Músculo esquelético

Vistas frontal y posterior de los principales músculos esqueléticos del cuerpo humano.

Vista frontal de los principales músculos esqueléticos.

Vista posterior de los principales músculos esqueléticos

Hay más de 600 músculos esqueléticos en el cuerpo humano, que constituyen alrededor del 40% del peso corporal en adultos jóvenes sanos. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} En las poblaciones occidentales, los hombres tienen en promedio alrededor del 61% más de músculo esquelético que las mujeres. ^{[ 21 ]} La mayoría de los músculos se presentan en pares ubicados bilateralmente para servir a ambos lados del cuerpo. Los músculos a menudo se clasifican como grupos de músculos que trabajan juntos para realizar una acción. En el torso hay varios grupos musculares principales, incluidos los músculos pectorales y abdominales ; los músculos intrínsecos y extrínsecos son subdivisiones de grupos musculares en la mano , el pie , la lengua y los músculos extraoculares del ojo . Los músculos también se agrupan en compartimentos , incluidos cuatro grupos en el brazo y cuatro grupos en la pierna .

Además de la parte contráctil de un músculo, compuesta por sus fibras, un músculo contiene una parte no contráctil de tejido conectivo fibroso denso que forma el tendón en cada extremo. Los tendones unen los músculos a los huesos para permitir el movimiento esquelético. La longitud de un músculo incluye los tendones. El tejido conectivo está presente en todos los músculos como fascia profunda . La fascia profunda se especializa dentro de los músculos para envolver cada fibra muscular como endomisio ; cada fascículo muscular como perimisio , y cada músculo individual como epimisio . En conjunto, estas capas se denominan misia . La fascia profunda también separa los grupos de músculos en compartimentos musculares.

En los músculos se encuentran dos tipos de receptores sensoriales : los husos musculares y los órganos tendinosos de Golgi . Los husos musculares son receptores de estiramiento ubicados en el vientre muscular. Los órganos tendinosos de Golgi son propioceptores situados en la unión miotendinosa que informan sobre la tensión muscular .

Las células del músculo esquelético, también llamadas fibras musculares , son las células contráctiles individuales dentro de un músculo. ^{[ 2 ]} Un solo músculo, como el bíceps en un hombre joven adulto, contiene alrededor de 253 000 fibras musculares. ^{[ 22 ]}

Las fibras musculares esqueléticas son multinucleadas , y los núcleos se denominan a menudo mionúcleos . Esto ocurre durante la miogénesis con la fusión de mioblastos, cada uno de los cuales aporta un núcleo. ^{[ 23 ]} La fusión depende de proteínas específicas del músculo conocidas como fusógenos, denominadas miomaker y miomerger . ^{[ 24 ]}

La célula del músculo esquelético necesita muchos núcleos para producir grandes cantidades de proteínas y enzimas necesarias para su funcionamiento normal. Una sola fibra muscular puede contener desde cientos hasta miles de núcleos. ^{[ 25 ]} Por ejemplo, una fibra muscular del bíceps humano con una longitud de 10  cm puede tener hasta 3000 núcleos. ^{[ 25 ]} A diferencia de las células no musculares, donde el núcleo se encuentra en posición central, el mionúcleo es alargado y se localiza cerca del sarcolema (membrana). Los mionúcleos se distribuyen de forma bastante uniforme a lo largo de la fibra, y cada núcleo posee su propio dominio mionuclear, donde es responsable de sostener el volumen de citoplasma en esa sección particular de la miofibra. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Un grupo de células madre musculares conocidas como células miosatélite , también llamadas células satélite, se encuentran entre la membrana basal y el sarcolema de las fibras musculares. Estas células normalmente están en reposo, pero pueden activarse por el ejercicio o la patología para proporcionar mionúcleos adicionales para el crecimiento o la reparación muscular. ^{[ 26 ]} Otros progenitores de células no miogénicas (mononucleares) están presentes en el espacio intersticial como progenitores fibroadipogénicos (FAP) que pueden diferenciarse en fibroblastos , osteoblastos y adipocitos . ^{[ 27 ]} Los FAP se distinguen de las MSC por la falta de expresión de PAX7 . ^{[ 28 ]} Los núcleos presentes en el músculo esquelético son aproximadamente 50% núcleos de miocitos y 50% núcleos de células mononucleares. ^{[ 13 ] [ 15 ] [ 29 ]}

Los tipos de células mononucleares incluyen células endoteliales capilares (45%), progenitores fibroadipogénicos (FAP) (20%), ^{[ 30 ]} pericitos (14%) y pericitos similares a endoteliales (4%). Otro 9% de las células mononucleares son células madre musculares , adyacentes a las células de las fibras musculares. Células B y células T ) (3%) y macrófagos (2%). ^{[ 31 ]} Cada tipo de célula expresa diferentes conjuntos de genes. En una biopsia de músculo esquelético del muslo humano, hay entre 13.026 y 13.108 genes con expresión detectada. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

