I muscoli sono connessi alle ossa in maniera diretta o tramite i tendini. Quando si parla di fibra muscolare, in realtà si parla di cellula muscolare. Ogni singolo muscolo umano è ricoperto da tessuto connettivo, e la lunghezza delle fibre varia da circa pochi millimetri a 30 cm. Esiste anche una parte “fluida” della fibra muscolare che prende il nome di sarcoplasma, il citoplasma delle cellule muscolari, contiene varie sostanze in forma disciolta, prevalentemente proteine, minerali, glicogeno e grassi, e i necessari organuli.
La membrana si chiama sarcolemma, il citoplasma sarcoplasma. 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.
Struttura del Sarcomero
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.
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- 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.
Le Proteine Contrattili: Actina e Miosina
Actina e miosina vengono anche chiamate miofilamenti. Actina, tropomiosina e troponina fanno parte del “Filamento Sottile”. Actina e miosina sono le cosiddette “proteine contrattili” e dalla loro interazione deriva la contrazione muscolare.
Actina
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.
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.
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.
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Miosina
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.
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. 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.
Troponina e Tropomiosina
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). La troponina è costituita da 3 sub-unità: di tipo T, che lega con la tropomiosina, di tipo I, che lega con l’actina, di tipo C, la quale ha una elevata affinità con Ca2+.
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).
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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.
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.
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).
In condizioni di riposo, la testa della miosina è energizzata (legata all'ATP) e quindi pronta ad interagire con l’actina ma il sito di legame sull’actina non è disponibile. Il Ca2+ che entra si lega al complesso troponina-tropomiosina inducendo in esso un cambiamento conformazionale che sposta la posizione della tropomiosina scoprendo il sito di legame per la miosina presente sull’actina.
Il ciclo del “ponte traverso” (legame tra la testa della miosina e l’actina) è un ciclo che consta di 3 fasi: l’attacco (la miosina lega l’actina); la rotazione della testa della miosina; il distacco, per legarsi eventualmente all’actina successiva. L’ATP svolge 2 ruoli principali: quando viene idrolizzato rilascia l’energia chimica che viene trasformata in energia meccanica; ha un ruolo plasticizzante perché consente il distacco della miosina dall’actina, infatti senza ATP miosina e actina restano legate. La testa della miosina ha attività ATPasica, quindi è in grado di legare l’ATP e anche di idrolizzarlo in ADP e Pi i quali rimangono legati alla testa della miosina perché il sito dell’ATP è affine. Invece una prima quantità di energia liberata dall’idrolisi (ATP→ ADP+Pi+E) fa sì che la testa si erga sulla coda.
Il sito per l’ATP è diverso dal sito di legame per l’actina, i due siti però si influenzano a vicenda: quando la testa della miosina è alzata sulla coda, il sito di legame sull’actina è libero per cui la miosina si lega all’actina; questo legame influisce negativamente sul sito dell’ATP determinando il rilascio dei prodotti di idrolisi dell’ATP; il Pi liberato è altamente energetico e scatena il “colpo di potenza” della contrazione permettendo una rotazione di 45° della testa della miosina che sposterà in avanti il filamento di actina, portando la linea Z più vicina al filamento spesso. A questo punto è liberato anche l'ADP.
Una volta libero il sito dell’ATP, una nuova molecola di ATP vi si lega facendo perdere affinità alla testa della miosina per l’actina; quindi, la miosina si stacca dall'actina e l’attività ATPasica della miosina idrolizza nuovamente l’ATP che si è legato ritornando alla condizione di partenza. Il ciclo può ricominciare quando la testa della miosina lega una nuova molecola di ATP e si stacca dall’actina e se è di nuovo disponibile un sito libero sull’actina adiacente, altrimenti seguirà la fase di rilasciamento muscolare.
In un ciclo di attacco-rotazione-distacco viene utilizzata solo una molecola di ATP ai fini energetici, perché la seconda molecola consente il distacco ed è utilizzata soltanto se ci sarà un ciclo successivo; questo è il motivo per cui, se manca l’ATP la testa non può staccarsi dall’actina (condizione del rigor mortis).
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.
A questo punto, appena una nuova molecola di ATP si lega alla testa, la miosina perde l’affinità per l’actina e si stacca; nuovamente l’attività ATPasica determina la scissione dei prodotti di idrolisi. In assenza di Ca2+ l’ATP si lega alla testa della miosina e viene idrolizzato in ADP e Pi solo in parte, perché la miosina non può interagire con l'actina essendo che i siti di legame sono oscurati. Quando invece, in presenza di Ca2+, si verifica l’interazione tra actina e miosina, si forma il complesso actomiosina che accelera l’idrolisi dell’ATP e l’energia chimica liberata è trasformata in energia meccanica che permette alla testa della miosina di flettersi “a colpo di remo” e trascinare il filamento sottile. Il sito sull’actina può essere liberato quando aumenta la [intracellulare di Ca2+], per mezzo del meccanismo di “accoppiamento eccitazione-contrazione”.
