Actomiosina

Qué es la actomiosina

Se denomina actomiosina al complejo molecular que resulta de la asociación entre la actina filamentosa y la miosina. La existencia misma de la contracción muscular depende de esta unión: la actina aporta los filamentos delgados sobre los que se desplaza la miosina, una proteína motora capaz de hidrolizar ATP y de generar fuerza mecánica. En el músculo estriado, las dos proteínas se organizan en el sarcómero con una geometría muy precisa; en el músculo liso y en las células no musculares la organización es más laxa, pero el principio de funcionamiento es el mismo.

El nombre es un compuesto evidente. Actina procede del latín actum, participio de agere ("hacer", "actuar"), y fue acuñado por el bioquímico húngaro Bruno F. Straub en 1942, cuando aisló la proteína en el laboratorio de Albert Szent-Györgyi en Szeged: la llamó así porque era la sustancia que activaba la coagulación de la miosina previamente descrita. Miosina, mucho más antigua, fue introducida por el fisiólogo alemán Wilhelm Kühne hacia 1864 a partir del griego μῦς (mys, "músculo") con el sufijo químico -ina. La forma compuesta actomiosina apareció en los trabajos del propio laboratorio de Szent-Györgyi en la primera mitad de los años cuarenta, para designar la mezcla viscosa en la que actina y miosina coexistían.

El Diccionario de Términos Médicos de la Real Academia Nacional de Medicina la define como complejo molecular del músculo estriado formado por filamentos de actina y miosina y responsable de la contracción. Es una definición correcta, pero conviene matizarla: la actomiosina no es exclusiva del músculo estriado, ni siquiera del músculo en general. Aparece, con menor abundancia, en prácticamente cualquier célula con capacidad de movimiento o de cambio de forma.

Composición y organización molecular

El complejo está formado por dos tipos de filamentos. Los filamentos delgados están compuestos por actina filamentosa (actina F), una polimerización helicoidal de monómeros de actina globular (actina G); a ellos se asocian la tropomiosina, que se enrolla a lo largo del filamento, y el complejo de la troponina (T, I y C), responsable de la regulación por calcio. Los filamentos gruesos están formados por moléculas de miosina II, que se ensamblan por la cola y exponen sus cabezas globulares hacia el exterior. Estas cabezas, llamadas también puentes cruzados, son las que se unen a la actina y desarrollan la actividad enzimática ATPasa.

En el músculo estriado esquelético y cardíaco, los filamentos se organizan en el sarcómero, la unidad repetida de la miofibrilla. Los filamentos delgados se anclan en los discos Z y los gruesos quedan centrados en la zona M; el solapamiento parcial entre ambos define las bandas claras y oscuras visibles al microscopio. En el músculo liso no hay sarcómeros, pero la actina y la miosina se distribuyen en haces oblicuos que se anclan en cuerpos densos del citoplasma. En las células no musculares, la actomiosina se concentra sobre todo en el córtex celular y en estructuras transitorias como el anillo contráctil de la citocinesis.

Mecanismo: el ciclo de los puentes cruzados

La contracción consiste, en términos moleculares, en un ciclo repetido de unión, giro y desprendimiento entre la cabeza de miosina y la actina. El ciclo arranca con la miosina cargada con ADP y fosfato inorgánico, productos de una hidrólisis previa de ATP; en este estado, la cabeza está armada en posición elevada. La unión a la actina libera el fosfato y desencadena el llamado golpe de fuerza: la cabeza pivota, arrastra al filamento delgado y libera el ADP. El sistema queda en una configuración de baja energía, conocida como complejo de rigor, en el que la miosina permanece firmemente unida a la actina. Solo la entrada de una nueva molécula de ATP en la cabeza permite que esta se desprenda. La hidrólisis subsiguiente del ATP rearma la cabeza y prepara un nuevo ciclo.