Los músculos se unen a los tendones en una región de interfaz compleja conocida como unión musculotendinosa , también llamada unión miotendinosa , un área especializada para la transmisión primaria de fuerza. ^{[ 34 ]} En la interfaz músculo-tendón, la fuerza se transmite desde los sarcómeros de las células musculares al tendón. ^{[ 5 ]} Los músculos y los tendones se desarrollan en estrecha asociación, y después de unirse en la unión miotendinosa constituyen una unidad dinámica para la transmisión de fuerza desde la contracción muscular al sistema esquelético. ^{[ 34 ]}

La arquitectura muscular se refiere a la disposición de las fibras musculares en relación con el eje de generación de fuerza , que va desde el origen del músculo hasta su inserción . Las disposiciones habituales son los tipos de músculos paralelos y peniformes . En los músculos paralelos, los fascículos discurren paralelos al eje de generación de fuerza, pero pueden variar en su relación entre sí y con sus tendones. ^{[ 35 ]} Estas variaciones se observan en los músculos fusiformes , en cinta y convergentes . ^{[ 4 ]} Un músculo convergente tiene forma triangular o de abanico, ya que las fibras convergen en su inserción y se extienden ampliamente en el origen. ^{[ 35 ]} Un ejemplo menos común de músculo paralelo es un músculo circular como el orbicular del ojo , en el que las fibras están dispuestas longitudinalmente, pero forman un círculo desde el origen hasta la inserción. ^{[ 36 ]} Estas diferentes arquitecturas pueden causar variaciones en la tensión que un músculo puede crear entre sus tendones.

Las fibras en los músculos pennados se extienden en ángulo con respecto al eje de generación de fuerza. ^{[ 36 ]} Este ángulo de penación reduce la fuerza efectiva de cualquier fibra individual, ya que efectivamente tira fuera del eje. Sin embargo, debido a este ángulo, se pueden empaquetar más fibras en el mismo volumen muscular, aumentando el área de sección transversal fisiológica (PCSA). Este efecto se conoce como empaquetamiento de fibras y, en términos de generación de fuerza, supera con creces la pérdida de eficiencia de la orientación fuera del eje. La compensación se presenta en la velocidad general de acortamiento muscular y en la excursión total. La velocidad general de acortamiento muscular se reduce en comparación con la velocidad de acortamiento de las fibras, al igual que la distancia total de acortamiento. ^{[ 36 ]} Todos estos efectos escalan con el ángulo de penación; ángulos mayores conducen a una mayor fuerza debido al aumento del empaquetamiento de fibras y del PCSA, pero con mayores pérdidas en la velocidad de acortamiento y la excursión. Los tipos de músculo pennado son unipennado , bipennado y multipennado . Un músculo unipennado tiene fibras con un ángulo similar que se encuentran a un lado de un tendón. Un músculo bipenniforme tiene fibras a ambos lados de un tendón. Los músculos multipenniformes tienen fibras orientadas en múltiples ángulos a lo largo del eje generador de fuerza, y esta es la arquitectura más general y común. ^{[ 36 ]}

Las fibras musculares crecen al ejercitarse y se contraen cuando no se usan. Esto se debe a que el ejercicio estimula el aumento de miofibrillas , lo que incrementa el tamaño general de las células musculares. Los músculos bien ejercitados no solo aumentan de tamaño, sino que también desarrollan más mitocondrias , mioglobina , glucógeno y una mayor densidad de capilares . Sin embargo, las células musculares no pueden dividirse para producir nuevas células, por lo que un adulto tiene menos células musculares que un recién nacido. ^{[ 37 ]}

Existen diversos términos que se utilizan para nombrar los músculos, incluidos aquellos relacionados con el tamaño, la forma, la acción, la ubicación, su orientación y el número de cabezas musculares.

Por tamaño

brevis significa corto; longus significa largo; longissimus significa el más largo; magnus significa grande; major significa más grande; maximus significa el más grande; minor significa más pequeño, y minimus el más pequeño; latissimus significa el más ancho, y vastus significa enorme. ^{[ 38 ]} Estos términos se usan a menudo después del músculo en particular, como glúteo mayor y glúteo menor . ^{[ 39 ]}

Por forma relativa

deltoides significa triangular; cuadrado significa que tiene cuatro lados; romboides significa que tiene forma romboidal ; redondo significa redondo o cilíndrico, y trapecio significa que tiene forma trapezoidal ; ^{[ 39 ]} serrado significa dentado; orbicular significa circular; pectinado significa en forma de peine; piriforme significa en forma de pera; plano significa plano y grácil significa delgado. ^{[ 38 ]} Ejemplos son el pronador redondo y el pronador cuadrado .

