Fisiologia del muscolo Il movimento Il tessuto muscolare Struttura del muscolo scheletrico

1. Il movimento Il movimento ameboide b. Il movimento ciliare La capacità di muoversi è un vantaggio evolutivo che diventa sempre più importante all’aumentare delle dimensioni dell’organismo. Essa permette infatti di spostarsi fra diversi ambienti alla ricerca del cibo, di partner sessuali e per colonizzare nuove aree. Comporta la capacità di trasformare l’energia chimica in energia meccanica Il movimento ameboide b. Il movimento ciliare c. I movimenti muscolari

Il movimento ameboide Chiamato così perché tipico delle amebe, ma lo ritroviamo anche in cellule di organismi superiori, come leucociti e macrofagi. ENDOPLASMA L’ectoplasma contratto e rigido, si rilassa nella zona dove originerà lo pseudopodio. L’endoplasma più fluido scorrerà verso la zona più rilassata originando lo pseudopodio. ECTOPLASMA L’endoplasma dello pseudopodio ricostituisce il citoscheletro, mentre il citoplasma del corpo cellulare si sposta verso lo pseudopodio per la contrazione di filamenti acto-miosinici. Così si ottiene lo spostamento

Il movimento ciliare assonema Ciglia e flagelli hanno struttura molto simile anche se il movimento dei flagelli è più complesso. 4-5 mm 0.2 mm Il movimento ciliare può produrre due effetti: se la cellula è sessile provoca il movimento del liquido circostante, se è mobile, ne provoca lo spostamento.

2. Tessuto muscolare Tessuto muscolare: il movimento è dovuto ad un apparato contrattile costituito da miofilamenti

Tessuto muscolare liscio: Evolutivamente più antico. Nei mammiferi costituisce la muscolatura degli organi della vita vegetativa

Tessuto muscolare cardiaco: Tipo particolare di muscolo striato. Le fibre sono morfologicamente diverse da quelle della muscolatura scheletrica, ma presentano striature

Tessuto muscolare striato o scheletrico: Deputato ai movimenti rapidi. Presenta una caratteristica striatura dovuta alla disposizione ordinata dei miofilamenti

3. Struttura del muscolo scheletrico Testo di riferimento: Silverthorn

Le fibre muscolari scheletriche Il muscolo scheletrico è un insieme di cellule dette fibre muscolari che lavorano in maniera integrata. L’insieme di fibre muscolari innervate da un motoneurone costituisce l’unità motoria Le singole cellule sono parallele fra loro secondo il loro asse longitudinale e tenute insieme da tessuto connettivo in cui si trovano nervi e vasi sanguigni Il muscolo intero è contenuto in una guaina connettivale che è in continuità con i tendini

Le fibre muscolari sono elementi cellulari giganti (Ø centinaia di mm; lunghezza cm) polinucleati, delimitati dal sarcolemma. Il citoplasma prende il nome di sarcoplasma ed è premuto verso la periferia dall’apparato contrattile che riempie la cellula: le miofibrille (alcune centinaia per fibra muscolare). Il reticolo sarcoplasmatico costituisce una rete di tubuli comunicanti con l’esterno, fondamentali per il meccanismo della contrazione.

Il sarcomero è l’unità contrattile del muscolo Ogni fibra muscolare contiene migliaia di miofibrille Ogni miofibrilla è una struttura contenente diversi tipi di proteine che si organizzano in un modulo che si ripete uguale lungo tutta la miofibrilla: il sarcomero. Il sarcomero è l’unità contrattile del muscolo

Il sarcomero è composto da zone più scure alternate ad altre più chiare che vengono indicate con le lettere dell’alfabeto: Dischi Z; Bande I; Banda A; Zona H; Linea M. Esse hanno un preciso significato fisiologico.

Le proteine che costituiscono il sarcomero sono di diverso tipo: Actina e miosina: proteine filamentose contrattili Tropomiosina e troponina: proteine regolatorie Titina e nebulina: proteine che mantengono in posizione le altre L’ Actina va a costituire i filamenti sottili La Miosina va a costituire i filamenti spessi

I filamenti sottili I filamenti sottili sono costituiti da: actina (p.m.=43000), tropomiosina (p.m.=70.000) e troponina (p.m.=80000) Monomeri di G-actina si uniscono a formare molecole filamentose di F-actina. Ogni filamento sottile comprende 2 molecole di F-actina avvolte a formare una doppia elica con passo 700Å.

L’actina Ogni molecola di G-actina possiede un dominio in grado di legarsi con il filamento spesso a formare ponti molecolari. Le molecole di F-actina sono disposte a lisca di pesce con orientamento opposto ai due lati del sarcomero, per potersi legare ai filamenti spessi che pure sono orientati in modo opposto ai due estremi. In rana il filamento è lungo 1 um per 8 nm

I filamenti spessi Sono costituiti da una sola proteina: la miosina (p.m. = 460000) costituita da una «coda» filamentosa e due «teste» 300-400 molecole di miosina sono organizzate in una configurazione coda-coda in modo da ottenere due porzioni simmetriche con la parte centrale nuda, cioè priva di teste, centrata sulla linea M del sarcomero. In sezione trasversale le teste, sfasate di 60°, formano una struttura elicoidale che si sviluppa longitudinalmente . Le teste della miosina presentano un sito ATPasico e i siti che le legano l’ actina.

