La máquina muscular: cómo el agua controla la velocidad de contracción muscular.

Casi todos los animales utilizan músculos para moverse y se sabe desde hace mucho tiempo que los músculos, como todas las demás células, están compuestos en un 70% por agua. Pero los investigadores no saben qué establece el rango y los límites superiores del rendimiento muscular. Investigaciones anteriores sobre cómo funciona el músculo se centraron únicamente en cómo funciona a nivel molecular y no en cómo se forman las fibras musculares, que son tridimensionales y están llenas de líquido.

El físico de la UM Suraj Shankar trabajó con L. Mahadevan, profesor de física en la Universidad de Harvard, para crear un modelo teórico del papel del agua en la contracción muscular y descubrió que determina cómo se mueve el líquido a través de la fibra muscular y qué tan rápido puede hacerlo una fibra muscular. contrato.

También descubrieron que el músculo exhibe un nuevo tipo de elasticidad llamada elasticidad excéntrica que le permite generar fuerza usando deformaciones tridimensionales, una observación común que muestra que cuando una fibra muscular A se contrae en longitud, también se levanta.

El marco se puede utilizar para describir muchas otras células y tejidos, que en su mayoría son agua, y se puede aplicar a los movimientos extremadamente rápidos de los microorganismos unicelulares, afirman los investigadores. ¿Y cómo se pueden controlar? Sus hallazgos también pueden influir en el diseño de actuadores blandos (un tipo de material que convierte la energía en movimiento), músculos artificiales rápidos y materiales deformables, todos los cuales tienen una contracción muy lenta porque se activan externamente. Sus hallazgos se publican en la revista. Física de la Naturaleza.

“Nuestros resultados sugieren que preguntas tan básicas como qué tan rápido se puede contraer un músculo o de cuántas maneras un músculo puede generar fuerza pueden tener respuestas nuevas e inesperadas cuando solo se utiliza una visión compleja y jerárquica más integrada y holística del músculo como un sistema organizado. material”, dijo Shankar. “Los músculos son más que la suma de sus partes.”

Los investigadores imaginan cada fibra muscular como una esponja funcional que se autoexprime, un material esponjoso lleno de agua que puede contraerse y exprimirse mediante la acción de motores moleculares, dice.

“Las fibras musculares están compuestas de muchos componentes, como varias proteínas, núcleos celulares, orgánulos como las mitocondrias y motores moleculares como la miosina que convierten el combustible químico en movimiento y promueven la contracción muscular”, dijo Shankar. “Todos estos componentes forman una red porosa que está bañada en agua. Por lo tanto, una descripción apropiada y de grano grueso para el músculo es la de una esponja funcional”.

Pero se necesita tiempo para mover el agua durante el proceso de compresión, por lo que los investigadores sospechan que este movimiento del agua a través de la fibra muscular establece un límite superior a la velocidad con la que se puede contraer la fibra muscular.

Para probar su teoría, modelaron el movimiento muscular en una variedad de organismos, incluidos mamíferos, insectos, aves, peces y reptiles, centrándose en animales que usan músculos para movimientos muy rápidos. Descubrieron que los músculos que producen sonido, como el cascabel de la cola de una serpiente, que puede contraerse de decenas a cientos de veces por segundo, normalmente no dependen del flujo de fluido. En cambio, estas contracciones están controladas por el sistema nervioso y están determinadas más fuertemente por las propiedades moleculares, o el tiempo que tardan los motores moleculares dentro de las células en unirse y generar fuerzas.

Pero en organismos pequeños, como los insectos voladores que baten sus alas entre unos cientos y miles de veces por segundo, estas contracciones son demasiado rápidas para que las neuronas las controlen directamente. El flujo de fluido es más importante aquí.

“En estos casos, descubrimos que el flujo de fluido dentro de la fibra muscular es fundamental y nuestro enfoque hidráulico activo tiene el potencial de limitar la tasa más rápida de contracción”, dijo Shankar. “Algunos insectos como los mosquitos parecen estar cerca de nuestro rango teóricamente predicho, pero se necesitan pruebas experimentales directas para probar y desafiar nuestras predicciones”.

Los investigadores también descubrieron que cuando las fibras musculares actúan como una esponja activa, este proceso también hace que el músculo actúe como un motor elástico activo. Cuando algo es elástico, como una banda elástica, almacena energía mientras intenta resistir la deformación. Imagínese sosteniendo una banda elástica entre dos dedos y tirando de ella hacia atrás. Cuando sueltas la banda elástica, la banda también libera la energía almacenada mientras se estiraba. En este caso, la energía se conserva, una ley fundamental de la física que dicta que la cantidad de energía dentro de un sistema cerrado debe permanecer igual a lo largo del tiempo.

Pero cuando los músculos convierten el combustible químico en trabajo mecánico, pueden producir energía como un motor, violando la ley de conservación de la energía. En este caso, el músculo exhibe una nueva propiedad llamada “elasticidad peculiar”, donde su respuesta no es recíproca cuando es golpeado de una dirección a otra. A diferencia de una banda elástica, cuando un músculo se contrae y se relaja a lo largo de su longitud, también se endereza y su energía no permanece igual. Esto permite que las fibras musculares se comporten como un motor suave para generar fuerza a través de esfuerzos repetitivos.

“Estos hallazgos son contrarios al pensamiento predominante, que se centra en los detalles moleculares e ignora el hecho de que los músculos son largos y fibrosos, están hidratados y actúan en múltiples escalas”, dijo Shankar. “En conjunto, nuestros hallazgos proporcionan una visión revisada de cómo la función muscular es esencial para comprender su fisiología. También es importante para comprender los orígenes, el alcance y las limitaciones de diversas formas de locomoción animal”.