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a Eli Flores 5 éve

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Vías de señalización en remodelación del músculo esquelético

El proceso de remodelación del músculo esquelético involucra diversas vías de señalización que responden a múltiples estímulos. Factores como el potenciador de miocitos-2 y las histonas desacetilasas desempeñan roles cruciales en la activación de la unión del ADN MEF2D, un factor de transcripción esencial en el músculo.

Vías de señalización en remodelación del músculo esquelético

(Bassel-Duby & Olson, 2006) Bassel-Duby, R., & Olson, E. N. (2006). Signaling Pathways in Skeletal Muscle Remodeling. Annual Review of Biochemistry, 75(1), 19–37. https://doi.org/10.1146/annurev.biochem.75.103004.142622

Vías de señalización en remodelación del músculo esquelético

SIGNIFICACIÓN CLÍNICA

Esteroides anabólicos
Un problema oportuno en la remodelación muscular es el uso de andrógenos como agentes anabólicos para aumentar la masa muscular esquelética y reducir la grasa corporal.

El aumento en la masa muscular es un crecimiento hipertrófico

Por lo que se asocian con

Un aumento en el área transversal de miofibras, por lo que en las miofibras tipo I como en las tipo II, no se observa un aumento en el número de miofibras

También no se observa ningún cambio en el número de fibras por unidad de músculo

Sin embargo

Un aumento en el número myonuclear es aparente y se cree que es atribuible a la fusión con células satelitales.

Estudios que determinaron

Los efectos de la testosterona en el rendimiento muscular

Que la administración de testosterona está asociada con un aumento en la potencia y la fuerza de las piernas

Pero

No mostró cambios en la capacidad de fatiga muscular ni cambios en la tensión específica

Por lo que indica que

Los aumentos de fuerza muscular inducidos por la testosterona son reflexivos de un aumento de masa muscular.

Los receptores de andrógenos residen en las células musculares y muy probablemente median la respuesta a los andrógenos.

Los efectos de la testosterona sobre la masa muscular esquelética

Dependen

la administración de dosis suprafisiológicas

Que conducen a un aumento sustancial en el tamaño y la fuerza muscular.

De la dosis

Atrofia muscular
NF-κB

La vía de NF-κB es suficiente para inducir atrofia esquelética severa, parecida a caquexia

También

El bloqueo de la vía NF-κB mejora la atrofia muscular

pero se demostró

La activación de NF-κB en el músculo promueve la proteólisis

Mediador del factor de necrosis tumoral de las citoquinas (TNF) alfa, como respuesta inflamatoria, se activa durante el desuso muscular.

Las miofibras tratadas con TNF más interferón gamma

no logran

mantener actividades contráctiles y muestran reducciones significativas en la expresión de los genes de la cadena pesada tanto de MyoD como de la miosina,

La hipertrofia del músculo esquelético, después de la administración de IGF-1

está mediada por

Aumento en la síntesis de proteínas debido a la fosforilación inducida por Akt, la activación de mTOR

así como

La falta de expresión de MAFbx / atrogin-1 causada por la fosforilación de FOXO inducida por Akt y la exclusión nuclear.

Los factores de transcripción FOXO, sustratos de Akt, inducen la expresión de atrogina-1 / MAFbx

conectando

Los mediadores moleculares de la atrofia y la vía de hipertrofia IGF-1 / PI3K / Akt

El perfil de expresión génica de los músculos extraídos de los modelos de ratón de atrofia múltiple

Tanto MuRF1 como atrogin-1 / MAFbx proteínas son ligasas de ubiquitina E3

son responsable de

La especificidad de sustrato de la conjugación de ubiquitina

como parte de

La vía de proteólisis de ubiquitina-proteosoma dependiente de ATP que puede resultar en una disminución del tamaño de miofibra

Se identificó dos genes

La atrofia muscular F-box (MAFbx) / atrogin-1

El dedo anular del músculo (MuRF) 1

para ser

Regulados en el músculo atrofiado, y la eliminación genética de estos genes parcialmente de la atrofia muscular aliviada.