Dischi Z: Strutture proteiche che servono per l’attacco dei filamenti sottili Bande I: parte in cui sono presenti solo i filamenti sottili Banda A comprende tutta la lunghezza del filamento spesso. Alle estremità esterne i filamenti spessi si alternano a quelli sottili, al centro ci sono solo quelli spessi. Zona H: E’ la zona centrale della banda A occupata solo dai filamenti spessi Linea M: E’ la zona di attacco dei filamenti spessi

Eccitabilità La contrazione muscolare avviene in seguito ad un evento elettrico. Il neurone motore, tramite la placca motrice (giunzione neuromuscolare), eccita il muscolo che genera un potenziale d’azione. Il potenziale d’azione del muscolo scheletrico possiede tutte le caratteristiche di quello studiato nella fibra nervosa: per questo motivo le fibrocellule sono comprese nei tessuti eccitabili.

Il meccanismo di contrazione del sarcomero Misurazioni a raggi X dimostrarono che la lunghezza dei miofilamenti resta costante durante la contrazione, quello che cambia è il loro grado di sovrapposizione (teoria dello scorrimento dei filamenti). Il meccanismo di contrazione del sarcomero A I H Z Durante la contrazione, le bande I e la H diminuiscono notevolmente, mentre la A rimane costante, come ci si aspetta da uno scorrimento dei miofilamenti sottili su quelli spessi.

(1)La testa della miosina idrolizza l’ATP ed è pronta al legame; Lo scivolamento si ha quando le teste della miosina si attaccano alle molecole dell’actina adiacente trascinando il filamento sottile verso il centro del sarcomero. Il meccanismo di attacco e distacco della miosina dall’actina è chiamato ciclo dei ponti (1)La testa della miosina idrolizza l’ATP ed è pronta al legame; (2) Arriva il Ca2+ e libera i siti di aggancio per la miosina (3) Movimento del ponte con idrolisi dell’ADP; (4) L’ATP si lega alla miosina e ne provoca il distacco dall’actina (1)Ricomincia il ciclo. 1 2 4 3

A. Sarcomero rilassato: miosina carica con ADP; molta affinità per l’actina, ma siti di legame mascherati dalla troponina. B. Impulso nervoso: liberazione di Ca2+. Il Ca2+ si lega alla troponina liberando i siti per il legame con l’actina.

C. La miosina-ADP si lega all’actina e libera ADP, contraendosi. D. L’ATP si lega alla miosina-actina provocando il distacco della miosina e l’idrolisi dell’ATP e si torna a miosina-ADP per un nuovo ciclo. 5 cicli/s 50 nm/s E. Se termina lo stimolo nervoso, non c’è più Ca2+ e la troponina maschera di nuovo i siti di legame per l’actina e il muscolo torna rilassato

Accoppiamento eccitazione-contrazione Il comando centrale (a) attiva i motoneuroni e la conduzione del potenziale d’azione (b) fino alla giunzione neuromuscolare (c). Qui il p.d’a. induce il rilascio di acetilcolina dalla terminazione presinaptica causando un potenziale del recettore che attiva i canali V-dipendenti del Na+ e del K+ generando un potenziale d’azione (d). ACh

Il p.d’a. si propaga lungo la superficie della membrana anche all’interno della cellula attraverso il sistema dei tubuli trasversi (e), causando il rilascio di Ca2+, immagazzinato all’interno del reticolo sarcoplasmatico, nel citoplasma (f). Il Ca2+ si lega alla troponina C, liberando i siti attivi dell’actina (g) e attivando il ciclo dei ponti (h). Una pompa ATP-dipendente (i) riporta il Ca2+ all’interno del reticolo sarcoplasmatico. Quando la stimolazione nervosa termina e con essa il rilascio di Ca2+ dal reticolo sarcoplasmatico, il riassorbimento attivo del Ca2+ intracellulare determina il distacco del calcio dalla troponina Il ciclo dei ponti si arresta e ha inizio il fenomeno del rilasciamento muscolare.

