Teoría del filamento deslizante - Sliding filament theory
La teoría del filamento deslizante explica el mecanismo de contracción muscular basado en proteínas musculares que se deslizan unas sobre otras para generar movimiento. Según la teoría del filamento deslizante, los filamentos de miosina (gruesos) de las fibras musculares se deslizan más allá de los filamentos de actina (delgados) durante la contracción muscular, mientras que los dos grupos de filamentos permanecen en una longitud relativamente constante.
Fue introducido de forma independiente en 1954 por dos equipos de investigación, uno formado por Andrew F. Huxley y Rolf Niedergerke de la Universidad de Cambridge , y el otro formado por Hugh Huxley y Jean Hanson del Instituto de Tecnología de Massachusetts . Fue concebido originalmente por Hugh Huxley en 1953. Andrew Huxley y Niedergerke lo presentaron como una hipótesis "muy atractiva".
Antes de la década de 1950, existían varias teorías en competencia sobre la contracción muscular, incluida la atracción eléctrica, el plegamiento de proteínas y la modificación de proteínas. La nueva teoría introdujo directamente un nuevo concepto llamado teoría del puente cruzado (clásico puente cruzado oscilante, ahora conocido principalmente como ( ciclo de puente cruzado ) que explica el mecanismo molecular del filamento deslizante. La teoría del puente cruzado establece que la actina y la miosina se forman un complejo proteico (clásicamente llamado actomiosina ) mediante la unión de la cabeza de miosina al filamento de actina, formando así una especie de puente cruzado entre los dos filamentos.La teoría del filamento deslizante es una explicación ampliamente aceptada del mecanismo que subyace a la contracción muscular.
Historia
Obras tempranas
La primera proteína muscular descubierta fue la miosina por un científico alemán Willy Kühne , quien la extrajo y nombró en 1864. En 1939, un equipo ruso de marido y mujer Vladimir Alexandrovich Engelhardt y Militsa Nikolaevna Lyubimova descubrieron que la miosina tenía una propiedad enzimática (llamada ATPasa ) que puede descomponen el ATP para liberar energía. Albert Szent-Györgyi , un fisiólogo húngaro, se centró en la fisiología muscular después de ganar el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1937 por sus trabajos sobre la vitamina C y el ácido fumárico . Demostró en 1942 que el ATP era la fuente de energía para la contracción muscular. De hecho, observó que las fibras musculares que contienen miosina B se acortan en presencia de ATP, pero no con miosina A, la experiencia que luego describió como "quizás el momento más emocionante de mi vida". Con Brunó Ferenc Straub , pronto descubrió que la miosina B estaba asociada con otra proteína, a la que llamaron actina, mientras que la miosina A no. Straub purificó la actina en 1942 y Szent-Györgyi purificó la miosina A en 1943. Se hizo evidente que la miosina B era una combinación de miosina A y actina, de modo que la miosina A retuvo el nombre original, mientras que la rebautizó como actomiosina. A fines de la década de 1940, el equipo de Szent-Györgyi había postulado con evidencia que la contracción de actomiosina era equivalente a la contracción muscular en su conjunto. Pero la idea fue generalmente rechazada, incluso por parte de premios Nobel como Otto Fritz Meyerhof y Archibald Hill , quienes se adhirieron al dogma predominante de que la miosina era una proteína estructural y no una enzima funcional. Sin embargo, en una de sus últimas contribuciones a la investigación muscular, Szent-Györgyi demostró que la actomiosina impulsada por ATP era el principio básico de la contracción muscular.
