22.2 Mecanismo da contração muscular

Figura 22.4 Organização das moléculas de troponina (Tn), tropomiosina e actina no filamento fino. As subunidades da troponina, TnC, TnT e TnI dispõem-se sobre as duas α-hélices da tropomiosina, que cobrem 7 monômeros de actina. TnT é uma molécula assimétrica: a extremidade filamentosa sobrepõe-se à tropomiosina e a esférica interage com TnC e TnI; TnI liga-se também à actina. Adaptada de Gordon et al., 2000.

22.1.3 Proteínas sarcoméricas acessórias

Além das principais proteínas componentes dos filamentos grossos e finos descritas, estão presentes no sarcômero muitas outras proteínas que asseguram a organização estrutural dos filamentos contráteis. Cada uma das duas estruturas transversais, os discos Z e M, é formada por diversas proteínas organizadas em complexos multiproteicos. O disco Z ancora os filamentos finos de sarcômeros adjacentes e o disco M, os filamentos grossos no centro dos sarcômeros. Os discos Z e M são conectados por filamentos longitudinais, que se prendem também aos filamentos grossos, formados por titina, uma proteína gigante, com cerca de 30.000 aminoácidos; sua molécula elástica funcionaria como uma mola, garantindo a integridade do sarcômero durante o ciclo de contração/relaxamento. Existem ainda filamentos proteicos externos ao sarcômero, que ligam os

discos Z e M ao sarcolema (Figura 22.1).

22.2 Mecanismo da contração muscular

A contração de músculos esqueléticos ocorre por encurtamento do sarcômero (em até 65%), como resultado do deslizamento dos filamentos finos entre os grossos; não há mudança no comprimento dos próprios filamentos.

A movimentação dos filamentos dá-se à custa da hidrólise de ATP, catalisada pelas cabeças da miosina (S1). Em experimentos in vitro, demonstrou-se que miosina, ou mesmo S1, em solução é capaz de hidrolisar ATP, mas ADP e Pi são excluídos do sítio ativo muito lentamente. A adição de actina estimula de 100 a 200 vezes a atividade ATPásica da miosina (actin deriva de activate), por aumentar a velocidade da liberação dos produtos, a etapa limitante da reação.

Para que as proteínas motoras produzam movimento, a hidrólise de ATP deve estar acoplada a mudanças de conformação. O mecanismo de transdução da energia química em energia mecânica pelas proteínas musculares é explicado pela hipótese do “braço-alavanca” (lever arm), que postula ser a rotação angular desta estrutura de S1, o componente mecânico primário da geração de força e movimento. De acordo com este modelo, a interação das cabeças da miosina com a actina, o estabelecimento das pontes cruzadas, ocorreria pela sequência de etapas esquematizadas na

Figura 22.5. Na etapa 1, o ATP liga-se ao complexo actina⋅miosina, a actomiosina (AM), formando actomiosina⋅ATP (AM⋅ATP), que se separa rapidamente (etapa 2) em actina (A) e miosina⋅ATP (M⋅ATP). Na etapa 3, o ATP é prontamente hidrolisado na cabeça da miosina, resultando M⋅ADP⋅P i. A dissociação de AM⋅ATP em A e M⋅ATP é tão rápida, que a hidrólise ocorre na miosina dissociada. Segue-se a reassociação, todavia por meio de ligações fracas, de actina e M ⋅ADP⋅Pi, formando A–M⋅ADP⋅Pi (etapa 4). Este conjunto sofre isomerização, convertendo-se em um complexo fortemente ligado, AM*⋅ADP⋅Pi (etapa 5), apto a liberar os

produtos; esta é a principal etapa controlada por íons Ca2+ (Seção 22.3). A liberação de P desencadeia a rotação do lever arm e a produção de força i

para a contração (etapa 6). A liberação de ADP (etapa 7) produz AM, que pode ligar-se a ATP, reiniciando o processo.

Figura 22.5 Etapas de interação entre actina (A) e miosina (M) e de geração de força para a contração, propostas pela hipótese do lever arm (“braço-alavanca”) para o mecanismo da conversão de energia química em mecânica. Na etapa 6, de liberação de P i, a energia é utilizada para mudar a posição do lever arm, que desloca a actina. A etapa 5 é estimulada por íons Ca2+. As etapas estão detalhadas no texto.

A hidrólise de ATP é muito rápida e o passo limitante da formação das pontes cruzadas é a liberação dos produtos — a dissociação de P do sistema i AM*•ADP ⋅Pi é acompanhada por grande queda de energia livre e corresponde à fase de geração de trabalho mecânico.

O lever arm atuaria como um amplificador de mudanças estruturais discretas de S1 e a velocidade de deslizamento dos filamentos deveria depender de seu tamanho; de fato, demonstrou-se que a extensão do deslocamento sofrido pelo filamento de actina por ciclo de contração é uma função direta do comprimento do lever arm. Uma representação simplificada da movimentação do lever arm, deslocando a actina, está

mostrada na Figura 22.6. O lever arm muda de orientação em relação ao domínio catalítico e à cauda da miosina, enquanto a posição do domínio catalítico não muda significativamente.

Em resumo, o complexo actomiosina é desfeito por ATP e a propulsão mecânica depende da liberação de fosfato dos produtos, após a etapa de hidrólise de ATP: o lever arm sofre uma grande rotação angular e a miosina desloca o filamento de actina.

Como a miosina está fortemente ligada à actina somente durante o período de produção de movimento, as cabeças de miosina não podem mover-se ao longo da actina: cada uma delas repete o ciclo descrito muitas vezes durante um único evento de contração. A contração muscular consiste, portanto, em fixação e desligamento sucessivos das cabeças de miosina à actina, um fazer e desfazer de pontes cruzadas, à custa da energia de hidrólise de ATP.

O mecanismo que permite o acoplamento do ciclo da ATPase da miosina com a ligação da actina e o movimento do lever arm permanece inconcluso.

Figura 22.6 Modelo do deslocamento dos filamentos de actina e miosina de músculos esqueléticos. Uma molécula de miosina ancora-se ao filamento grosso (mostrado em cinza no limite superior do Quadro 1) pela cauda e uma de suas duas cabeças (S1) está próxima do filamento de actina (em cinza-claro, na parte inferior dos quadros). As duas cabeças da miosina atuam independentemente, unindo-se à actina uma por vez. O domínio catalítico de S1 está indicado em azul e o mecânico (lever arm), em amarelo ou vermelho, dependendo do estado em que se encontra. Cada

quadro é equiparado com uma etapa da Figura 22.5. Quadro 1: O domínio mecânico está no estado pré-movimento (amarelo) e o domínio catalítico, contendo ADP e Pi, liga-se fracamente à actina (Etapa 4). Quadro 2: S1 liga-se fortemente ao sítio de ligação (verde) na actina, ficando apto a mover-se (Etapa 5). Quadro 3: A associação apropriada com a actina causa a liberação de Pi do sítio ativo de S1 (Etapa 6); o lever arm (em vermelho) dá uma guinada, deslocando o filamento de actina (seta vermelha) por cerca de 100 Å. Quadro 4: Completado o movimento, o ADP dissocia-se (Etapa 7) e o ATP liga-se ao sítio ativo (Etapa 1). Adaptada de Vale RD, Milligan RA: The way things move: looking under the hood of molecular motor proteins. Science 288 (5463): 88-95, 2000.