Mediante la acción

abductor que se aleja de la línea media; aductor que se acerca a la línea media; depresor que se mueve hacia abajo; elevador que se mueve hacia arriba; flexor que disminuye un ángulo; extensor que aumenta un ángulo o endereza; pronador que se mueve hacia abajo ; supinador que se mueve hacia arriba ; ^{[ 39 ]} rotador interno que gira hacia el cuerpo; rotador externo que gira alejándose del cuerpo; esfínter que disminuye el tamaño y tensor que da tensión; los músculos fijadores sirven para fijar una articulación en una posición determinada estabilizando el motor principal mientras otras articulaciones se mueven.

Por número de cabezas

bíceps dos; tríceps tres y cuádriceps cuatro. ^{[ 39 ]}

Por ubicación

nombrado en honor a la estructura principal cercana, como el músculo temporal (temporalis) cerca del hueso temporal . ^{[ 38 ]} También supra- arriba; infra- abajo, y sub- debajo. ^{[ 19 ]}

Por orientación de fascículos

En relación con la línea media, recto significa paralelo a la línea media; transverso significa perpendicular a la línea media, y oblicuo significa diagonal a la línea media. ^{[ 38 ]} En relación con el eje de generación de fuerza: tipos de músculos paralelos y tipos de músculos peniformes .

Tradicionalmente, las fibras musculares se clasificaban según su color, que refleja su contenido de mioglobina .  Las fibras de tipo I son rojas debido a su alto contenido de mioglobina. Estas fibras suelen tener más mitocondrias y una mayor densidad capilar local. Son más adecuadas para la resistencia y se fatigan lentamente, ya que utilizan el metabolismo oxidativo para generar ATP ( adenosín trifosfato ). Las fibras de tipo II, menos oxidativas,  son blancas debido a su bajo contenido de mioglobina y a su dependencia de las enzimas glucolíticas.

Las fibras también se pueden clasificar según su capacidad de contracción, en rápidas y lentas. Estas características se superponen en gran medida, aunque no completamente, con las clasificaciones basadas en el color, la ATPasa o la MHC ( cadena pesada de miosina ).

Algunos autores definen una fibra de contracción rápida como aquella en la que la miosina puede hidrolizar el ATP muy rápidamente. Estas incluyen principalmente las fibras ATPasa tipo  II y MHC tipo  II. Sin embargo, las fibras de contracción rápida también demuestran una mayor capacidad para la transmisión electroquímica de potenciales de acción y un rápido nivel de liberación y captación de calcio por el retículo sarcoplásmico . Las fibras de contracción rápida dependen de un sistema glucolítico anaeróbico , a corto plazo y bien desarrollado para la transferencia de energía y pueden contraerse y generar tensión a una velocidad 2-3  veces mayor que las fibras de contracción lenta. Los músculos de contracción rápida son mucho mejores para generar ráfagas cortas de fuerza o velocidad que los músculos lentos, por lo que se fatigan más rápidamente. ^{[ 43 ]}

Las fibras de contracción lenta generan energía para la resíntesis de ATP mediante un sistema de transferencia de energía aeróbica  a largo plazo. Estas incluyen principalmente las fibras ATPasa tipo I y MHC tipo  I. Suelen tener un bajo nivel de actividad de ATPasa, una velocidad de contracción más lenta y una capacidad glucolítica menos desarrollada. ^{[ 43 ]} Las fibras que se convierten en de contracción lenta desarrollan un mayor número de mitocondrias y capilares, lo que las hace más adecuadas para el trabajo prolongado. ^{[ 44 ]}

Existen numerosos métodos empleados para la tipificación de fibras, y es común la confusión entre ellos entre personas no expertas. Dos métodos que suelen confundirse son la tinción histoquímica para la actividad de la ATPasa de miosina y la tinción inmunohistoquímica para el tipo de cadena pesada de miosina (MHC). La actividad de la ATPasa de miosina se denomina comúnmente —y correctamente— simplemente "tipo de fibra" y resulta del ensayo directo de la actividad de la ATPasa en diversas condiciones (p. ej., pH ). ^{[ 41 ]} La tinción de la cadena pesada de miosina se denomina con mayor precisión "tipo de fibra MHC", p. ej., "fibras MHC IIa", y resulta de la determinación de diferentes isoformas de MHC . ^{[ 41 ]} Estos métodos están estrechamente relacionados fisiológicamente, ya que el tipo de MHC es el determinante principal de la actividad de la ATPasa. Sin embargo, ninguno de estos métodos de tipificación es directamente metabólico; no abordan directamente la capacidad oxidativa o glucolítica de la fibra.