El ATP cumple, por tanto, una función paradójica. No es necesario para que la actomiosina permanezca unida; al contrario, es el ATP el que rompe la unión. Esto explica el rigor mortis: tras la muerte celular, el agotamiento del ATP deja los puentes cruzados fijados sobre la actina y el músculo permanece rígido hasta que la propia degradación proteolítica los disuelve. Es una de las pocas observaciones de la fisiología en las que el dato cotidiano (la rigidez cadavérica) se explica directamente por una reacción bioquímica.

El interruptor del ciclo es el calcio. En el músculo estriado, la liberación de Ca²⁺ desde el retículo sarcoplásmico se une a la troponina C, que desplaza la tropomiosina y descubre los sitios de unión sobre la actina. En el músculo liso, el calcio se une a la calmodulina, que activa la cinasa de la cadena ligera de miosina (MLCK); esta enzima fosforila la cadena ligera reguladora de la miosina y permite la unión con la actina. Son dos lógicas distintas para el mismo resultado.

Contextos donde aparece la actomiosina

Músculo esquelético. Es el caso paradigmático. La actomiosina sostiene la contracción voluntaria, rápida y reversible, controlada por la placa motora y mediada por la liberación masiva de calcio desde el retículo sarcoplásmico. La organización en sarcómeros permite una respuesta sincrónica de toda la fibra muscular.

Músculo cardíaco. La actomiosina cardíaca comparte arquitectura sarcomérica con el músculo esquelético, pero su regulación es distinta: el calcio que activa la troponina proviene en parte del propio espacio extracelular y en parte del retículo, y la contracción depende de un acoplamiento excitación-contracción muy diferente del esquelético. Las isoformas de las cadenas pesadas y ligeras de miosina son específicas del corazón.

Músculo liso. La regulación, como se ha indicado, depende de la fosforilación de la cadena ligera de miosina. La contracción es lenta, sostenida y económica en términos energéticos. Es la actomiosina del músculo liso la que mantiene el tono vascular, regula el calibre bronquial o impulsa el contenido del tubo digestivo.

Células no musculares. Casi cualquier célula eucariota contiene actomiosina en cantidades menores y la utiliza para procesos en los que la forma o la posición de la célula deben cambiar: extensión de lamelipodios durante la migración celular, estrangulamiento del citoplasma durante la citocinesis mediante un anillo contráctil ecuatorial, mantenimiento de la tensión cortical o cierre de heridas epiteliales mediante "bolsas de tabaco" de actomiosina. Las miosinas implicadas en estos procesos no son siempre la miosina II convencional: la familia de las miosinas comprende más de treinta clases distintas en mamíferos.

Contexto histórico

Aunque la miosina había sido nombrada por Kühne en el siglo XIX y Halliburton describió en 1887 una sustancia muscular que coagulaba la miosina, la identificación de la actomiosina como tal pertenece al laboratorio de Albert Szent-Györgyi en la Universidad de Szeged (Hungría), en plena Segunda Guerra Mundial. Szent-Györgyi, premio Nobel en 1937 por sus trabajos sobre la vitamina C y el ciclo de los ácidos dicarboxílicos, dedicó la década siguiente al estudio de las proteínas contráctiles.

En 1941, Ilona Banga y el propio Szent-Györgyi observaron que ciertas preparaciones de miosina se volvían muy viscosas y que esa viscosidad desaparecía al añadir ATP. Un año más tarde, Bruno F. Straub aisló la proteína responsable del efecto y la llamó actina; la mezcla recibió de inmediato el nombre de actomiosina. Los aislamientos del grupo de Szeged no llegaron a Occidente hasta 1945, cuando la guerra permitió su publicación en Acta Physiologica Scandinavica. Szent-Györgyi llegaría a reproducir in vitro la contracción de hebras artificiales de actomiosina sumergidas en una solución de ATP, una de las demostraciones experimentales más elegantes de la historia de la bioquímica.

