La contrazione muscolare è un processo fondamentale per il movimento e la sopravvivenza. Questo meccanismo complesso si basa sull'interazione di diverse proteine, tra cui l'actina e la miosina, che agiscono a livello del sarcomero, l'unità funzionale della fibra muscolare.
Struttura della Fibra Muscolare
Quando si parla di fibra muscolare, in realtà ci si riferisce alla cellula muscolare. La membrana cellulare è chiamata sarcolemma, mentre il citoplasma è noto come sarcoplasma. Una caratteristica distintiva del tessuto muscolare è la presenza di cellule multinucleate, con i nuclei situati alla periferia per lasciare spazio alle fibre contrattili interne.
Ogni fibra muscolare contiene organelli specializzati per la contrazione, tra cui:
- Mitocondri: per la produzione di energia.
- Mioglobina: affine all'O2, facilita il trasporto di ossigeno.
- Miofibrille: strutture bastoncellari contenenti l'apparato contrattile.
- Reticolo sarcoplasmatico: una forma elaborata del reticolo endoplasmatico liscio che circonda le miofibrille e termina nelle cisterne terminali, accumulando ioni calcio (Ca++).
- Tuboli T: invaginazioni del sarcolemma che trasportano segnali elettrochimici all'interno della cellula.
Il complesso formato dal reticolo sarcoplasmatico e dai tuboli T attiva i muscoli scheletrici quando stimolati dai motoneuroni, garantendo velocità e efficienza nel processo di contrazione.
Il Sarcomero: Unità Funzionale della Contrazione
La struttura contrattile molecolare della fibra muscolare è il sarcomero, caratterizzato da bande alternate chiare e scure che riflettono la disposizione di actina e miosina.
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- Linee Z: delimitano i confini del sarcomero e ancorano i filamenti di actina.
- Linea M: al centro del sarcomero, funge da ancoraggio per i miofilamenti spessi di miosina.
- Banda A: corrisponde alla lunghezza della miosina e rappresenta la zona scura dove actina e miosina si sovrappongono.
- Zona H: all'interno della banda A, contiene solo miosina senza sovrapposizione di actina, apparendo come una zona chiara.
Actina: Il Filamento Sottile
L'actina è una proteina globulare (G-actina) che, polimerizzando, forma lunghi filamenti (F-actina). Due di questi filamenti si avvolgono a elica per formare il filamento sottile. Ogni molecola di G-actina contiene un sito di legame per la testa della miosina, che in condizioni di riposo è bloccato da due proteine regolatrici: la troponina e la tropomiosina.
L'actina, che costituisce i filamenti sottili del sarcomero, è una proteina globulare, di forma simile ad una sfera (G-actina). Molte di queste molecole si associano tra loro per comporre lunghi e sottili granuli (detti F-actina). Due di queste catene si avvolgono eleicodalmente l'una sull'altra, come due collane di perle, dando origine al filamento sottile. Ogni molecola di G-actina contiene un sito di legame per la testa della miosina, che, in condizioni di riposo, si trova di fatto bloccato da due proteine.
La troponina è formata da tre proteine globulari che si legano a tre strutture diverse, una per l’actina, una per la tropomiosina e una per il Ca++ (questo legame con il calcio sarà quello che darà il via alla contrazione).
I filamenti di a. sono costituiti da fasci paralleli, detti fibre di stress, visibili al microscopio ottico, che si estendono per tutta la lunghezza della cellula e convergono in diversi punti focali. Un’estremità delle fibre di stress è ancorata alla membrana plasmatica in un punto chiamato adesione focale, l’altra è legata a filamenti del citoscheletro o a un altro sito di adesione focale.
Miosina: Il Filamento Spesso
La miosina è una proteina più complessa, formata da due subunità attorcigliate, ciascuna con una coda e una testa globulare. Le teste della miosina, note anche come ponti trasversali, contengono siti di legame per l'ATP e l'actina.
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La miosina è formata invece da dei filamenti, due sub-unità attorcigliate fra loro dotate ciascuna di una coda e una testa (come due mazze da golf attorcigliate). Le due teste globulari sono disposte speculari su due direzioni opposte. Le teste della miosina, dette anche ponti trasversali, contengono i siti di legame per l’ATP e l’actina. All’interno della cellula sarà presente l’enzima ATP-asi per la demolizione dell’ATP.
All'interno dei filamenti spessi, le varie isoforme della miosina si organizzano in modo tale da esporre le loro teste all'estremità, mentre le code si raggruppano, a mo di fascio, nella regione centrale. Due catene proteiche leggere sono associate alle catene pesanti di ogni testa. La porzione globulare viene anche definita meromiosina pesante, mentre quella terminale è nota come meromiosina leggera.
Fondamentale risulta anche la presenza nella testa della miosina di una tasca deputata al legame con l'ATP, nonché di un enzima (ATPasi) in grado di scinderla in ADP e fosfato inorganico, liberando energia.
Il Meccanismo della Contrazione Muscolare
Il meccanismo della contrazione muscolare si basa sullo scorrimento dei filamenti di actina sulla miosina, determinando l'accorciamento del sarcomero e, di conseguenza, del muscolo. Questo processo è regolato dal calcio e dall'ATP.
