Muscle Physiology: Troponin, Tropomyosin, and Myosin Cross-Bridge Cycle

Summary

Este vídeo se enfoca en el ciclo de la puente cruzada (crossbridge cycle), un proceso esencial en la contracción muscular. Se explica cómo los músculos se contraen al acortarse, utilizando un enfoque kinésico para visualizar mejor los movimientos. Se detalla cómo las miofibrillas, las unidades funcionales del músculo, se contraen al formar puente cruzadas entre las proteínas de la miosina (espesas) y la actina (delgadas). La contracción se desencadena con la liberación de calcio, que permite que la miosina se una a la actina y realice el paso de potencia, acortándose y moviendo las filamentos hacia la línea M. El vídeo utiliza animaciones para ilustrar este proceso a nivel molecular.

Takeaways

• 💪 El vídeo trata sobre el ciclo de crossbridge, un proceso esencial en la contracción muscular.
• 🤔 Se utiliza una aproximación más práctica y visual para enseñar cómo se mueven las partes musculares durante la contracción.
• 📐 Se explica que, al contraerse, el bíceps brachii se encoge, disminuyendo el ángulo en la articulación del codo.
• 🔬 Se detalla que cada célula muscular está compuesta por unidades funcionales llamadas miofibrillas, y dentro de estas, las unidades funcionales son los sarcómeros.
• 🧬 Los filamentos gruesos, formados por la proteína miosina, y los filamentos delgados, formados por actina, son cruciales en el ciclo de crossbridge.
• 🔴 Los filamentos gruesos contienen miosina, una proteína contractile y enzima que causa la contracción muscular.
• 🟡 Los filamentos delgados contienen actina, y tienen sitios de unión para miosina, esenciales para formar el crossbridge.
• ⚪️ El proceso de contracción comienza con la liberación de calcio, que permite que la miosina se una a la actina, iniciando el ciclo de crossbridge.
• 🔄 La ATP desempeña un papel crucial en el ciclo de crossbridge, causando la desconexión de la miosina de la actina y su posterior activación.
• ➡️ El 'power stroke' es el movimiento por el cual la miosina contrae y se adentra en la actina, lo que resulta en la contracción muscular.

Q & A

¿Qué es el ciclo de crossbridge y cómo se relaciona con la contracción muscular?

El ciclo de crossbridge es el proceso por el cual las proteínas miosina y actina interactúan para causar la contracción muscular. Las cabezas de la miosina se unen a los sitios de unión de la actina, se activan y realizan un 'paso de fuerza' que provoca el movimiento de las filamentas hacia la línea M, resultando en la contracción del músculo.

¿Cuál es la función de las miofibrillas dentro de una célula muscular?

Las miofibrillas son las unidades funcionales dentro de una célula muscular que permiten la contracción. Están compuestas de filamentos gruesos (miosina) y delgados (actina) que se mueven en relación durante el ciclo de crossbridge.

¿Qué es un sarcómero y cómo se relaciona con el movimiento muscular?

Un sarcómero es la unidad funcional microscópica dentro de una miofibrilla. Es el segmento de la miofibrilla que se encarga de la contracción y se encorta hacia la línea M durante la contracción muscular.

¿Qué proteínas componen los filamentos gruesos y delgados en un sarcómero?

Los filamentos gruesos están compuestos principalmente de la proteína miosina, mientras que los filamentos delgados están compuestos de actina.

¿Qué es la función de la miosina como enzima y cómo se relaciona con la contracción muscular?

La miosina actúa como una enzima que cataliza la hidrólisis de ATP, lo que libera energía para la contracción. La miosina se une a la actina utilizando la energía de ATP, lo que inicia el ciclo de crossbridge y resulta en la contracción.

¿Qué sucede cuando la miosina se une a la actina durante el ciclo de crossbridge?

Cuando la miosina se une a la actina, se forma un crossbridge que permite la transferencia de energía de la hidrólisis de ATP a un movimiento mecánico, lo que provoca el movimiento de las filamentas actina hacia la línea M y la contracción del músculo.

¿Qué es el papel de ATP en el ciclo de crossbridge?

ATP es esencial en el ciclo de crossbridge porque provee la energía requerida para la contracción. Se hydroliza en ADP y fosfato, lo que permite que la miosina se active y realice el paso de fuerza necesario para la contracción.

¿Cómo se desencadena la contracción después de la hidrólisis de ATP?