El paso siguiente fue la teoría del filamento deslizante. El 22 de mayo de 1954 la revista Nature publicó dos artículos en el mismo número, firmados por equipos independientes (Hugh E. Huxley con Jean Hanson, en el MIT, y Andrew F. Huxley con Rolf Niedergerke, en Cambridge), que demostraron que los filamentos de actina y miosina no se acortan durante la contracción, sino que se deslizan unos sobre otros. Hugh Huxley completaría el modelo en 1969 con la propuesta del ciclo de los puentes cruzados, y la base estructural definitiva llegó en 1993 con la resolución cristalográfica del subfragmento 1 de la miosina por Rayment y colaboradores.

Diferenciación con actina, miosina y sarcómero

Actina. Es uno de los dos componentes del complejo. Por sí sola forma los filamentos delgados, pero no genera fuerza ni hidroliza ATP en este contexto. Tiene además funciones independientes del músculo, como elemento principal del citoesqueleto.

Miosina. Es la otra mitad del complejo y la responsable de la actividad enzimática. La actomiosina es lo que resulta cuando actina y miosina se encuentran y se acoplan; la miosina aislada conserva su actividad ATPasa, pero la actina la incrementa varias veces.

Sarcómero. Es la unidad estructural y funcional del músculo estriado, formada por la disposición ordenada de actomiosina entre dos discos Z. Una actomiosina sin organización sarcomérica, como la del músculo liso o la cortical de una célula epitelial, sigue siendo actomiosina, pero no forma sarcómero.

Preguntas frecuentes

¿De dónde viene la palabra actomiosina?

Es la unión de actina (del latín actum, "acción") y miosina (del griego μῦς, "músculo"). El término lo acuñó en los años cuarenta el laboratorio de Albert Szent-Györgyi en la Universidad de Szeged, cuando Bruno F. Straub aisló la actina a partir de preparaciones de miosina y se comprobó que ambas proteínas formaban un complejo. La voz "actomiosina" es, por tanto, un compuesto reciente, no anterior al siglo XX.

¿Es lo mismo actomiosina que sarcómero?

No. El sarcómero es una estructura anatómica, la unidad repetida del músculo estriado, delimitada por dos discos Z y formada por filamentos ordenados de actina y miosina. La actomiosina es el complejo molecular que se produce cuando una y otra se unen, independientemente de su organización espacial. Todos los sarcómeros contienen actomiosina, pero no toda la actomiosina del organismo está dentro de un sarcómero.

¿Qué papel tiene el ATP en la actomiosina?

El ATP cumple dos funciones, y son complementarias. Por un lado, su hidrólisis por la cabeza de miosina suministra la energía que mueve el golpe de fuerza. Por otro, la unión de una nueva molécula de ATP a la miosina es lo que la separa de la actina. Sin ATP no hay contracción, pero tampoco hay relajación: el complejo queda fijado en estado de rigor, como sucede en la rigidez cadavérica.

¿La actomiosina existe solo en el músculo?

No. La forma más conspicua y abundante es la del músculo estriado, pero prácticamente cualquier célula eucariota contiene actomiosina en cantidades menores y la emplea para procesos como la migración, la división, el cambio de forma o el mantenimiento de la tensión cortical. Las miosinas no convencionales (clases distintas de la miosina II) están especialmente implicadas en estos procesos no musculares.

¿Por qué se relaciona la actomiosina con el rigor mortis?

Porque la separación entre la cabeza de miosina y la actina requiere ATP. Tras la muerte, el músculo agota sus reservas de ATP en pocas horas y los puentes cruzados quedan trabados sobre la actina, lo que produce la rigidez característica del cadáver. La rigidez se resuelve cuando la actividad proteolítica de las propias células degrada las proteínas del complejo.

Referencias

1. Descriptores en Ciencias de la Salud. Actomiosina. DeCS/MeSH, BIREME/OPS/OMS.
2. Clark M. The sliding filament theory of muscle contraction. Nature Education / Scitable.
3. Huxley HE, Hanson J. Changes in the cross-striations of muscle during contraction and stretch and their structural interpretation. Nature, 1954.
4. Squire JM. Muscle contraction: sliding filament history, sarcomere dynamics and the two Huxleys. Global Cardiology Science and Practice, 2016.