Quando si parla di fibra muscolare, in realtà si parla di cellula muscolare. I muscoli sono connessi alle ossa o in maniera diretta o tramite i tendini. La membrana si chiama sarcolemma, il citoplasma → sarcoplasma etc.
La caratteristica del tessuto muscolare è la presenza di cellule multinucleate; i nuclei si trovano alla periferira della cellula perché l’interno è occupato dalle fibre contrattili. Ogni fibra contiene degli organelli la cui funzione è la contrazione.
Primi fra tutti abbiamo i mitocondri, per la produzione di energia; poi la mioglobina, affine all’O2 più che l’emoglobina (infatti le sottrae l’ossigeno). Le miofibrille, di forma bastoncellare, contengono al loro interno l’apparato contrattile vero e proprio.
Un’altra struttura fondamentale è il reticolo sarcoplasmatico, esso è una forma elaborata del reticolo plasmatico liscio, che circondano ogni miofibrilla e terminano nelle cisterne terminali. Poi abbiamo i tuboli T, invaginazioni della membrana all’interno della cellula. Il reticolo contiene elevate concentrazioni di Ca++, fondamentale per la contrazione. I tubuli T (o trasversi) sono fatti di sarcolemma, la loro funzione è quella di portare dei segnali elettrochimici in prossimità delle parti più profonde della cellula muscolare.
Il complesso formato da reticolo sarcoplasmatico e tubuli T ha la funzione di attivare i muscoli scheletrici, quando questi sono stimolati dal motoneurone. Questo processo avviene con la massima velocità e il minimo dispendio di energia.
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Il Sarcomero: Unità Funzionale della Contrazione
La struttura contrattile molecolare della fibra muscolare è il Sarcomero, la cui struttura è formata da bande alternate di zone chiare e scure che determinano la posizione topografica di actina e miosina. Le linee Z delimitano i confini del sarcomero. A livello di queste linee avviene l’ancoraggio dei filamenti sottili di actina. La linea M, a metà del sarcomero, funge da ancoraggio per i miofilamenti spessi di Miosina.
La banda A è lunga quanto la miosina, e rappresenta la zona scura dove actina e miosina si sovrappongono. La zona H, oltre a contenere la banda A, contiene anche la banda H, che si trova al centro di quest’ultima e che contiene solo miosina senza la sovrapposizione di actina, rappresentando quindi, la zona chiara.
Struttura Molecolare di Actina e Miosina
L’actina è formata da tanti piccoli monomeri di Actina G (G sta per globulare), immaginata come una collana di perle: il filo è l’actina F, le perle sono l’actina G. Un miofilamento di actina è formato da due filamenti di actina F avvolti a doppia elica. L'attivazione dei monomeri dell'actina G è strettamente correlata al legame con l'ATP e l'assemblaggio è regolato da diverse 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). Lungo il filamento di actina ogni 40 nm è presente un complesso proteico di tre subunità legato alla tropomiosina chiamato troponina.
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.
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Meccanismo della Contrazione Muscolare
Il meccanismo della contrazione muscolare si basa sullo scorrimento delle fibre di actina sulla miosina, determinando macroscopicamente l’accorciamento del muscolo, e quindi il movimento. 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).
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.
Il sarcomero si contrae, riducendo la sua lunghezza, grazie ad un cambiamento conformazionale delle teste della miosina che si ripiegano all'indietro, verso la parte fibrosa della macromolecola, e in questo modo tirano verso il disco M il filamento di actina. Questo cambiamento conformazionale si associa al rilascio di ADP a al legame con ATP. Con l'idrolisi dell'ATP la testa della miosina si libera dal legame con l'actina e scatta in avanti, nella sua posizione di riposo, prendendo contatto con un nuovo monomero di actina, in posizione piu' avanzata del precedente e il ciclo si ripete.
Si riferisce a quel fenomeno che associa l’eccitazione di una fibra muscolare alla sua automatica contrazione.
Il Ruolo dell'ATP
La contrazione muscolare richiede ATP; infatti la miosina e' una ATPasi. La cellula muscolare contiene una riserva di fosfato ad alta energia, che puo' essere trasformato anaerobicamente in ATP.
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Nei primi 6 secondi utilizziamo tutta la prima fonte. La fosfocreatina invece serve a formare ATP all’interno della cellula, poiché libera un gruppo P per darlo all’ADP, che diventa ATP. Questa fornisce energia per circa 20 sec.
La creatina puo' andare incontro alla ciclizzazione spontanea, trasformandosi in creatinina con la formazione di un legame amidico tra il gruppo carbossilico e il gruppo aminico.
Actina: Componente Fondamentale del Microfilamento
Proteina globulare che costituisce i microfilamenti delle cellule e i filamenti sottili delle cellule muscolari, dove insieme alla miosina è responsabile della contrazione muscolare. I microfilamenti, di circa 6 nm di diametro, rappresentano la componente principale del citoplasma della maggior parte delle cellule eucariotiche.
L’a. del muscolo (α-a.) e quella delle cellule non muscolari (β-a. e γ-a.) sono il prodotto di geni diversi; variazioni, anche minime, nella sequenza amminoacidica dei vari tipi di a. consentono il legame con proteine che hanno differenti funzioni e permettono all’a.