Quando arriva lo stimolo alla testa della miosina il gruppo P (fosfato) si libera dalla miosina, si genera energia e si crea il “colpo di forza”, cioè la remata. Questo colpo di forza è quindi l’evento in cui la testa della miosina si sposta verso l’interno del sarcomero.
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Ci sarà una variazione delle dimensioni di alcune bande. Le bande H e I diventano più piccole, mentre la banda A rimane invariata e le linee Z nel complesso si avvicinano. Tutto questo si basa su un modello fisiologico basato sullo “scorrimento dei miofilamenti” (quindi l’accorciamento non è dovuto alla loro modificazione strutturale).
- Arrivo del Calcio: Un impulso nervoso provoca il rilascio di calcio dal reticolo sarcoplasmatico.
- Legame del Calcio: Il calcio si lega alla troponina, causando uno spostamento della tropomiosina e scoprendo i siti di legame sull'actina.
- Formazione dei Ponti Trasversali: Le teste della miosina si legano all'actina, formando ponti trasversali.
- Colpo di Forza: L'ATP viene idrolizzato, fornendo l'energia per il "colpo di forza", durante il quale la testa della miosina si piega, trascinando il filamento di actina verso il centro del sarcomero.
- Distacco e Nuovo Legame: L'ADP viene rilasciato e una nuova molecola di ATP si lega alla miosina, causando il distacco dalla actina. La miosina si riattiva e può formare un nuovo ponte trasversale.
Questo ciclo si ripete finché il calcio rimane disponibile e l'ATP è presente.
Regolazione della Contrazione: Ruolo di Troponina e Tropomiosina
Oltre ad actina e miosina, entrambe proteine fibrose, ci sono altre due molecole che intervengono nel processo di accorciamento del sarcomero. Una, la troponina, è un complesso proteico formato da tre subunità, indicate con le lettere I,C e T. la subunità I interagisce con l’actina bloccando i siti di legame per i ponti trasversali, mentre la T lega la tropomiosina.
La tropomiosina ha una struttura molto diversa in quanto è composta da due subunità ad alfa elica che avvolgono i miofilamenti sottili. Unita alla troponina forma un complesso che a seconda della presenza o assenza di ioni calcio (Ca2+) può bloccare o liberare i siti dove si formeranno i ponti trasversali. Se questi non sono presenti mantiene il muscolo rilassato.
Quando il calcio proveniente dal reticolo sarcoplasmatico raggiunge le miofibrille si lega alla subunità C della troponina. Questo provoca un cambio di conformazione nel complesso proteico che fa scorrere la tropomiosina e scopre i siti di legame fra actina e miosina. In questo modo le teste dei miofilamenti spessi si attaccano alle molecole di actina di quelli sottili.
Una volta che la contrazione termina gli ioni Ca2+ rientrano nel reticolo sarcoplasmatico e la subunità C della troponina torna alla sua conformazione iniziale. La tropomiosina scorre all’indietro e i siti di interazione per i ponti trasversali vengono nuovamente bloccati. A questo punto un nuovo stimolo può essere trasmesso.
Il Ruolo del Calcio e il Potenziale d'Azione
Tutto il meccanismo parte dall’impulso contrattile proveniente dalla corteccia motoria del cervello che si propaga lungo i motoneuroni α. In questo modo lungo l’assone l’impulso giunge fino alla fessura sinaptica del muscolo e provoca il rilascio dell’acetilcolina. Questa si lega ai recettori presenti sulla placca motrice del sarcolemma i quali aprono i canali ionici del sodio (Na+).
Il passaggio degli ioni genera un potenziale d’azione che viaggia lungo i tubuli T e attiva il rilascio del calcio da parte dei canali della rianodina(RyR). Una volta che giunge ai miofilamenti di actina e miosina avviene la contrazione muscolare, finché gli ioni calcio non ritornano dove si trovavano prima Questo avviene grazie alla pompa Ca2+-ATPasi del reticolo sarcoplasmatico (SERCA).
Si tratta di una proteina transmembrana composta da due subunità con struttura ad alfa elica. Opera un trasporto attivo sfruttando l’energia dell’adenosintrifosfato: per ogni molecola di ATP convertita in ADP la pompa trasferisce due ioni calcio attraverso la membrana, compensando il gradiente con gli ioni idrogeno. La Ca2+-ATPasi assume due conformazioni: una per legare il calcio e una per rilasciarlo.
A livello del reticolo sarcoplasmatico la concentrazione del calcio è pari a 1o mM mentre all’interno del sarcoplasma è molto inferiore (1 µM).
Fasi del Ciclo di Contrazione-Rilassamento
Le fasi del ciclo di contrazione-rilassamento a livello dei sarcomeri si svolge in 4 fasi, subito dopo che il calcio è arrivato ai siti di legame fra actina e miosina. A questo punto l’ATP può legarsi alle teste della miosina, un legame prima impossibile. Una volta che avviene questo primo passaggio entra in gioco l’enzima miosina-ATPasi che idrolizza l’ATP in ADP e fosfato inorganico (Pi).
A questo punto si formano i ponti trasversali e il Pi viene rilasciato in modo che la testa della miosina possa assumere una forma ad angolo. Così disposta è in grado di tirare i miofilamenti sottili verso il centro del sarcomero e determina il suo accorciamento. Questa è la contrazione vera e propria e rappresenta la terza fase del ciclo.
L’ultimo passaggio vede il distacco dell’ADP rimasto sulle teste della miosina durante la fase precedente.