Las miofibras atróficas tienen un área de sección transversal más pequeña que las miofibras normales y generan una fuerza reducida

sin embargo

No se someten a apoptosis

Retienen la mayoría de las características estructurales del músculo normal

Se define

Disminución en el tamaño de miofibra

Genera una disminución en la masa muscular total

La caquexia es una forma de atrofia muscular

asociada con

Daño al nervio asociado con el músculo

conduce

A una pérdida muscular grave.

Una enfermedad muscular

La sarcopenia es una pérdida crónica de músculo y fuerza

como resultado de

Lesión

Enfermedad

Desuso

Diabetes mellitus tipo 2 y obesidad
Los músculos esqueléticos representan la mayoría de la captación de glucosa

En el músculo esquelético humano, que es estimulado por insulina, el transporte de glucosa se correlaciona con el porcentaje de fibras musculares de contracción lenta.

el músculo esquelético oxidativo de contracción lenta tiene mayor capacidad de unión a la insulina, así como en actividad de la quinasa

La vía de señalización de la insulina en el músculo esquelético

Es controlado por una serie de eventos de fosforilación

Que vinculan activaciones iniciales del receptor de insulina hacia abajo sustratos

Y finalmente

Translocación de la glucosa transportadora 4 (GLUT4) al plasma de la membrana para unir y captar glucosa

Esto ayuda a reducir la incidencia de la Diabetes tipo II

Estimulada por

La insulina

en

Distrofia muscular
La distrofia muscular de Duchenne (DMD)

La introducción de la calcineurina en el músculo esquelético

No solo activa la expresión de la utrofina

sino que también

Desplaza las fibras rápidas que son más propensas a dañarse

Promover la formación de fibras de tipo I

Se observó que el músculo esquelético de pacientes con DMD

las miofibras rápidas se ven afectadas preferentemente con cambios degenerativos, mientras que las miofibras lentas están relativamente a salvo

La activación de la calcineurina estimula la expresión de la utrofina a través de un sitio NFAT en el promotor de la utrofina

La sobreexpresión de calcineurina activada en el músculo esquelético de ratones mdx.

Carecen del gen de la distrofia

produce

Aumento en la expresión de utrofina, un aumento en las fibras oxidativas y una disminución en la patología

Estrategia para aliviar la DMD implica

La regulación positiva de la utrofina, un homólogo autosómico de la distrofina

Es un trastorno muscular recesivo ligado a X debilitante y potencialmente mortal.

Causado por

Mutaciones en el gen de la distrofina

SEÑALIZACIÓN DE VÍAS EN REMODELACIÓN DE MIOFIBRAS

Factor de crecimiento similar a la insulina, Akt, y objetivo en mamíferos de la rapamicina
El músculo esquelético puede adaptarse a la carga de trabajo cambiando el tamaño de miofibra.

El músculo plantar de ratas sometidas a sobrecarga muscular y tratadas con rapamicina

Es un inhibidor de la actividad de mTOR, mostró una activación similar de Akt en respuesta a una mayor carga de trabajo

pero

No mostró ningún cambio en el tamaño o peso de miofibra

Por lo que demuestra

La activación de mTOR es necesaria para el esqueleto Hipertrofia muscular.

Mostraron hipertrofia de mioblastos cultivados en respuesta a un factor de crecimiento similar a la insulina (IGF -1) para depender de una ruta PI3K / Akt / mTOR

Usaron un modelo de sobrecarga funcional de la rata plantar

Los ratones transgénicos que sobreexpresan Akt constitutivamente activo

Mostraron un aumento en la masa muscular debido a un aumento en el tamaño de la fibra muscular

mostraron que

la vía de señalización Akt / objetivo mamífero de la rapamicina (mTOR) se activa durante la hipertrofia

Ras / proteína activada por mitógeno Quinasa
El ejercicio de alta intensidad y la electroestimulación activan la vía Ras/mitógeno-proteína quinasa activada (MAPK).

La activación de la vía PI3K / proteína quinasa B (Akt) por Ras

Induce

El crecimiento muscular pero no altera la distribución del tipo de fibra, lo que corrobora los estudios realizados con sobreexpresión.

La introducción de Ras exógena activada por MAPK en las fibras musculares regeneradoras denervadas.

Indujo

La expresión de la cadena pesada de la miosina tipo I, pero no afectó el tamaño de la miofibra.

