Il muscolo scheletrico si inserisce sullo scheletro tramite i legamenti, in rapporto con le articolazioni. È composto da una serie di fasci di fibre muscolari. Quando si parla di fibra muscolare, in realtà si parla di cellula muscolare. 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 periferia della cellula perché l’interno è occupato dalle fibre contrattili.
All’interno di una fibra muscolare, le componenti contrattili sono organizzate in miofibrille che presentano la classica alternanza di bande chiare (bande isotrope) e bande scure (bande anisotrope), derivante dal fatto che al microscopio a luce polarizzata riflettono in modo diverso la luce. Quando sono caratterizzate da un unico elemento strutturale, si ha un solo raggio di rifrazione che dà una banda chiara, quando è presente più di un elemento strutturale, si hanno due raggi di rifrazione che danno una banda scura. La banda chiara (banda I) presenta al centro una stria più scura, la linea Z. La banda scura, banda A, all’interno presenta una zona più chiara, la banda H che è attraversata da una stria scura, cioè la linea M.
Sarcomero: Unità Funzionale del Muscolo Striato
La porzione della miofibrilla compresa fra due linee Z prende il nome di ”sarcomero” che è l’unità funzionale del muscolo striato, cioè la porzione più piccola che presenta le caratteristiche funzionali del sistema muscolare. Quindi il sarcomero è formato da una emibanda I lateralmente (una ad ogni lato), e al centro da una zona più scura, che è la banda A.
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.
Le linee Z, all’interno delle bande I (chiara), sono delle strutture proteiche su cui si ancorano i miofilamenti sottili di actina che vanno, da un lato e dall’altro, verso il centro del sarcomero e si sovrappongono ai miofilamenti spessi di miosina presenti nella porzione centrale del sarcomero, cioè nella banda A. La giusta sovrapposizione dei filamenti è garantita dalle proteine titina e nebulina. La nebulina contribuisce a mantenere l’allineamento dell’actina; la titina (proteina elastica) aggiunge elasticità e stabilizza la miosina.
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Actina e miosina sono le cosiddette “proteine contrattili” e dalla loro interazione deriva la contrazione muscolare.
Struttura Molecolare del Sarcomero
Il sarcomero è l'unità morfo-funzionale del muscolo striato, che consente la contrazione delle miofibrille e l'esercizio dell'azione dei muscoli volontari. È costituito da due tipologie di filamenti, filamenti sottili e filamenti spessi, organizzati secondo un preciso disegno geometrico, in grado di interagire gli uni con gli altri in modo da produrre l'accorciamento del sarcomero e così generando la contrazione muscolare. Le miofibrille sono costituite da numerosi sarcomeri che si susseguono uno dopo l'altro e, formalmente, il limite di ciascun sarcomero è definito da due dischi zeta che ne rappresentano, pertanto le estremità. La zona che include i filamenti di miosina, collocandosi nella parte centrale del sarcomero, viene definita banda A.
Se osserviamo una sezione della banda I, si vede una disposizione esagonale ordinata dei filamenti di actina; se osserviamo una sezione della zona H, si vede ugualmente una disposizione ordinata dei filamenti spessi; il centro della banda A è formato solo da filamenti spessi, infatti solo se osserviamo una sezione delle porzioni esterne della banda A vediamo insieme filamenti sottili e filamenti spessi nella zona di sovrapposizione, dove ciascun filamento spesso è circondato da 6 filamenti sottili disposti agli angoli di un esagono.
La linea M, più scura, che attraversa la banda H, ed è la zona dove prendono contatto fra loro le molecole di miosina. La linea M stabilizza la struttura poiché consente al filamento spesso di restare in situ.
Actina
Il filamento sottile è dato dalla polimerizzazione dell’actina. L’actina come monomero si trova in forma globulare (actina G); varie actine G polimerizzano formando un filamento che è l’actina F (collana di perle); due filamenti F si avvolgono ad α-elica a formare il filamento di actina; i solchi delle α-eliche del filamento sottile sono occupati da proteine regolatrici della contrazione: i filamenti di tropomiosina, che è una proteina filamentosa, e in punti precisi della tropomiosina si posiziona un’altra proteina regolatrice, la troponina. Quindi lo scheletro portante del filamento sottile è costituito dall’actina (la più abbondante), a cui si aggiungono la tropomiosina e la troponina.