L’a. delle cellule non muscolari si presenta in monomeri liberi, filamenti singoli, filamenti con legami crociati disposti in fasci o uniti in una struttura a rete poco regolare; sono tutti formati da una identica sequenza di monomeri costituiti da subunità proteiche globulari dette actina G, che polimerizzano a testa-coda.
Per la struttura molecolare del filamento ci si basa su modelli molecolari computerizzati: nel modello più attendibile un’unica catena di monomeri forma un filamento elicoidale in cui ogni monomero è orientato quasi perpendicolarmente all’asse dell’elica.
I filamenti fungono da supporto strutturale e generano movimenti, risultando perciò coinvolti in varie attività, come i flussi citoplasmatici, la citochinesi, i cambiamenti di forma delle cellule, l’endocitosi e la secrezione.
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.
2) L'actina e' una piccola proteina globulare che forma microfilamenti spiraliformi (filamenti sottili) dovuti all'autoassemblaggio dei monomeri globulari. Il filamento di actina e' costituito da monomeri di actina autoassemblati in una struttura spiraliforme. Al filamento sono associate altre proteine: la tropomiosina e il complesso della troponina.
Miosina: Motore Molecolare della Contrazione
3) La miosina e' una proteina piuttosto grande, con una lunga coda fibrosa e una testa globulare, nella quale risiede l'attivita' ATPasica. Forma dei fasci (filamenti spessi) nei quali le code si attorcigliano tra loro mentre le teste sporgono ad angolo retto. I filamenti di miosina sono ancorati alle proteine del disco M e si intersecano con i filamenti di actina. Il contatto tra l'actina e la miosina avviene a livello delle teste della miosina che riconoscono un sito di legame sulle molecole di actina.
La Titina e la Regolazione della Contrazione
Studio pubblicato su PNAS rivela le proprietà meccaniche della titina. Raggiunta una nuova tappa nella conoscenza del funzionamento dei muscoli.
“La contrazione dei muscoli e del cuore - spiega Vincenzo Lombardi, professore emerito dell’Ateneo fiorentino che collabora alla ricerca del PhysioLab - è dovuta all’azione delle proteine contrattili miosina (il motore molecolare del muscolo) e actina organizzate rispettivamente in filamenti spessi e sottili nel sarcomero, l’unità strutturale della cellula muscolare. I motori miosinici prendono contatto con i filamenti sottili adiacenti e generano forza e accorciamento tirandoli verso il centro del sarcomero. L’attività delle proteine contrattili miosina e actina è regolata da altre proteine accessorie, presenti sia sul filamento spesso che sul filamento sottile. La proteina accessoria titina è una proteina filamentosa così grande che si estende per tutta la lunghezza del sarcomero prendendo contatto sia col filamento spesso che col filamento sottile.
Le proprietà meccaniche della titina nel muscolo attivo sono molto difficili da studiare, poiché vengono mascherate dalla preponderante azione meccanica dei motori di miosina. Le misure delle proprietà meccaniche della titina finora disponibili erano quelle nel muscolo a riposo che indicavano che la molecola è estremamente estensibile e quindi inadatta a svolgere un ruolo di raccordo per trasmettere le variazioni di carico al filamento spesso.
Nella ricerca pubblicata su PNAS, sfruttando la proprietà di una piccola molecola organica, sviluppata nel laboratorio di Budapest, che si lega ai motori di miosina e ne elimina selettivamente l’azione, si è potuto studiare l’azione della titina nel muscolo attivo, isolata dagli altri fattori in gioco.
“Si è così scoperto - spiega Caterina Squarci, assegnista del dipartimento fiorentino di Biologia che ha lavorato a questo progetto nell’ambito della sua tesi di dottorato -, che in seguito alla stimolazione del muscolo la titina acquisisce le proprietà di un raddrizzatore meccanico: risponde ad aumenti del carico con una resistenza cento volte maggiore di quella a riposo che la rende capace di attivare il filamento spesso trasmettendogli efficacemente l’aumento di carico, mentre non offre alcuna resistenza all’accorciamento prodotto da riduzioni del carico e pertanto mantiene inalterata la capacità del muscolo attivo di accorciarsi sotto l’azione dei motori di miosina”.
“Per comprendere il ruolo di queste proprietà meccaniche della titina nella regolazione della contrazione - spiega Gabriella Piazzesi, responsabile del progetto - abbiamo usato la diffrazione di raggi X alla linea di luce ID02 del sincrotrone europeo (ESRF, Grenoble). L’enorme intensità del fascio di luce prodotto dal sincrotrone permette di registrare da una cellula muscolare le modifiche strutturali su scala nanometrica provenienti dalle proteine contrattili lungo i filamenti durante le stesse manovre meccaniche applicate nel laboratorio di Firenze alle fibre muscolari isolate. Si è così rivelato - prosegue Piazzesi - come, in seguito all’attivazione del muscolo, la titina modifica l’orientamento dei motori di miosina in funzione del carico, favorendo la loro interazione con i filamenti di actina”.
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