Origen
Cuando Hugh Huxley obtuvo su doctorado en la Universidad de Cambridge en 1952 sobre su investigación sobre la estructura del músculo, Szent-Györgyi había convertido su carrera en la investigación del cáncer. Huxley fue al laboratorio de Francis O. Schmitt en el Instituto de Tecnología de Massachusetts con una beca postdoctoral en septiembre de 1952, donde se unió a otro becario postdoctoral inglés Jean Hanson en enero de 1953. Hanson tenía un doctorado en estructura muscular del King's College de Londres en 1951. Huxley había utilizado la difracción de rayos X para especular que las proteínas musculares, en particular la miosina, forman filamentos estructurados que dan lugar a la sarcómera (un segmento de fibra muscular). Su principal objetivo era utilizar la microscopía electrónica para estudiar los detalles de esos filamentos como nunca antes se había hecho. Pronto descubrieron y confirmaron la naturaleza filamentosa de las proteínas musculares. La miosina y la actina forman filamentos superpuestos, los filamentos de miosina constituyen principalmente la banda A (la región oscura de un sarcómero), mientras que los filamentos de actina atraviesan las bandas A e I (región clara). Huxley fue el primero en sugerir la teoría del filamento deslizante en 1953, afirmando:
"... [S] i se postula que el estiramiento del músculo tiene lugar, no por una extensión de los filamentos, sino por un proceso en el que los dos conjuntos de filamentos se deslizan [énfasis agregado] uno al lado del otro, entonces se inhibirá la extensibilidad si la miosina y la actina están unidas ".
Más tarde, en 1996, Huxley lamentó que debería haber incluido a Hanson en la formulación de su teoría porque estaba basada en su trabajo colaborativo.
Andrew Huxley , a quien Alan Hodgkin describió como "mago con aparatos científicos", acababa de descubrir el mecanismo de transmisión del impulso nervioso ( potencial de acción ) (por el cual él y Hodgkin ganaron más tarde el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1963) en 1949 utilizando su propio diseño de pinza de voltaje , y estaba buscando un asociado que pudiera disecar adecuadamente las fibras musculares. Por recomendación de un amigo cercano, Robert Stämpfli, el médico alemán Rolf Niedergerke se unió a él en la Universidad de Cambridge en 1952. Para entonces se dio cuenta de que el microscopio de contraste de fase usado convencionalmente no era adecuado para estructuras finas de fibras musculares, y así desarrolló su propio microscopio de interferencia . Entre marzo de 1953 y enero de 1954 realizaron su investigación. Huxley recordó que en ese momento la única persona que pensó en los filamentos deslizantes antes de 1953 fue Dorothy Hodgkin (más tarde ganadora del Premio Nobel de Química en 1964 ). Pasó el verano de 1953 en el Laboratorio de Biología Marina de Woods Hole, Massachusetts, para utilizar allí un microscopio electrónico. Allí conoció a Hugh Huxley y Hanson con quienes compartió datos e información sobre sus trabajos. Se separaron con un acuerdo de que se mantendrían en contacto y, cuando se logre su objetivo, publicarían juntos, si alguna vez "llegaban a conclusiones similares".
La teoría del filamento deslizante
La teoría del filamento deslizante nació de dos artículos consecutivos publicados el 22 de mayo de 1954 en Nature bajo el tema común "Cambios estructurales en el músculo durante la contracción". Aunque sus conclusiones fueron fundamentalmente similares, sus datos experimentales y proposiciones subyacentes fueron diferentes.
Hipótesis de Huxley-Niedergerke
El primer artículo, escrito por Andrew Huxley y Rolf Niedergerke, se titula "Microscopía de interferencia de fibras musculares vivas". Se basó en su estudio del músculo de la rana utilizando un microscopio de interferencia, que Andrew Huxley desarrolló para este propósito. Según ellos:
- las bandas I están compuestas por filamentos de actina y las bandas A principalmente por filamentos de miosina; y
- durante la contracción, los filamentos de actina se mueven hacia las bandas A entre los filamentos de miosina.