Cuando se hace referencia genéricamente a las fibras de "tipo  I" o "tipo II", esto se refiere con mayor precisión a la suma de los tipos numéricos de fibras (I frente a II) según lo evaluado mediante la tinción de la actividad de la ATPasa de miosina (por ejemplo, las fibras de "tipo II" se refieren al tipo IIA + tipo IIAX + tipo IIXA... etc.).     

A continuación se muestra una tabla que ilustra la relación entre estos dos métodos, limitada a los tipos de fibra que se encuentran en humanos. Se utiliza la capitalización de subtipos en la tipificación de fibras frente a la tipificación de MHC, y algunos tipos de ATPasa contienen en realidad múltiples tipos de MHC. Además, un subtipo  B o b no se expresa en humanos por ninguno de los dos métodos . ^{[ 48 ]} Los primeros investigadores creían que los humanos expresaban un MHC  IIb, lo que llevó a la clasificación de ATPasa de IIB. Sin embargo, investigaciones posteriores demostraron que el MHC  IIb humano era en realidad IIx, ^{[ 48 ]} lo que indica que el IIB se denomina mejor IIX. El IIb se expresa en otros mamíferos, por lo que todavía se observa con precisión (junto con el IIB) en la literatura. Los tipos de fibra no humanos incluyen fibras IIb verdaderas, IIc, IId, etc.

Otros métodos de tipificación de fibras están menos formalmente definidos y existen en un espectro más amplio. Tienden a centrarse más en las capacidades metabólicas y funcionales (es decir, oxidativa frente a glucolítica , tiempo de contracción rápido frente a lento). Como se indicó anteriormente, la tipificación de fibras por ATPasa o MHC no mide ni determina directamente estos parámetros. Sin embargo, muchos de los diversos métodos están vinculados mecánicamente, mientras que otros están correlacionados in vivo . ^{[ 51 ] [ 52 ]} Por ejemplo, el tipo de fibra ATPasa está relacionado con la velocidad de contracción, porque una alta actividad de ATPasa permite un ciclo de puentes cruzados más rápido . ^{[ 41 ]} Si bien la actividad de ATPasa es solo un componente de la velocidad de contracción,  las fibras de tipo I son "lentas", en parte, porque tienen velocidades bajas de actividad de ATPasa en comparación con  las fibras de tipo II. Sin embargo, medir la velocidad de contracción no es lo mismo que la tipificación de fibras ATPasa.

Además de tener una base genética, la composición de los tipos de fibras musculares es flexible y puede variar según diversos factores ambientales. Esta plasticidad podría considerarse la mayor ventaja evolutiva entre los organismos con músculo.

En los peces, los distintos tipos de fibras se expresan a diferentes temperaturas del agua. ^{[ 61 ]} Las temperaturas frías requieren un metabolismo más eficiente dentro del músculo y la resistencia a la fatiga es importante. Mientras que en entornos más tropicales, los movimientos rápidos y potentes (debido a una mayor proporción de fibras de contracción rápida) pueden resultar más beneficiosos a largo plazo. ^{[ 63 ]}

En roedores como las ratas, la naturaleza transitoria de su músculo es muy frecuente. Tienen un alto porcentaje de fibras musculares híbridas y hasta un 60 % de músculo que se transforma de rápido a lento. ^{[ 56 ]}

Las influencias ambientales, como la dieta, el ejercicio y los estilos de vida, desempeñan un papel fundamental en la proporción de los tipos de fibra muscular en los seres humanos. El ejercicio aeróbico desplazará la proporción hacia las fibras de contracción lenta, mientras que el levantamiento de pesas explosivo y el sprint harán que las fibras se inclinen hacia las de contracción rápida. ^{[ 54 ]} En los animales, el "entrenamiento físico" se asemejará más a la necesidad de movimientos prolongados o movimientos explosivos cortos para escapar de los depredadores o capturar presas. ^{[ 64 ]}

La contracción se logra mediante la unidad estructural del músculo, la fibra muscular, y su unidad funcional, la unidad motora . ^{[ 4 ]} Las fibras musculares son células excitables estimuladas por neuronas motoras . La unidad motora consta de una neurona motora y las numerosas fibras con las que establece contacto. Un solo músculo es estimulado por muchas unidades motoras. Las fibras musculares están sujetas a despolarización por el neurotransmisor acetilcolina , liberado por las neuronas motoras en las uniones neuromusculares . ^{[ 74 ]}

Además de los miofilamentos de actina y miosina en las miofibrillas que componen los sarcómeros contráctiles , existen otras dos proteínas reguladoras importantes: la troponina y la tropomiosina , que hacen posible la contracción muscular. Estas proteínas se asocian a la actina y cooperan para evitar su interacción con la miosina. Una vez que una célula es suficientemente estimulada, el retículo sarcoplásmico de la célula libera calcio iónico (Ca²⁺ ^{) , que luego interactúa con la proteína reguladora troponina. La troponina unida al calcio experimenta un cambio conformacional que conduce al movimiento de la tropomiosina, exponiendo posteriormente los sitios de unión de la miosina en la actina. Esto permite el} ciclo de puentes cruzados dependiente de ATP de la miosina y la actina y el acortamiento del músculo ^{[ 75 ]} .