Después de la hidrólisis de ATP, la liberación de energía activa la cabeza de la miosina, que se coloca en una posición lista para unirse a la actina. La liberación del fosfato y ADP de la miosina intensifica la unión miosina-actina y desencadena el paso de fuerza que resulta en la contracción.

¿Qué es el papel de la troponina y la tropomiosina en la regulación de la contracción muscular?

La troponina es una proteína que se une al calcio, lo que permite que la tropomiosina se desplace y revele los sitios de unión de la miosina en la actina. Esto es esencial para iniciar el ciclo de crossbridge y la contracción muscular.

¿Cuál es el significado de la línea M en un sarcómero y cómo se relaciona con la contracción?

La línea M es el punto central de un sarcómero y es hacia donde se mueven las filamentas actina durante la contracción. La contracción se produce cuando las filamentas actina se desplazan hacia la línea M debido a la acción de las cabezas de la miosina.

Outlines

00:00

💪 Ciclo del puente cruzado en la fisiología muscular

Este vídeo se centra en el ciclo del puente cruzado, un concepto clave en la fisiología muscular. Se utiliza una aproximación más dinámica y visual, en lugar de presentaciones tradicionales, para ilustrar cómo se mueven las partes musculares. Se explica que, al contraerse, el bíceps se encoge y se reduce el ángulo en la articulación del codo. Se invita al espectador a realizar un ejercicio físico para experimentar este cambio. Se detalla la composición del músculo, mencionando las células musculares, las miofibrillas y los sarcómeros. Se enfatiza la importancia de la interacción entre las proteínas miosina (filamentos gruesos) y actina (filamentos delgados), y cómo esta interacción es crucial para el movimiento muscular.

05:00

🔬 Funcionamiento a nivel molecular del ciclo del puente cruzado

Se profundiza en el proceso molecular del ciclo del puente cruzado, destacando la función de la miosina y la actina. Se describe la aparición de iones de calcio que activan la contracción muscular al interactuar con las proteínas troponina y tropomiosina, exponiendo los sitios de unión de miosina en la actina. Se ilustra cómo la ATP (adenosín trifosfato) desempeña un papel crucial en el ciclo: su hidrólisis provoca la activación de la cabeza de la miosina, preparándola para unirse a la actina y formar un puente cruzado. Este proceso es esencial para el movimiento de los filamentos musculares y, por ende, para la contracción muscular.

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🏋️‍♂️ Detalles del proceso de contracción muscular

Se explica con detalle el proceso de contracción muscular, que comienza con la formación de un puente cruzado entre la miosina y la actina. La llegada de ATP provoca la desconexión de la miosina de la actina. Posteriormente, la hidrólisis de ATP y la liberación de energía activan la cabeza de la miosina, preparándola para unirse nuevamente a la actina. Se describe cómo la liberación de fosfato y ADP incrementa la fuerza de la interacción miosina-actina y desencadena el poderoso movimiento de la cabeza de la miosina, conocido como el 'pase de fuerza'. Este movimiento es responsable de la contracción muscular y se visualiza a gran escala en el vídeo, mostrando cómo los filamentos delgados se mueven hacia la línea media del sarcómero.

Keywords

💡Crossbridge cycle

El ciclo de crossbridge es el proceso por el cual las proteínas de la musculatura, como la miosina y la actina, interactúan para causar el movimiento muscular. En el vídeo, este ciclo es fundamental para entender cómo se produce la contracción muscular, ya que las cabezas de miosina (crossbridges) se unen a los sitios de unión de actina, provocando el movimiento de las filamentos finos hacia la línea M, y con ello, la contracción del músculo.

💡Bíceps

Los bíceps son un grupo de músculos en el brazo humano que se contrae para flexionar el codo. En el guion, se menciona el bíceps para ilustrar la contracción muscular al flexionar el brazo, mostrando cómo el músculo se acorta y se tensa al formar ángulos más pequeños entre el humero y el radio.

💡Myofibril

Los miofibrilos son las unidades funcionales dentro de las células musculares que están compuestas principalmente de filamentos gruesos y finos. En el vídeo, se explica que cada miofibrilo contiene múltiples sarcómeros, y es en este nivel donde se produce la interacción entre miosina y actina, esencial para el ciclo de crossbridge.

💡Sarcomero

El sarcómero es la unidad contractiva más pequeña dentro de un miofibrilo, compuesto por filamentos de actina y miosina organizados en una estructura regular. En el vídeo, el sarcómero es crucial para entender cómo se produce la contracción al mostrar cómo los filamentos se mueven hacia la línea M durante el ciclo de crossbridge.