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Un miofilamento di actina è formato da due filamenti di actina F avvolti a doppia elica. 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).
Le tropomiosine si associano coda a coda per formare un filamento continuo adagiato in prossimità dell'incavo che si trova tra i due filamenti di actina F avvolti; in questa posizione mascherano i siti di legame dell’actina per la miosina. Una molecola di tropomiosina si estende lungo 7 molecole di actina G ed è presente una molecola di troponina per ogni molecola di tropomiosina. La troponina legata alla tropomiosina forma il complesso regolatore proteico.
I filamenti sottili dei sarcomeri sono costituiti principalmente da actina, unita a due proteine accessorie, la tropomiosina e la troponina. L'actina si organizza in filamenti costituiti da due eliche di actina F avvolte una sull'altra. Anche la tropomiosina è costituita da due eliche alfa e si distende lungo lo spazio che intercorre tra le due eliche di actina.
Miosina
Il filamento spesso è formato dalla polimerizzazione delle molecole di miosina. La miosina è costituita da 6 catene proteiche, 2 catene pesanti e 4 catene leggere. È formata da una coda che consiste nelle due catene pesanti avvolte ad α-elica che a un certo punto si separano, interagiscono con altre molecole accessorie e formano due porzioni globulari dette teste. Cioè l'estremità N-term di ogni catena pesante termina con una testa. Nella regione prima di ogni testa sono associate 2 catene leggere. Le varie miosine polimerizzano coda a coda.
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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Se osserviamo un filamento spesso, si nota una zona centrale costituita dalle code delle miosine (linea M) e poi a passi precisi sporgono dal miofilamento le teste delle miosine, disposte verso le 2 estremità del filamento spesso, che sono quelle che interagiscono con l’actina per dare luogo alla contrazione. Nel punto in cui le 2 catene polipeptidiche si separano e prima della testa, è presente una zona “cerniera” caratterizzata da aa particolari che fanno sì che questo collo della miosina possa ergersi sulla coda. Quindi, le 2 proprietà biologiche della miosina sono quella di legare l’ATP e idrolizzarlo (ha una funzione enzimatica ATPasica), e quella di interagire con l’actina.
I siti per l’ATP e per l’actina si trovano nella testa della miosina. Sperimentalmente la molecola di miosina può essere idrolizzata in determinati punti: utilizzando la CHIMOTRIPSINA può essere idrolizzata in 2 porzioni, la “meromiosina leggera” contenente una porzione del collo e le 2 teste, e la “meromiosina pesante” contenente la coda. A sua volta la meromiosina leggera può essere idrolizzata dalla PAPAINA in collo e teste. Ciò indica che nella miosina esistono 2 punti di flessione che permettono alla proteina di flettersi, uno tra coda e collo e uno tra collo e testa.
I filamenti spessi del sarcomero sono costituiti da circa 250 molecole di miosina, una proteina di grandi dimensioni organizzata in due catene polipeptidiche contenenti ognuna 2000 amminoacidi e associata a 4 catene leggere con funzione regolatoria. Le due catene principali si avvolgono l'una intorno all'altra, formando all'estremità N-terminale delle due catene, due teste globulari dalla cui base si dipartono, dopo un breve tratto detto punto flessibile, le due code intrecciate che terminano nelle regioni C terminali libere. Le catene leggere sono associate alla parte iniziale della regione caudale, in prossimità della zona flessibile.
Contrazione Muscolare
L’innesco della contrazione richiede l’aumento della concentrazione di Ca2+ e richiede energia (ATP). La contrazione è la conseguenza di uno scivolamento (scorrimento) dei miofilamenti sottili di actina delle emibande I, sui filamenti spessi verso il centro del sarcomero, per interazione delle proteine contrattili. Questo scivolamento comporta l’avvicinamento delle due linee Z e una riduzione, quasi fino alla scomparsa, della banda I, mentre la banda A resta invariata perché è il filamento sottile che scivola su quello spesso. Quando il muscolo si contrae si accorcia perché i sarcomeri, che sono posti l’uno in sequenza all’altro, si riducono di lunghezza determinando l'accorciamento della fibra muscolare.
Nel sarcomero si possono distinguere due regioni: la zona H, da cui si distendono i filamenti di miosina, e il disco Z, da cui partono i filamenti di actina. Le due tipologie di filamenti si sovrappongono nell'area posta a metà strada tra queste due zone.