La actividad muscular representa gran parte del consumo energético del cuerpo . Todas las células musculares producen moléculas de adenosín trifosfato (ATP) que se utilizan para impulsar el movimiento de las cabezas de miosina . Los músculos tienen una reserva de energía a corto plazo en forma de fosfato de creatina , que se genera a partir de ATP y puede regenerar ATP cuando sea necesario con la creatina quinasa . Los músculos también mantienen una forma de almacenamiento de glucosa en forma de glucógeno . El glucógeno puede convertirse rápidamente en glucosa cuando se requiere energía para contracciones sostenidas y potentes. Dentro de los músculos esqueléticos voluntarios, la molécula de glucosa puede metabolizarse anaeróbicamente en un proceso llamado glucólisis, que produce dos moléculas de ATP y dos de ácido láctico en el proceso (en condiciones aeróbicas, no se forma lactato; en su lugar, se forma piruvato y se transmite a través del ciclo del ácido cítrico ). Las células musculares también contienen glóbulos de grasa, que se utilizan como fuente de energía durante el ejercicio aeróbico . Los sistemas energéticos aeróbicos tardan más en producir ATP y alcanzar su máxima eficiencia, y requieren muchos más pasos bioquímicos, pero producen significativamente más ATP que la glucólisis anaeróbica. El músculo cardíaco, por otro lado, puede consumir fácilmente cualquiera de los tres macronutrientes (proteínas, glucosa y grasas) de forma aeróbica sin un periodo de calentamiento previo, y siempre extrae el máximo rendimiento de ATP de cualquier molécula involucrada. El corazón, el hígado y los glóbulos rojos también consumen el ácido láctico producido y excretado por los músculos esqueléticos durante el ejercicio.

El músculo esquelético utiliza más calorías que otros órganos. ^{[ 81 ]} En reposo consume 54,4 kJ/kg  (13,0  kcal/kg) al día. Esto es mayor que el tejido adiposo (grasa), que consume 18,8  kJ/kg (4,5  kcal/kg), y que el hueso, que consume 9,6  kJ/kg (2,3  kcal/kg). ^{[ 82 ]}

La fuerza muscular es el resultado de tres factores que se superponen: la fuerza fisiológica (tamaño del músculo, área de sección transversal, puentes cruzados disponibles, respuestas al entrenamiento), la fuerza neurológica (cuán fuerte o débil es la señal que le indica al músculo que se contraiga) y la fuerza mecánica (ángulo de fuerza del músculo sobre la palanca, longitud del brazo de palanca, capacidades articulares).

El músculo de los vertebrados produce típicamente aproximadamente 25–33 N (5,6–7,4 lb _f ) de fuerza por centímetro cuadrado de área de sección transversal muscular cuando es isométrico y a longitud óptima. ^{[ 83 ]} Algunos músculos de invertebrados , como en las pinzas de cangrejo, tienen sarcómeros mucho más largos que los vertebrados, lo que resulta en muchos más sitios para que la actina y la miosina se unan y por lo tanto una fuerza mucho mayor por centímetro cuadrado a costa de una velocidad mucho más lenta. La fuerza generada por una contracción puede medirse de manera no invasiva usando ya sea mecanomiografía o fonomiografía , puede medirse in vivo usando la tensión del tendón (si hay un tendón prominente presente), o puede medirse directamente usando métodos más invasivos.  

La fuerza de cualquier músculo, en términos de la fuerza que ejerce sobre el esqueleto, depende de su longitud, velocidad de acortamiento , área de sección transversal, penación , longitud del sarcómero , isoformas de miosina y activación neural de las unidades motoras . Las reducciones significativas en la fuerza muscular pueden indicar una patología subyacente; la tabla de la derecha sirve como guía.

El tiempo máximo que un músculo puede mantener contraído depende de su suministro de energía y, según la ley de Rohmert, disminuye exponencialmente desde el comienzo del esfuerzo.

Dado que la fuerza muscular se ve afectada simultáneamente por tres factores y los músculos nunca trabajan de forma individual, no se puede afirmar que un solo músculo sea el más fuerte. Existen varios músculos con una fuerza notable.