Hipótesis de Huxley-Hanson
El segundo artículo, de Hugh Huxley y Jean Hanson, se titula "Cambios en las estrías transversales del músculo durante la contracción y el estiramiento y su interpretación estructural". Es más elaborado y se basó en su estudio del músculo de conejo utilizando microscopios electrónicos y de contraste de fase. Según ellos:
- la columna vertebral de una fibra muscular son filamentos de actina que se extienden desde la línea Z hasta un extremo de la zona H, donde están unidos a un componente elástico al que denominaron filamento S;
- los filamentos de miosina se extienden desde un extremo de la banda A a través de la zona H hasta el otro extremo de la banda A;
- los filamentos de miosina permanecen en una longitud relativamente constante durante el estiramiento o la contracción muscular;
- si los filamentos de miosina se contraen más allá de la longitud de la banda A, sus extremos se pliegan para formar bandas de contracción;
- los filamentos de miosina y actina se encuentran uno al lado del otro en la banda A y, en ausencia de ATP, no forman enlaces cruzados;
- durante el estiramiento, solo las bandas I y la zona H aumentan de longitud, mientras que las bandas A permanecen iguales;
- durante la contracción, los filamentos de actina se mueven hacia las bandas A y la zona H se llena, las bandas I se acortan, la línea Z entra en contacto con las bandas A; y
- la posible fuerza impulsora de la contracción son los enlaces actina-miosina que dependen de la hidrólisis del ATP por la miosina.
Recepción y consecuencias
A pesar de la fuerte evidencia, la teoría del filamento deslizante no obtuvo ningún apoyo durante varios años. El propio Szent-Györgyi se negó a creer que los filamentos de miosina estuvieran confinados al filamento grueso (banda A). FO Schmitt, cuyo microscopio electrónico proporcionó los mejores datos, también se mostró escéptico con respecto a las imágenes originales. También hubo argumentos inmediatos en cuanto a la organización de los filamentos, si los dos conjuntos (miosina y actina) de filamentos eran simplemente superpuestos o continuos. Fue solo con el nuevo microscopio electrónico que Hugh Huxley confirmó la naturaleza superpuesta de los filamentos en 1957. También fue a partir de esta publicación que se demostró claramente la existencia del enlace actina-miosina (ahora llamado puente cruzado). Pero tardó otros cinco años en proporcionar evidencia de que el puente cruzado era una interacción dinámica entre los filamentos de actina y miosina. Obtuvo la disposición molecular real de los filamentos usando cristalografía de rayos X al asociarse con Kenneth Holmes , quien fue entrenado por Rosalind Franklin , en 1965. Fue solo después de una conferencia en 1972 en el Laboratorio Cold Spring Harbor , donde la teoría y su Se deliberaron pruebas que llegaron a ser generalmente aceptadas. En la conferencia, como Koscak Maruyama recordó más tarde, Hanson tuvo que responder a las críticas gritando: "Sé que todavía no puedo explicar el mecanismo, pero el deslizamiento es un hecho". Las pruebas fácticas llegaron a principios de la década de 1980, cuando diferentes investigadores pudieron demostrar el movimiento de deslizamiento real utilizando herramientas novedosas y sofisticadas.
Mecanismo de puente cruzado
Con evidencia sustancial, Hugh Huxley propuso formalmente el mecanismo para deslizar el filamento y se le llama modelo de puente cruzado oscilante, teoría de puente cruzado o modelo de puente cruzado. (Él mismo prefería el nombre "modelo de puente oscilante", porque, como recordaba, "después de todo, [el descubrimiento] fue la década de 1960"). Publicó su teoría en la edición del 20 de junio de 1969 de Science con el título " El mecanismo de la contraccion muscular". Según su teoría, el deslizamiento de los filamentos se produce por unión cíclica y desprendimiento de miosina en los filamentos de actina. La contracción ocurre cuando la miosina tira del filamento de actina hacia el centro de la banda A, se desprende de la actina y crea una fuerza (golpe) para unirse a la siguiente molécula de actina. Esta idea se probó posteriormente en detalle y se conoce más apropiadamente como el ciclo de puentes cruzados .