💡Filamentos gruesos

Los filamentos gruesos, también conocidos como filamentos de miosina, son estructuras dentro de los sarcómeros que contienen la proteína miosina. En el vídeo, se enfatiza que estos filamentos tienen cabezas (crossbridges) que interactúan con los filamentos finos de actina para producir la contracción muscular.

💡Filamentos finos

Los filamentos finos, compuestos principalmente de actina, son otro tipo de filamentos dentro de los sarcómeros. En el guion, se describe cómo estos filamentos se mueven hacia la línea M en respuesta a la interacción con los filamentos gruesos, lo que resulta en la contracción del músculo.

💡ATP

El ATP, o adenosín trifosfato, es la fuente principal de energía en las células y juega un papel crítico en el ciclo de crossbridge. En el vídeo, se explica que la hidrólisis del ATP es necesaria para la activación de la cabeza de miosina, lo que permite su desvinculación de la actina y posterior unión, dando lugar a la contracción.

💡Cálcium

El calcio es un ion esencial en la regulación de la contracción muscular. En el guion, se menciona que los iones de calcio se unen a las proteínas troponina, lo que provoca una serie de eventos que exponen los sitios de unión de miosina en la actina, preparando el terreno para el ciclo de crossbridge.

💡Troponina

La troponina es una proteína que se encuentra en los filamentos finos y juega un papel crucial en la regulación de la contracción muscular. En el vídeo, se describe cómo la troponina se une al calcio y, a su vez, provoca que la tropomiosina se desplace, revelando los sitios de unión de miosina en la actina.

💡Tropomiosina

La tropomiosina es una proteína que se enrosca alrededor de los filamentos finos de actina, ocultando los sitios de unión de miosina cuando el músculo está en reposo. En el guion, se explica que la presencia de calcio y troponina desplaza la tropomiosina, permitiendo que la miosina se una a la actina y comience el ciclo de crossbridge.

Highlights

视频专注于肌肉生理学中的交叉桥循环（crossbridge cycle）

交叉桥循环的教学采用动态展示，以增强理解

二头肌收缩时肌肉缩短的演示

肌肉细胞内的功能性单位称为肌原纤维（myofibrils）

肌原纤维的功能单位是肌小节（sarcomere）

肌小节缩短向M线（中间线）移动的过程

肌小节中的厚丝（thick filaments）主要由肌凝蛋白（myosin）构成

肌凝蛋白不仅是收缩蛋白，也是酶，其酶机制导致肌肉收缩

肌小节中的薄丝（thin filaments）主要由肌动蛋白（actin）构成

肌动蛋白上存在肌凝蛋白结合位点，是形成交叉桥的关键

钙离子在肌肉收缩中的作用，与肌钙蛋白（troponin）结合

钙离子结合导致原肌球蛋白（tropomyosin）从肌凝蛋白结合位点移开

肌凝蛋白头部与肌动蛋白结合形成交叉桥

ATP分子的结合导致肌凝蛋白从肌动蛋白上脱离

ATP水解为ADP和无机磷酸盐，激活肌凝蛋白头部

磷酸盐的释放增强了肌凝蛋白与肌动蛋白之间的相互作用

ADP的解离导致肌凝蛋白头部发生强力的“动力冲程”