• Se afirma que el masetero , un músculo de la mandíbula _, es el más fuerte; el Libro Guinness de los Récords de 1992 registró una fuerza de mordida de 4337 N (975 lbf ) durante 2 segundos. Lo que distingue al masetero es su ventaja al trabajar contra un brazo de palanca mucho más corto que otros músculos.  
• La fuerza muscular se refiere a la fuerza que ejerce el propio músculo, por ejemplo, en su inserción en un hueso. Por lo tanto, los músculos más fuertes son aquellos con la mayor área de sección transversal. Esto se debe a que la tensión ejercida por una fibra muscular esquelética individual no varía mucho. Cada fibra puede ejercer una fuerza del orden de 0,3 micronewtons. Según esta definición, el músculo más fuerte del cuerpo podría ser el cuádriceps femoral o el glúteo mayor .
• Dado que la fuerza muscular está determinada por el área de sección transversal, un músculo más corto será más fuerte en proporción a su peso que un músculo más largo con la misma área de sección transversal. La capa miometrial del útero podría ser el músculo más fuerte en proporción a su peso en el cuerpo femenino. Al nacer , el útero pesa aproximadamente 1,1  kg (40  oz). Durante el parto, el útero ejerce una fuerza descendente de 100 a 400 N (25 a 100  lbf) con cada contracción.
• Los músculos externos del ojo son notablemente grandes y fuertes en relación con el pequeño tamaño y peso del globo ocular , y a veces se afirma que son 100 veces más fuertes de lo necesario. Los movimientos oculares (en particular las sacadas utilizadas para explorar rostros y leer) requieren movimientos de alta velocidad, y los músculos oculares se ejercitan cada noche durante la fase REM del sueño .
• A veces se afirma que la lengua es el músculo más fuerte del cuerpo, pero falta una definición y la lengua consta de ocho músculos, no de uno solo.

El fenotipo del tipo de fibra muscular esquelética en animales adultos está regulado por varias vías de señalización independientes. Estas incluyen vías involucradas con la vía Ras /proteína quinasa activada por mitógeno ( MAPK ), calcineurina, proteína quinasa IV dependiente de calcio/calmodulina y el coactivador 1 del proliferador de peroxisomas γ (PGC-1). La vía de señalización Ras/MAPK conecta las neuronas motoras y los sistemas de señalización, acoplando la excitación y la regulación de la transcripción para promover la inducción dependiente de nervios del programa lento en el músculo en regeneración. La calcineurina , una fosfatasa activada por Ca2 ⁺ / calmodulina implicada en la especificación del tipo de fibra dependiente de la actividad nerviosa en el músculo esquelético, controla directamente el estado de fosforilación del factor de transcripción NFAT , permitiendo su translocación al núcleo y conduciendo a la activación de proteínas musculares de tipo lento en cooperación con las proteínas del factor potenciador de miocitos 2 ( MEF2 ) y otras proteínas reguladoras. La actividad de la proteína quinasa dependiente de Ca2+/calmodulina también se ve aumentada por la actividad de las neuronas motoras lentas, posiblemente porque amplifica las respuestas generadas por la calcineurina de tipo lento al promover las funciones del transactivador MEF2 y mejorar la capacidad oxidativa a través de la estimulación de la biogénesis mitocondrial .

Los cambios en el calcio intracelular o las especies reactivas de oxígeno inducidos por la contracción proporcionan señales a diversas vías que incluyen las MAPK, la calcineurina y la proteína quinasa IV dependiente de calcio/calmodulina para activar factores de transcripción que regulan la expresión génica y la actividad enzimática en el músculo esquelético.

PGC1-α ( PPARGC1A ), un coactivador transcripcional de receptores nucleares importantes para la regulación de varios genes mitocondriales implicados en el metabolismo oxidativo, interactúa directamente con MEF2 para activar sinérgicamente genes selectivos de fibras musculares de contracción lenta (ST) y también sirve como diana para la señalización de la calcineurina. Una vía transcripcional mediada por el receptor δ activado por proliferadores de peroxisomas ( PPARδ ) participa en la regulación del fenotipo de la fibra muscular esquelética. Los ratones que presentan una forma activada de PPARδ muestran un fenotipo de "resistencia", con un aumento coordinado de las enzimas oxidativas y la biogénesis mitocondrial , y una mayor proporción de fibras ST. Así, mediante la genómica funcional, la calcineurina, la cinasa dependiente de calmodulina, PGC-1α y el PPARδ activado forman la base de una red de señalización que controla la transformación del tipo de fibra muscular esquelética y los perfiles metabólicos que protegen contra la resistencia a la insulina y la obesidad.