Durante la contrazione muscolare i ponti actomiosinici sono continuamente formati e sciolti, a patto che sia disponibile una sufficiente quantità di ioni calcio e di ATP.
All'interno della singola miofibrilla i vari sarcomeri si susseguono uno dopo l'altro, come a formare un'alta pila di cilindri. Nel muscolo, inoltre, le fibre sono disposte parallelamente, in modo tale che i rispettivi sarcomeri risultino allineati. In altre parole, accanto ad una linea Z di una miofibrilla vi è sempre una linea Z della miofibrilla adiacente; questa simmetria fa sì che nel suo insieme, tutta la fibra muscolare appaia striata trasversalmente.
Durante la contrazione muscolare i ponti actomiosinici sono continuamente formati e sciolti, a patto che sia disponibile una sufficiente quantità di ioni calcio e di ATP.
Durante la contrazione muscolare i ponti actomiosinici sono continuamente formati e sciolti, a patto che sia disponibile una sufficiente quantità di ioni calcio e di ATP.
Meccanismo della Contrazione
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. Si riferisce a quel fenomeno che associa l’eccitazione di una fibra muscolare alla sua automatica contrazione.
Quando il muscolo si contrae queste strutture si avvicinano.Ogni miofibrilla è composta da più sarcomeri, unità funzionali nella contrazione. A livello microscopico si nota che actina e miosina sono avvolta fra di loro. I miofilamenti spessi sono disposti parallelamente fra di loro mentre quelli sottili decorrono fra di loro. Due linee scure, dette linee Z, delimitano il sarcomero e sono i punti in cui si ancorano i filamenti di actina. Tra due linee Z si notano le bande A, di colore scuro, dove si trova la miosina, e le bande I, chiare, dove è presente solamente l’actina. Le bande scure sono divise a metà da una sottile fascia chiamata banda H, dove si trova solo la miosina, almeno mentre il muscolo è rilassato. L’actina si avvicina al centro solo durante la contrazione.
Actina e miosina nella struttura del sarcomero Queste due proteine sono organizzate in strutture allungate e simili a fili dette miofilamenti che sovrapposti formano le miofibrille. Fra di loro sono diversi in quanto quelli di actina appaiono di spessore e diametro più ridotto al microscopio (miofilamenti sottili) e quelli di miosina sono più corposi (miofilamenti spessi).
Regolazione della Contrazione
In condizioni di riposo, le teste delle miosine non prendono contatto con l’actina. In condizioni di contrazione, le teste delle miosine riescono ad interagire con il filamento di actina e ruotando su sé stesse spingono in avanti il filamento sottile. A questo punto la testa si stacca dall’actina e successivamente può legare un’altra actina. Si tratta di una serie di cicli, in cui tante teste agiscono in questa maniera contemporaneamente spingendo i filamenti di actina verso il centro del sarcomero. Questo processo è possibile quando l’actina è in grado di interagire con la miosina, infatti la regolazione della contrazione del muscolo scheletrico avviene a livello dell’actina, la quale può avere il sito di legame per la miosina libero o coperto dalle proteine regolatrici (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.
Ruolo del Calcio
Cosa regola l’ingresso del calcio per far interagire actina e miosina 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.
A livello del reticolo sarcoplasmatico la concentrazione del calcio è pari a 1o mM mentre all’interno del sarcoplasma è molto inferiore (1 µM).
Se non c’è il Ca2+, che è l’interruttore molecolare della contrazione, i siti sull’actina sono mascherati. Se arriva il Ca2+, questo si lega alle proteine regolatrici e fa in modo che vengano smascherati i siti di legame sull’actina permettendo il legame della miosina con l’actina; questo legame riduce l’affinità della testa della miosina per i prodotti di idrolisi dell’ATP che si distaccano. Questa ulteriore energia ricavata consente la rotazione della testa trascinando verso il centro del sarcomero il filamento di actina.
Il sito sull’actina può essere liberato quando aumenta la [intracellulare di Ca2+], per mezzo del meccanismo di “accoppiamento eccitazione-contrazione”.
Fasi del Ciclo di Contrazione-Rilasciamento
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.