肌凝蛋白头部的收缩是人体生物化学中最大的构象变化之一

多个肌凝蛋白分子连续作用，拉动肌动蛋白丝向M线移动

Transcripts

welcome back to the muscle physiology

playlist this is going to be a video

dedicated to what we call the

crossbridge cycle and I'm kind of taking

a deviation here from uh the normal uh

paintbrush and PowerPoint videos because

quite honestly um it's a lot more

effective in terms of teaching this

stuff if you can if you can physically

see how things are moving um you know

from class I like to give you more of a

kinesthetic approach to this okay so

what you see here is what's referred to

as the bicep break eye other muscles

have been um eliminated for clarity

purposes okay and what's going to happen

is when the bicep break eye contracts it

shortens okay so this is a good place to

pause it and I want to do a little

exercise with you so I want you to have

your arm starting out in the extended

position so in other words where the

angle between your humoris and your

radius and on is 180 de and I want you

to put your hand on your bicep at least

at the point where it sort of um kind of

gets close to the elbow and keep your

hand on that point and then what I want

you to do is I want you to flex your arm

in other words by a flexion I mean

rotate your elbow such that you decrease

the angle of the joint like they showed

just now in the video and what you'll

find is that your muscle actually

shortens so what you see here is more in

the extended position and then what you

see is the bicep contract and what that

means is is that the bicep is shortening

as a whole well the question remains is

how does the bicep shorten overall well

it turns out that each of the muscle

cells that makes up the muscle as a

whole each muscle cell has functional

units called

myofibrils okay um the functional unit

of the myofibril if we get even more

microscopic is called the

sarir and what what we're going to do

here is we're going to look at the

function of the sarir and so let's

continue this

video so that's an extension of the arm

in which case the muscle lengthens okay

so now we're zooming in on this muscle

and we're going to look at what's

referred to as the crossbridge cycle

okay so here what we're doing is we're

looking at myof fibral this right here

is the sarir the functional unit and now

what we're doing is we're zooming in

right here and what they're going to

show you is these red filaments right

here these are called the thick

filaments now what's really important

here is the thick filaments have a major

protein it's a contractile protein

referred to as mein mein is not just a

contractile protein it's also an enzyme

and the enzymatic mechanism that it uses

is actually what causes it to contract

so the red ones or this pinkish ones are

going to be the thick filaments the

yellow ones that lie between the thick

filaments those are are the thin

filaments the major protein on those is

called actin and actually what we're

going to find is that on each actin

protein there's what we call a mein

binding site and so this is an important

Point here is that actin must bind to

mein or you could view it the other way

around in fact that's normally how

people view it they say that in order

for a crossbridge to form in the sarir

mein has to bind to actin and like I

said there's a mein binding site on

acted and we're going to look at the

events that occur on the sarir level

okay so what's essentially going to

happen here is you're going to see the

actin filaments right here move towards

this point where my mouse is so notice

notice my positioning of the mouse where

I'm going up and down this point on the

saram miror this line is called the M

line m stands for middle and the reason

it's called the mline is because the

sarcomere shortens toward this line

towards the mline in lab we looked at

that model we're going to look at it

again this week and you're going to see

how the sarir shortens towards this line

right here and in in reality what's

happening is the mein heads attached to

the actin or these thin filaments and

the thin filaments are going to get

walked ultimately towards this mline

okay so here they're showing the thick

filaments the thick filaments are going

to be the mein the thin filaments are

going to be the actin okay and notice

what happened let's go back back and

watch that process again notice how the

sarir is shortening toward the mline

okay so what's happening are those mein

heads which are located on the thick

filaments are walking the thin filaments

towards the mline let's watch that one

more time okay so notice this line right

here at this point the thin filaments

are being walked toward that line okay

so now let's take a look at what H

what's happening on the molecular level

so this right here you can see it right

here this is a little purple dot right

here you're going to see more of those

okay that is what's referred to as a

calcium ion in this video and you're

going to see more of them come by um

some other things that are important

these blue proteins right here these

circular blue proteins those are called

troponin and in a separate video we go

over the um the functionality of

troponin and troponin is a calcium

binding protein we'll see calcium bind

to this protein later on by the way the

thin filaments are composed of actin and

the actin are the kind of these yellow

dots that go around here and the yellow

dots are sort of wound together in a

helix and so the these yellow spherical

um repeating units are the thin

filaments and notice how the green

protein tropomyosin wraps around it in

in another helical type of arrangement

well it turns out that at rest the this

green protein called

tropomyosin tropomyosin covers up the

Myas binding sites on actin when the

calcium binds to the troponin what

you'll see is that the tropomyosin is

going to rotate off of The Binding sites

and you'll I think you'll see pretty

clearly what The Binding sites are as

soon as the tropomyosin rotates off of

the actin okay so what's going to happen

is this calcium and some others are

going to bind to these troponin

molecules that's going to cause

tropomyosin this green helical protein

to rotate off of the mein binding sites