La transición del metabolismo aeróbico al anaeróbico durante el ejercicio intenso requiere la rápida activación de varios sistemas para asegurar un suministro constante de ATP a los músculos activos. Estos sistemas incluyen el cambio de combustibles basados ​​en grasas a carbohidratos, la redistribución del flujo sanguíneo desde los músculos inactivos a los ejercitados y la eliminación de varios subproductos del metabolismo anaeróbico, como el dióxido de carbono y el ácido láctico. Algunas de estas respuestas están reguladas por el control transcripcional del fenotipo glucolítico de contracción rápida (FT). Por ejemplo, la reprogramación del músculo esquelético de un fenotipo glucolítico de contracción rápida (ST) a uno de contracción rápida (FT) implica al complejo Six1/Eya1, compuesto por miembros de la familia de proteínas Six. Además, el factor inducible por hipoxia 1-α ( HIF1A ) se ha identificado como un regulador clave de la expresión de genes implicados en respuestas hipóxicas esenciales que mantienen los niveles de ATP en las células. La ablación de HIF-1α en el músculo esquelético se asoció con un aumento en la actividad de las enzimas limitantes de la velocidad de las mitocondrias, lo que indica que el ciclo del ácido cítrico y el aumento de la oxidación de ácidos grasos podrían estar compensando la disminución del flujo a través de la vía glucolítica en estos animales. Sin embargo, las respuestas de HIF-1α mediadas por hipoxia también están vinculadas a la regulación de la disfunción mitocondrial mediante la formación de especies reactivas de oxígeno excesivas en las mitocondrias.

Otras vías también influyen en las características del músculo adulto. Por ejemplo, la fuerza física dentro de una fibra muscular puede liberar el factor de transcripción factor de respuesta al suero de la proteína estructural titina, lo que provoca una alteración en el crecimiento muscular.

Las enfermedades del músculo esquelético se denominan miopatías , mientras que las enfermedades de los nervios se denominan neuropatías . Ambas pueden afectar la función muscular o causar dolor muscular, y se engloban dentro de las enfermedades neuromusculares . La causa de muchas miopatías se atribuye a mutaciones en las diversas proteínas musculares asociadas. ^{[ 5 ] [ 97 ]} Algunas miopatías inflamatorias incluyen la polimiositis y la miositis por cuerpos de inclusión.

Las enfermedades neuromusculares afectan a los músculos y su control nervioso. En general, los problemas con el control nervioso pueden causar espasticidad o parálisis , según la ubicación y la naturaleza del problema. Diversos trastornos del movimiento son causados ​​por trastornos neurológicos como la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Huntington, en las que existe una disfunción del sistema nervioso central. ^{[ 98 ]}

Los síntomas de las enfermedades musculares pueden incluir debilidad , espasticidad, mioclonías y mialgia . Los procedimientos diagnósticos que pueden revelar trastornos musculares incluyen la medición de los niveles de creatina quinasa en sangre y la electromiografía (que mide la actividad eléctrica de los músculos). En algunos casos, se puede realizar una biopsia muscular para identificar una miopatía , así como pruebas genéticas para identificar anomalías del ADN asociadas con miopatías y distrofias específicas .

Se está experimentando con una técnica de elastografía no invasiva que mide el ruido muscular para proporcionar un método de monitorización de enfermedades neuromusculares. El sonido producido por un músculo proviene del acortamiento de los filamentos de actomiosina a lo largo del eje del músculo. Durante la contracción , el músculo se acorta longitudinalmente y se expande transversalmente, produciendo vibraciones en la superficie. ^{[ 99 ]}

Independientemente de la fuerza y ​​las medidas de rendimiento, el crecimiento muscular puede ser inducido por diversos factores, como la señalización hormonal, factores del desarrollo, el entrenamiento de fuerza y ​​enfermedades. Contrariamente a la creencia popular, el número de fibras musculares no puede incrementarse mediante el ejercicio . En cambio, los músculos crecen gracias a una combinación del crecimiento de las células musculares, a medida que se añaden nuevos filamentos proteicos, junto con la masa adicional proporcionada por las células satélite indiferenciadas que se suman a las células musculares existentes. ^{[ 100 ]}

Factores biológicos como la edad y los niveles hormonales pueden afectar la hipertrofia muscular. Durante la pubertad en los varones, la hipertrofia se acelera a medida que aumentan los niveles de hormonas estimulantes del crecimiento producidas por el cuerpo. La hipertrofia natural normalmente se detiene al alcanzar el crecimiento completo al final de la adolescencia. Dado que la testosterona es una de las principales hormonas de crecimiento del cuerpo, en promedio, a los hombres les resulta mucho más fácil lograr la hipertrofia que a las mujeres. Tomar testosterona adicional u otros esteroides anabólicos aumentará la hipertrofia muscular.