Estudios mostraron que

Las vías dependientes de Ras afectan tanto al tamaño de la fibra como al tipo de fibra.

La ruta Ras / MAPK realiza un cambio en un gen de la cadena pesada de la miosina inducido por las neuronas motoras lentas en la regeneración muscular.

Peroxisome Proliferator-Activated Delta del receptor y Peroxisoma-Proliferador-Activado Receptor Gamma Coactivator-1 alfa
PPAR se asocian con PGC-1

Es posible que la inducción con ejercicio de PGC-1α pueda activar el PPAR delta e inducir la remodelación de miofibras.

El receptor del proliferador activado por peroxisoma (PPAR) delta

Es un importante regulador transcripcional de la quema de grasa en el tejido adiposo

a través de

la activación de enzimas asociadas con la β-oxidación de ácidos grasos de cadena larga y es la isoforma PPAR predominante presente en el músculo esquelético.

Hallazgos

indican

PGC-1α es un factor principal que modula el tipo de fibra muscular

efecto

de la activación de múltiples vías de señalización evocadas durante la remodelación del músculo esquelético.

realizados en

Roedores

Humanos

muestran que

El ejercicio de resistencia induce la expresión de mRNA y PGC-1α de PGC-1α.

La sobreexpresión de PGC-1α en el músculo esquelético

en ratones transgénicos

también mostraron

Aumento en las proteínas involucradas en la oxidación metabólica

mas importante, mostraron

Aumento en el rendimiento muscular y una disminución en la fatiga muscular.

produjo

Aumento de las fibras de tipo I en los músculos vasto blanco y plantar

El coactivador transcripcional peroxisoma-proliferador-receptor activado gamma coactivador-1 (PGC-1α)

El PGC-1α

expresado en grasa parda y músculo esquelético, se enriquece preferentemente en miofibras tipo I

se considera

Regulador de la expresión del gen mitocondrial y se activa la biogénesis mitocondrial y el metabolismo oxidativo

La capacidad oxidativa mejorada y la eficiencia metabólica del músculo esquelético

se observan después del

Entrenamiento físico

se debe a

Un aumento en el contenido mitocondrial que resulta de los cambios en la expresión de los genes que aumentan la biogénesis mitocondrial.

Calcio / Calmodulin-Dependent Proteína quinasa, proteína quinasa C, y PKCmu / Protein kinasa D
Translocación del núcleo al citoplasma en respuesta a una estimulación eléctrica de tipo fibra lenta en miofibras aisladas.

además

CaMKII es sensible a la frecuencia de las oscilaciones de calcio

se activa durante el crecimiento hipertrófico y las adaptaciones de resistencia

Los estudios in vitro

demostraron que

la señalización por la proteína quinasa dependiente de calcio / calmodulina (CaMK) da como resultado la fosforilación de HDAC de clase II

Las HDAC de clase II (HDAC4, HDAC5, HDAC7 y HDAC9)

el músculo esquelético y se unen directamente a MEF2

reprimiendo la expresión de los genes dependientes de MEF2

se demostró

que la unión de HDAC de clase II a MEF2 está mediada por 18 aminoácidos

conservados en

las extensiones amino-terminales de HDAC de clase II, un dominio que carece de HDAC de clase I

Calcineurina / Factor Nuclear De Células T Activadas
La calcineurina

proteína fosfatasa heterodimérica

compuesta

subunidad A catalítica de calmodulina y una subunidad B reguladora de la unión al calcio

se activa mediantes

ondas de calcio sostenidas a baja amplitud y un sensor de actividad contráctil al detectar fluctuaciones de calcio

permiten

que el calcio se una a la calmodulina

Factor potenciador de miocitos-2 y Histona desacetilasas
Estudios

mostraron

varios estímulos

activación de la proteína quinasa activada por AMP (AMPK)

estrés osmótico

peróxido de hidrógeno

dieron como resultado

la activación de la unión del ADN MEF2D.

adición de insulina

MEF2

es un factor de transcripción enriquecido muscular que se une a una secuencia de ADN rica en A / T

Hay cuatro genes MEF2 de vertebrados MEF2A, -B, -C y -D

MEF2C se expresa más tarde en el programa de diferenciación

La proteína MEF2A aparece a medida que las células entran en la vía de diferenciación

se expresan

durante la embriogénesis y en tejidos adultos

PROPIEDADES DE MIOFIBRAS

Adaptabilidad de miofibras
La capacidad del músculo esquelético para remodelar y cambiar fenotípicamente

La estimulación neuronal reprograma la expresión génica en la miofibra mediante el uso de calcio como un segundo mensajero.