Relazione tra la lunghezza del sarcomero e la forza sviluppata dalla fibra muscolare Sovrapposizione totale dei filamenti sottili: non è possibile l’interazione fra il filamento sottile ed il suo corrispondente spesso Diminuisce la sovrapposizione fra filamenti sottili: inizia lo sviluppo di forza Tutto il filamento spesso può legarsi al sottile quindi ancora massima forza Diminuisce la sovrapposizione della parte contrattile quindi minore forza Filamenti completamente sfilati non possono sviluppare forza

LA FORZA CHE LA FIBRA MUSCOLARE PUÒ GENERARE È DIRETTAMENTE PROPORZIONALE AL NUMERO DI PONTI TRASVERSI CHE SI FORMANO TRA FILAMENTI SPESSI E FILAMENTI SOTTILI Se è il sarcomero è troppo lungo, filamenti spessi e sottili saranno parzialmente o totalmente sfilati e formeranno pochi o nessun ponte trasverso Se è il sarcomero è troppo corto, i filamenti sottili dell’emisarcomero opposto andranno ad interferire con i ponti che la miosina può creare con i filamenti del suo emisarcomero, con minor sviluppo di forza

La scossa muscolare semplice Periodo di latenza: tempo che intercorre tra il termine dello stimolo elettrico e l’inizio della risposta meccanica (circa 10ms) Tempo di contrazione tempo necessario a raggiungere il picco di contrazione Fase di rilasciamento: è più lenta nel muscolo affaticato

La singola contrazione NON rappresenta il massimo della forza che la fibra muscolare può produrre Aumentando la frequenza dei potenziali d’azione che dal neurone arrivano alla fibrocellula, si può aumentare la sua forza di contrazione Il p.d.a. dura 1-3 ms, mentre la scossa muscolare semplice può superare i 100 ms. Se i potenziali sono abbastanza frequenti, la fibrocellula non avrà tempo di rilassarsi completamente In questo caso le contrazioni potranno sommarsi

Sommazione, tetano incompleto, tetano completo Il periodo di refrattarietà elettrica della fibra muscolare termina molto prima che essa si sia rilassata, perciò un secondo p.d.a. induce una contrazione che si somma alla precedente. Se la frequenza dei p.d.a è abbastanza alta, le contrazioni successive si fondono sempre di più fino a dare una contrazione sostenuta nel tempo definita tetano completo

Perché la forza sviluppata durante uno stimolo tetanizzante è fino a 4 volte più grande di quella sviluppata dalla scossa muscolare semplice? 1 L’apparato elastico è già in tensione 2 La concentrazione di Ca2+ intracellulare aumenta ad ogni stimolo perché la sua velocità di rilascio è maggiore di quella di sequestro Ca2+

Proprietà meccaniche del muscolo Contrazione isotonica Quando il muscolo si muove spostando un carico, la contrazione viene definita isotonica Se il muscolo si flette, parleremo di contrazione concentrica; se si estende parleremo di contrazione eccentrica

Contrazione isometrica Se il muscolo si contrae senza possibilità di accorciarsi, la contrazione viene definita isometrica Entrambe le condizioni sono fisiologiche

Nella contrazione isotonica la forza cresce fin quando non raggiunge il livello del peso da spostare, poi resta costante per tutta la durata dello spostamento Nella contrazione isometrica la forza cresce, ma non raggiunge il livello del peso da spostare

Affaticamento muscolare Se il rifornimento di ATP è più lento rispetto alla richiesta del muscolo: la glicolisi si disaccoppia dal ciclo di Krebs ed il piruvato è traformato in lattato che si accumula ed è tossico per i muscoli. Dipende dall’allenamento del muscolo e dall’intensità dello sforzo. E’ un fenomeno reversibile Ha funzione protettiva perché informa l’organismo che sta superando le sue possibiltà

In ogni muscolo ci sono tipi diversi di fibre: 1. Fibre di tipo I ossidative a contrazione lenta Sottili, meno ricche di miofibrille e con r. sarcoplasmatico poco sviluppato. Ricche di mioglobina (rosse), miosina di tipo «lento». Consumano ATP ad una velocità tale da poterlo sempre recuperare con la respirazione Hanno un metabolismo aerobico e sono resistenti alla fatica Sono reclutate negli sforzi muscolari di intensità moderata ma di lunga durata Tipo I Tipo II-B

2. Fibre di tipo II-B glicolitiche a contrazione rapida Maggior diametro, ricche di miofibrille e con r. sarcoplasmatico molto sviluppato. Poca di mioglobina (bianche), miosina «veloce». L’ATP viene fornito da PCr e dalla glicolisi. Intervengono negli sforzi rapidi e intensi, ma si affaticano rapidamente 3. Fibre ossidative di tipo II-A a contrazione rapida Hanno caratteristiche intermedie rispetto ai primi due tipi di fibre Piccolo diametro, ricche di mioglobina (rosse). Metabolicamente orientate sia in senso ossidativo che glicolitico.

di fibre glicolitiche rapide I due tipi di fibre a contrazione rapida sono convertibili con un opportuno allenamento Le fibre lente e quelle rapide, invece, non sono convertibili La maggior parte dei muscoli contiene una miscela dei tre tipi di fibre La percentuale di ciascun tipo dipende in gran parte dal tipo di attività nel quale il muscolo è specializzato La percentuale di ciascun tipo di fibre varia anche da individuo a individuo, in quanto ha una base genetica maggiore percentuale di fibre glicolitiche rapide maggiore percentuale di fibre ossidative lente