on these actin um subunits of the thin

filament so hopefully you'll see that

right here so here comes the calcium

ions and you'll see some more come and

they're going to bind to troponin and

notice what's going to happen is the

tropo here's the troponin with the

calcium the tropomyosin which is in

green is going to rotate off of the mein

binding sites on actin okay so now

hopefully you see these little black

dots right here okay those are The

Binding sites for mein and and so what

you'll see is at certain points in the

mein cycle the mein can actually bind to

those sites so we're going to see how

that occurs now so what the mein head

will literally do is it will form an

attachment here with the thin filaments

okay so here's kind of the Assumption

we're going to make um here um when

we're looking at the cycle of mein so

this red thing right here that kind of

looks like a golf club in a sense this

is the mein head and this is sort of

literally what they look like they're

sort of in an arrangement like this so

what we're going to do in this video is

we are going to make the assumption that

the the cycle of mein begins with the

crossbridge okay the crossbridge is

essentially the the interaction or

binding of mein to the mein binding side

and actin meaning that masin and actin

are physically connected we're going to

start our cycle with that connection

there okay in other textbooks you may

see um the cycle begin at different

points this is just where I choose to

start the cycle so you're making an

assumption that you know this this

crossbridge is already formed okay

what's going to happen is there's going

to be a molecule of ATP that comes in

and you'll see that in just a minute so

this is the me head that molecule that

kind of looks like a pill that's coming

in that's representative of a Denine

triphosphate what you're going to see is

that when a Denine triphosphate binds to

the mein head it's going to cause

Detachment of mein from actin so let's

see how that occurs so ATP binds and

notice what happened you can there's

just a small Gap there but notice that

masin just detached from actin that's

what we call crossbridge Detachment okay

okay so now masin it's attached now that

little flash of light that occurred

there that was ATP

hydrolysis okay um what I recommend

doing if you're looking at this in the

context of organic and biochemistry is

I'll have another video on the mein um

mechanism that was actually recently

determined using quantum mechanics I

recommend that you go look at that that

particular mechanism and you'll kind of

see um how ATP relates to this but if

you go back and kind of watch that step

let's go back a little bit ATP gets

hydrolized into adenosine diphosphate

and inorganic phosphate okay what that's

going to do as you'll see now is it's

going to activ at the mein head and when

we say activate it typically what we

mean is it gets cocked into the

activated position so this position

right now where it is it's inactivated

but when you when you hydroly ATP you

release some energy in context of

chemistry we call that Gibbs free energy

and that energy is going to mein's

head into the activated position okay so

you'll see it kind of move into the

activated position assuming I hit play

okay there we go and the mein head is

going to get cocked into the activated

position okay so at this point right

here the mein head has bound ADP that's

this little bright yellow sphere has

bound phosphate that's the little red

sphere and so now masin is in the

activated position and it's going to be

able to bind to aasin binding site on

actin so let's continue okay so now what

we're assuming we're going to go back

and look at these steps in in kind of

the same detail so we're starting with

mein bound to actin okay so once again

we're going to kind of see the same

story so mein's bound to actin okay

what's going to happen ATP comes in and

causes crossbridge

Detachment okay so you'll see mein

detach from actin the next step is going

to be ATP hydrolysis ATP is going to get

hydrolyzed into a Denine diphosphate and

inorganic phosphate and that's going to

the mein head into the activated

position as shown there okay in this one

they call this step one but basically

what's going to happen now is the

crossbridge is going to form so myosin

is going to spontaneously bind to actin

and then what's going to happen is a

series of processes okay notice that

molecule that just left okay that's

phosphate it turns out that when

phosphate leaves the mein head okay it

strengthens the interaction between mein

and actin so what you're going to see

here is an Inc increase in the strength

of the mein actin interaction okay so

the strength is increased okay and then

what's going to happen something

referred to as the power stroke so the

first thing that happens is ADP

dissociates so when ADP dissociates from

the mein active site it's going to

result in a very strong Power Stroke as

you'll see here okay so hopefully you

can kind of see that contraction of the

mein head and one important thing to

kind of point out here is that um and

and somebody correct me if I'm wrong on

this in the comments but as far as I

know this movement of mein where it

where the where the head contracts and

moves the thin filament that movement

when ADP dissociates I believe is the

largest confirmational change in any

protein in human biochemistry so it's a

very large contraction with respect to

the total volume of this protein let's

watch that again cuz it's really

important kind of go back a little bit

so phosphate dissociates with which

which strengthens the mein actin

interaction and then ADP dissociates

from the mein active site and then what

you get is the power stroke notice the

contraction okay so hopefully that makes

a little bit of sense we're now going to

watch this in real time with a bunch of

mein molecules and they are they're

continuously in the presence of ATP

they're pulling the actin filaments

toward the mline so this is literally

what's happening go back here and

hopefully what you see is on a more

macroscopic scale the thin filaments are

going to be pulled toward the mline of

the sarir and that's all due to mein

contraction