El canal de calcio operado por voltaje o el canal de calcio tipo L (receptor de dihidropiridina) en los túbulos T interactúa con un músculo esquelético sarcoplásmico específico.

El canal de liberación de calcio del retículo o el receptor de rianodina (RyR1)

Esta interacción hace que

RyR1 abra y libere calcio del retículo sarcoplásmico

Otros estudios se basan

En la estimulación eléctrica para modificar la actividad neural suministrada a un músculo de reinervación cruzada al mostrar cambios en las isoformas de miosina

Estudios establecieron que

Los patrones de impulsos específicos producidos por las neuronas motoras

Ejercen

Una influencia fenótipica en los músculos que inervan y que las miofibras sin capaces de remodelar.

Por lo que se puede demostrar mediante experimentos de inervación cruzada.

Que consiste en que

El músculo de contracción lenta (sóleo) es reinervado con fibras nerviosas que son suminstradas al músculo de contracción rápida (flexor digitorum longus)

Contrario a este mecanismo está

La inervación del músculo de contracción rápida con fibras nerviosas que se encuentran normalmente en el músculo sóleo.

Provoca

Una contracción más lenta

Esto produce

Aumento de la velocidad contráctil.

Diversidad de miofibras
Histológicamente el músculo esquelético parece uniforme, está compuesto de miofibras que son heterogéneas

La sobreexpresión de la calcineurina activada en los mioblastos

modula

expresión de los genes de miofibras activando un subconjunto de genes

asociados con

miofibras de tipo I

El ejercicio físico induce cambios en el musculo esquelético al transformar las miofibras en un aumento en el metabolismo oxidativo.

También, induce a transiciones del tipo de fibras

tipo IIb → tipo IId / x → tipo IIa → tipo I

con respecto al:

función contráctil

metabolismo

tamaño

La base de la expresión de la isoforma de la cadena pesada de la miosina específica.

Se detectan diferentes subtipos de miofibras durante la vida embrionaria.

Y se estació

El patrón de tipos de fibra dentro de los grupos musculares principales después del nacimiento.

Las miofibras se clasifican en:

Tipo IIb

Tipo IIb/x

Glicolíticos

Tipo IIa

Denominadas como:

Miofibras de interruptor rápido

Ejercen contracciones rápidas y fatiga rápidamente.

Tipo I

Metabolismo oxidativo

denominadas como:

Fibras de contracción lenta

Ejercen una contracción lenta debido a la actividad de ATPasa asociada con la miosina tipo I.

Las miofibras de interruptor lento son ricas en mitocondrias

Tienen una alta resistencia a la fatiga

Tienen una baja velocidad de acortamiento

Exhiben un metabolismo oxidativo

Tienen más capilares que rodean cada fibra

Las miofibras glicolíticas de contracción rápida (tipo IIb)

Se utilizan para estallidos de contracción y se caracterizan por transitorios de calcio de gran amplitud y niveles de calcio ambientales más bajos (menos de 50nM)

Las miofibras oxidativas de contracción lenta (tipo I)

Participan en eventos contráctiles tónicos sostenidos y mantienen las concentraciones de calcio intracelular en niveles altos (100-300nM)

Estas propiedades de las fibras musculares esqueléticas dependen del patrón de estimulación de los nervios motores

de modo que

La actividad de las neuronas motoras a baja frecuencia (10–20 Hz) promueve el fenotipo de fibra lenta.

mientras que

La activación de las neuronas motoras fásicas a alta frecuencia (100–150 Hz) produce fibras rápidas.

Las fibras oxidatias lentas son necesarias para el mantenimiento de la postura de las tareas que implican resistencia.

Mientras que

Las fibras glucolíticas rápidas son necesarias para los movimientos que involucran fuerza y velocidad.