Accoppiamento Eccitazione-Contrazione (EC)
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-contrazion. 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.
In breve:
- 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.
- 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.
Anatomia del Muscolo Scheletrico
Il muscolo scheletrico è formato da un insieme di cellule piuttosto lunghe, cilindriche e con estremità fusiformi, chiamate fibre muscolari. Se lo si taglia trasversalmente si nota che queste fibre non sono isolate, ma raggruppate in fascicoli ed avvolte da tessuto connettivo.
Ogni cellula muscolare è rivestita da una fascia connettivale (endomisio), poi c’è un altro avvolgimento delle fibre muscolari detto perimisio (o sarcolemma), ed infine l’ultimo rivestimento che riguarda l’intero fascicolo muscolare detto epimisio. Ogni singolo muscolo umano è ricoperto da tessuto connettivo, e la lunghezza delle fibre varia da circa pochi millimetri a 30 cm.
Ogni muscolo è formato dall'unione di più fascetti (o lacerti) muscolari; ogni fascetto contiene più fibre con decorso parallelo. proteggerlo durante l'esecuzione del movimento stesso. addentra nel ventre muscolare a costituire il perimisio e l'endomisio: così, ogni fascetto è rivestito da una membrana di connettivo lasso detta perimisio, mentre ogni singola cellula muscolare è rivestita da una delicata membrana connettivale detta endomisio. vasi sanguigni e fibre nervose motorie e sensitive.
Grossi vasi e nervi penetrano attraverso l'epimisio e si dividono per ramificarsi attraverso il muscolo, nel perimisio e nell'endomisio, raggiungendo ogni singola fibra. Quando si parla di muscoli è necessario introdurre una terminologia specifica. Fibra muscolare o fibrocellula m. All'interno della cellula muscolare notiamo innanzitutto numerosi nuclei. Ogni fibra muscolare, infatti, deriva dall'unione, durante lo sviluppo embrionale, di molteplici cellule, dette mioblasti, che si fondono insieme.
Pertanto, la fibra muscolare è un sincizio (termine che spetta alle cellule multinucleate derivanti dalla fusione di più cellule). I nuclei delle fibre muscolari sono allungati, disposti in prossimità del sarcolemma e particolarmente numerosi, sino a parecchie centinaia per ognuna. Continuando il nostro viaggio all'interno della cellula muscolare, notiamo che essa è straordinariamente ricca di voluminosi mitocondri, disposti in file parallele tra gli elementi contrattili; e non potrebbe essere altrimenti.
Mitocondri grandi e numerosi, granuli di glicogeno e presenza di mioglobina... un chiaro segno dell'intensa attività metabolica che si sussegue all'interno del muscolo, con lo scopo di fornire energia per la contrazione.
Tipi di Contrazione Muscolare
- Contrazione Isotonica: nella contrazione isotonica il muscolo cambia la sua lunghezza, mantenendo però una continua tensione. È la contrazione che utilizziamo ogni giorno per muovere un oggetto, sollevare un peso e quant’altro. Questa contrazione è composta da 2 fasi ben distinte: fase concentrica e fase eccentrica; nella prima contrazione il muscolo subisce un accorciamento, mentre nella seconda il muscolo viene sottoposto ad una fase di allungamento.
- Contrazione Isometrica: la contrazione isometrica avviene senza variazioni di lunghezza da parte del muscolo. Si nota una minima variazione solo nel ventre muscolare che tende minimamente a gonfiarsi.
- Contrazione Isocinetica: si ottiene questo tipo di contrazione in un movimento senza variazioni di velocità, ovvero a velocità costante. Questo tipo di contrazioni sono impossibili in natura!
- Contrazione Auxotonica: la contrazione auxotonica invece è quella che avviene mediante l’utilizzo di elastici.
- Contrazione Pliometrica: le contrazioni pliometriche sono costituite da 3 fasi, facilmente distinguibili, la fase eccentrica, la fase di “volo” o “ammortizzazione” e la fase concentrica. Queste contrazioni hanno un’importante componente, basata sul riflesso di stiramento muscolare: la componente elastica (SEC, Series Elastic Component).
- Contrazione Isoinerziale: questi tipi di movimenti sono costituiti da una forte attivazione mioelettrica iniziale, che è corrispondente al momento in cui occorre vincere l’inerzia del carico (contrazione degressiva). Le contrazioni isoinerziali hanno un differente pattern di attivazioneneuromuscolare e sono molto utili per ricostruire il rapporto forza-velocità.