Reticolo Sarcoplasmatico e Tubuli T
Come anticipato, le miofibrille sono circondate dal reticolo sarcoplasmatico, un sistema complesso di vescicole e tubuli che dà origine al sistema sarcotubulare. Entrando sempre più nel microscopico, scopriamo che le miofibrille sono a loro volta composte da miofilamenti paralleli, che sono di due tipi: spessi e sottili. Si può inoltre osservare una caratteristica striatura lungo l'asse maggiore della miofibrilla, dovuta all'alternarsi regolare di bande chiare e scure. Il sarcomero è l'unità strutturale e funzionale della miofibrilla, vale a dire la più piccola unità del muscolo in grado di contrarsi.
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).
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.
Le cellule muscolari, come le cellule nervose, sono delle cellule eccitabili, significa che il loro p. di membrana può variare generando un p.d’azione. Il p.d’azione della fibra muscolare ha il compito di inviare un messaggio che è l’innesco della contrazione. La membrana di una cellula muscolare (sarcolemma) presenta delle fossette regolari che vengono chiamate tubuli a T o tubuli trasversi. Il p.d’azione si propaga, scende nei tubuli a T e risale per continuare la sua propagazione. In prossimità dei tubuli a T, si trovano i depositi di Ca2+ intracellulari rappresentati dal reticolo sarcoplasmatico (RS) dai quali il p. d’azione è in grado di consentirne la liberazione. Nel lato intracellulare, il tubulo a T prende contatto con il RS. Il RS è formato da una serie di tubuli longitudinali che seguono cioè l’asse maggiore della fibra e sono disposti parallelamente alle miofibrille, i quali nella porzione finale si allargano nelle cosiddette cisterne terminali; quindi, un tubulo a T prende contatto con una cisterna da un lato e con un'altra cisterna dall’altro lato, formando una struttura definita “triade”. Le cisterne prendono contatto col tubulo a T per mezzo di un contatto fisico tra dei recettori della membrana del RS, chiamati recettori per la rianodina (chiamati così perché la rianodina è un alcaloide in grado di legare questi recettori inibendoli) e recettori posti sulla membrana del tubulo a T chiamati recettori per la diidropiridina (chiamati così perché il farmaco diidropiridina è in grado di legare inibendo questi recettori). Ogni recettore per la rianodina a sua volta contatta fisicamente un canale per il Ca2+ voltaggio-dipendente posto sulla membrana del RS. Quando il p.d’azione, che si propaga lungo il sarcolemma, va a colpire i recettori per la diidropiridina transamembrana (del tubulo a T), questi cambiano conformazione in risposta alla variazione di potenziale. Siccome ogni recettore per la diidropiridina è legato sul lato citoplasmatico con un recettore per la rianodina del RS che a sua volta contatta un canale per il Ca2+ del RS, la modifica conformazionale del recettore per la diidropiridina induce una modifica conformazionale nel recettore per la rianodina che a sua volta determina l'apertura del canale per il Ca2+. Di conseguenza il Ca2+ che è molto concentrato all’interno del RS esce immediatamente per diffusione passiva e aumenta a livello citoplasmatico (sarcoplasmatico). Il Ca2+legandosi alla troponina del complesso troponina-tropomiosina determina lo spostamento della tropomiosina smascherando il sito di legame per la miosina sull’actina. Questo meccanismo è detto accoppiamento eccitazione-contrazione. Quando termina il p.d’azione, tutto ritorna alle condizioni iniziali in cui il recettore sul RS occlude il canale ionico per il Ca2+. La cellula deve riabbassare la [Ca2+] e a tale scopo sulla membrana del RS si trova una pompa ATPasica che ricattura il Ca2+ all’interno del RS mediante un trasporto attivo primario perché avviene contro gradiente di concentrazione.
Riassunto del processo
In breve: Fase I. Una molecola di ATP si lega ad un sito particolare della testa della miosina e viene idrolizzato, dall'attività ATPasica della miosina, ad ADP e Pi (che rimangono legati alla testa della miosina) e l'energia liberata viene conservata sotto forma di una forte tensione della testa; Fase II. Un’onda di depolarizzazione, provocata dalla liberazione sinaptica di acetilcolina, si propaga lungo il sarcolemma fino ai tubuli T dove attiva il recettore diidropidinico. Questo recettore attivato attiva il recettore rianodinico che si trova sulla superficie delle cisterne del reticolo sarcoplasmatico...