Los factores musculares, espinales y nerviosos influyen en el desarrollo muscular. A veces, una persona puede notar un aumento de fuerza en un músculo determinado aunque solo haya ejercitado el músculo opuesto, como cuando una culturista descubre que su bíceps izquierdo se fortalece tras completar un programa de entrenamiento centrado únicamente en el bíceps derecho. Este fenómeno se denomina educación cruzada .

Cada día, entre el uno y el dos por ciento del músculo se degrada y se regenera. La inactividad , la desnutrición , las enfermedades y el envejecimiento pueden aumentar la degradación, lo que conduce a la atrofia muscular o sarcopenia . La sarcopenia es un proceso comúnmente relacionado con la edad que puede causar fragilidad y sus consecuencias. ^{[ 101 ]} Una disminución de la masa muscular puede ir acompañada de una menor cantidad y tamaño de las células musculares, así como de un menor contenido de proteína miofibrilar. ^{[ 102 ]}

Se sabe que los vuelos espaciales tripulados , que implican períodos prolongados de inmovilización y falta de gravedad, provocan debilitamiento y atrofia muscular, lo que resulta en una pérdida de hasta el 30 % de la masa muscular en algunos casos. ^{[ 103 ] [ 104 ]} Estas consecuencias también se observan en algunos mamíferos tras la hibernación . ^{[ 105 ]}

Muchas enfermedades y afecciones, como el cáncer , el SIDA y la insuficiencia cardíaca , pueden causar pérdida muscular conocida como caquexia . ^{[ 106 ]}

Un estudio examinó biopsias del músculo esquelético del muslo (músculo vasto lateral) de ocho varones caucásicos de 23 años, originalmente sedentarios. Se tomaron biopsias antes y después de un programa de entrenamiento de resistencia de seis semanas de duración. El ejercicio consistió en montar en bicicleta estática durante una hora, cinco días a la semana durante seis semanas. ^{[ 33 ]}

De los 13.108 genes con expresión detectada en las biopsias musculares, 641 genes se regularon positivamente después del entrenamiento de resistencia y 176 genes se regularon negativamente. De los 817 genes alterados totales, 531 fueron identificados como pertenecientes al secretoma por UniProt o ExoCarta , o por estudios que investigan el secretoma de las células musculares. Dado que muchos de los genes regulados por el ejercicio se identifican como secretados, esto indica que gran parte del efecto del ejercicio tiene una función endocrina más que metabólica. ^{[ 33 ]} Las principales vías encontradas afectadas por las proteínas secretadas reguladas por el ejercicio estaban relacionadas con las funciones cardíaca , cognitiva , renal y plaquetaria .

La expresión génica en el músculo está regulada en gran medida, como en los tejidos en general, por secuencias de ADN reguladoras , especialmente potenciadores . Los potenciadores son secuencias no codificantes en el genoma que activan la expresión de genes diana distantes, ^{[ 114 ]} al rodear e interactuar con los promotores de sus genes diana ^{[ 115 ]} (véase la figura "Regulación de la transcripción en mamíferos"). Como informaron Williams et al., ^{[ 33 ]} la distancia promedio en el bucle entre los potenciadores conectados y los promotores de los genes es de 239 000 bases de nucleótidos.

El entrenamiento muscular de resistencia altera la expresión génica muscular mediante la metilación o desmetilación epigenética del ADN de los sitios CpG dentro de los potenciadores. ^{[ 116 ]}

En un estudio de Lindholm et al., ^{[ 116 ]} veintitrés individuos de aproximadamente 27 años y sedentarios se ofrecieron como voluntarios para realizar entrenamiento de resistencia en una sola pierna durante 3 meses. La otra pierna se utilizó como pierna de control no entrenada. El entrenamiento consistió en ejercicios de extensión de rodilla con una sola pierna durante 3 meses (45 min, 4 sesiones por semana). Se tomaron biopsias de músculo esquelético del vasto lateral (un músculo del muslo) antes de comenzar el entrenamiento y 24 horas después de la última sesión de entrenamiento de cada pierna. La pierna entrenada en resistencia, en comparación con la pierna no entrenada, presentó cambios significativos en la metilación del ADN en 4919 sitios a lo largo del genoma. Los sitios de metilación del ADN alterada se encontraban predominantemente en potenciadores . El análisis transcripcional, mediante secuenciación de ARN , identificó 4076 genes expresados ​​diferencialmente.

Los genes con expresión aumentada se asociaron con potenciadores que presentaban una disminución significativa de la metilación del ADN , mientras que los genes con expresión disminuida se asociaron con potenciadores que presentaban una mayor metilación del ADN. El aumento de la metilación se asoció principalmente con genes implicados en la remodelación estructural del músculo y el metabolismo de la glucosa. Los potenciadores con menor metilación se asociaron con genes que intervienen en procesos inflamatorios o inmunológicos y en la regulación transcripcional.