Estructura molecular i funció dels músculs vius

Consultable des del TDXTítol obtingut de la portada digitalitzadaEl múscul és un fabulós motor orgànic que a nivell molecular és capaç de convertir energia química, provinent essencialment del menjar, en força mecànica. Al seu estudi s'hi han dedicat grans esforços des de molts camps d'investigació, l'objectiu últim dels quals és trobar la resposta a la pregunta 'd'or': Com fa força i provoca moviment el múscul? Aquesta tesi resol precisament un aspecte essencial de la pregunta: l'orientació dels caps de miosina en diferents estats musculars. Aquests caps són les proteïnes que enllacen els dos elements actius de la contracció: els filaments prims i gruixuts. El punt clau que permet respondre és el fet que el múscul presenta una estructura altament periòdica, on es pot fins i tot definir una cel·la quasicristal·logràfica. Aquesta periodicitat el fa un candidat per ser estudiat amb noves tècniques de difracció basades en la llum de sincrotró. En conseqüència, i malgrat que tractem amb mostres purament biològiques, aquesta tesi pot ser considerada com un treball clàssic de difracció de mètodes directes, l'esquema brevíssim del qual és com segueix. La mostra és el teixit muscular, que s'obté per dissecció; la tècnica experimental és la difracció de raigs X; de l'anàlisi s'extreuen unes fases i uns mòduls que generen un mapa de densitat electrònica en una dimensió; finalment, el mapa és modelat mitjançant l'orientació de l'estructura cristal·logràfica de les unitats que el componen, de manera que en trobem l'orientació en músculs vius. La metodologia anterior se segueix en dos estats musculars bàsics: en descans (múscul relaxat) i en contracció isomètrica (múscul fent força sense moviment). La tesi, doncs, està estructurada en 11 capítols que desenvolupen tot el treball que permet arribar a les conclusions finals. Els dos primers capítols estan dedicats a introduir l'estructura i fisiologia del múscul, i la teoria de difracció aplicada a la simetria que presenta, respectivament. El capítol 3 exposa el muntatge experimental i els protocols seguits en cada estat muscular estudiat, mentre que el capítol 4 presenta els resultats experimentals. En el capítol 5 s'extreu la fase del factor d'estructura mitjançant l'ajustament de diverses aproximacions teòriques a les dades en contracció isomètrica. En el capítol 6 es realitza el mateix ajustament en l'estat de descans. El mòdul del factor d'estructura en els dos estats és extret al capítol 7. Amb les dades anteriors, als capítols 8 i 9 s'extreu l'orientació dels caps de miosina en contracció isomètrica i en descans, respectivament. Al capítol 10 s'exposen breument els experiments posteriors realitzats en estats no isomètrics, és a dir, estats en què el múscul experimenta un canvi de longitud, així com el treball que ha de continuar la línia d'investigació d'aquesta tesi. Finalment, al capítol 11 s'extreuen les conclusions del treball en tots els estats musculars estudiats. Finalment, convé puntualitzar que aquest ha estat realitzat en el marc del consorci del Laboratori de Llum de Sincrotró. Això explica l'especial esment d'aquesta font de raigs X, amb la inclusió de dos annexos que n'exposen les característiques, producció i usos. Així, aquesta tesi no solament pretén tenir rellevància pel contingut original que presenta, sinó que, a més, vol servir d'exemple dels nombrosos usos de la llum de sincrotró, i animar a l'utilització d'aquesta per part dels diferents equips d'investigació d'arreu del país.The muscle is a fabulous organic machine able to convert, at a molecular level, chemical energy coming mainly from food into mechanical force. Many efforts have been dedicated from many fields of knowledge with the single objective of finding the answer to the golden question: How can muscle produce force and movement? This thesis answers an essential aspect of the question: how the myosin heads are oriented in different muscular states. These heads are proteins that act as bridges between the two active elements of muscular contraction: the thin and thick filaments. The key point to find the answer this is the periodicity of muscle, high enough to be able to define a quasicrystallograpic structure. This periodicity allows the muscle to be studied by new diffraction techniques using synchrotron light. As a consequence, even when we are dealing with purely biological samples, this thesis can be regarded as a classic diffraction work using direct methods. The brief summary is as follows. The sample is the muscular tissue, obtained by dissection. The experimental technique is the X ray diffraction; from data analysis we extract phases and moduli from the structure factor of myosin heads. These generate an electronic density map in one dimension, which is further modelled by orientating the crystallographic structure of the myosin heads. This methodology is followed in two basic muscular states: at rest (no contraction performed) and isometric contraction (muscle making force without motion). Following this schema, the thesis is structured in 11 chapters. The first two introduce the muscle structure and physiology, as well as the diffraction theory of helical structures. Chapter 3 exposes the experimental setup and protocols followed in the different muscular states, whereas chapter 4 presents the experimental results. In chapter 5 we extract the phase of the structure factor by fitting the experimental meridional intensity with several theoretical approximations with the muscle in isometric contraction. Same work is done in chapter 6 with the rest state. The moduli of the structure factor in both states are extracted in chapter 7. Using the obtained data, in chapters 8 and 9 we finally extract the orientation of myosin heads in isometric contraction and rest, respectively. In chapter 10 we briefly expose the following experiments, done in non-isometric states, when muscle changes the length, as well as the future work to be done after this thesis. Finally, in chapter 11 we list the conclusions for every studied muscular state. As a final point, we should remark that this work has been done in the Laboratori de Llum de Sincrotró. This explains why 2 more appendixes have been included exposing the characteristics, production and use of synchrotron sources. In fact, this thesis not only pretends to extend the knowledge of muscle, but also to be an example of the many uses of synchrotron light. We hope to contribute to expand the knowledge and use of this powerful tool among the national research groups