, expondo os sítios de ligação actina-miosina;
8. a miosina interage com a actina em ciclos de pontes cruzadas, como descrito anteriormente. O músculo então cria força e se contrai;
9. após o potencial de ação ter passado, os canais de cálcio se fecham e as bombas de cálcio localizadas no retículo sarcoplasmático removem o cálcio do citoplasma;
10. conforme o cálcio é bombeado de volta ao retículo sarcoplasmático, os íons de cálcio saem da troponina;
11. a troponina retorna à sua forma natural e permite que a tropomiosina cubra os sítios de ligação actina-miosina do filamento de actina;
12. já que não há mais nenhum sítio de ligação disponível agora, nenhuma ponte cruzada pode ser formada, fazendo com que o músculo relaxe.

Como você pode ver, a contração muscular é regulada pelo nível de íons de cálcio no citoplasma. No músculo esquelético, os íons de cálcio trabalham na actina (contração regulada por actina). Eles tiram o complexo troponina-tropomiosina para fora dos sítios de ligação, permitindo que a actina interaja com a miosina.