LE BASI MOLECOLARI DELLA CONTRAZIONE LE UNITA' CONTRATTILI (muscolo striato): il sarcomero, i dischi Z. Filamenti sottili: actina (subunità globulari disposte ad elica), tropomiosina (filamentosa), troponina (3 subunità globulari) Filamenti spessi: miosina: coda (meromiosina leggera, parte filamentosa): collo e testa (ponti trasversali: meromiosina pesante); siti attivi per il legame con l'actina e con l'ATP.

IL CICLO DEI PONTI TRASVERSALI. Una miscela di proteine contrattili in vitro cambia conformazione (si aggrega: actina + miosina = actomiosina) in presenza di calcio e si disaggrega se viene rimosso il calcio e aggiunto ATP. In assenza di ATP il complesso actomiosinico è stabile (complesso del rigor).

In vivo il processo avviene in 4 fasi, in presenza di calcio e ATP: .attacco del ponte laterale; .idrolisi dell'ATP con liberazione di energia e ripiegamento del ponte (scorrimento dei filamenti sottili); .ripristino della molecola di ATP e rottura del legame actomiosinico; .raddrizzamento del ponte e ripresa del ciclo se è ancora presente calcio.

Il continuo riformarsi dei ponti trasversali spinge le molecole di actina verso il centro del sarcomero (meccanismo a ruota dentata), sviluppando forza e/o accorciamento Il ruolo del Ca++ consiste nel legarsi alla troponina e trascinare la tropomiosina in profondità nella doccia formata dall'elica dell'actina, scoprendo i siti attivi per la reazione con i ponti trasversali La velocità della contrazione dipende dal carico e dalle caratteristiche enzimatiche dell'ATPasi miosinica (diversa in diversi tipo di fibra muscolare).

LE BASI MOLECOLARI DELLA CONTRAZIONE actina miosina

LE BASI MOLECOLARI DELLA CONTRAZIONE

LE BASI MOLECOLARI DELLA CONTRAZIONE

LE BASI MOLECOLARI DELLA CONTRAZIONE Condizione di riposo Stimolo Entrata del Ca++ 1- attacco dei ponti laterali 2- idrolisi ATP, flessione teste e scorrimento 3- ripristino ATP, distacco ponti 4 ritorno teste, se c’è Ca++, ripresa del ciclo

LA RISPOSTA BIOLOGICA: TIPI DI CONTRAZIONE La contrazione di un muscolo può essere: isometrica (solo sviluppo di forza, a lunghezza costante), isotonica (solo accorciamento, con forza costante), o una combinazione delle due: solo in questo caso viene prodotto lavoro esterno (forza * spostamento).

riposo c. isotonica c. isometrica

Curva tensione-lunghezza: la forza sviluppata dipende dalla lunghezza del muscolo prima della contrazione. E' massima alla lunghezza fisiologica dei muscoli, che corrisponde alla completa sovrapposizione dei filamenti diminuisce per lunghezze maggiori, perché meno ponti possono interagire diminuisce per lunghezze minori, perché i filamenti di actina si sovrappongono Curva della tensione totale, della tensione passiva e della tensione attiva.

Tensione passiva Tensione (forza) Lunghezza (accorciamento)

Tensione attiva Tensione totale Tensione (forza) Lunghezza (accorciamento)

Risposta meccanica: Curva tensione-lunghezza attiva T-Tp Stiramento passivo Tp lo

Curva forza-velocità: la velocità dell'accorciamento diminuisce con il carico; è massima in una contrazione isotonica (Vmax) e zero in una contrazione isometrica (P0). Diversi fattori regolano Vmax e P0.

La potenza è il prodotto della forza per la velocità è massima a circa 1/3 della forza isometrica Il rendimento meccanico di un muscolo è il rapporto fra lavoro prodotto ed energia consumata è massimo alla massima potenza, raggiungendo il 45%. L'energia residua è trasformata in calore.

Diagramma di Hill: rapporto forza/velocità W Vmax Pmax Pmax

I MUSCOLI CHE AGISCONO SULLO SCHELETRO La maggior parte dei muscoli scheletrici è connessa, con le estremità tendinee, a segmenti scheletrici: fanno eccezione i muscoli orbicolari e gli sfinteri. Le cellule sono multinucleate e lunghe quanto il muscolo stesso. Ognuna funziona separatamente dalle altre, ma è coordinata in unità motorie. I comandi nervosi sono essenziali per la contrazione.

La disposizione delle leve presuppone piccoli accorciamenti ed elevato sviluppo di forza Disposizione comune in gruppi agonisti ed antagonisti per il movimento degli arti.

STRUTTURA Oltre alle proteine contrattili, sono importanti gli elementi del reticolo sarcoplasmatico: tubuli longitudinali, cisterne terminali, tubuli trasversali (T). Questi ultimi sono introflessioni della membrana sarcoplasmatica e contengono liquido extracellulare: portano le variazioni di potenziale in prossimità dei sarcomeri.

ACCOPPIAMENTO ELETTRO-MECCANICO Liberazione di Ca++ dalle cisterne terminali in presenza di potenziale d'azione; alta affinità della troponina per il Ca++; riassunzione attiva di Ca++ da parte del reticolo sarcoplasmatico (pompa metabolica, con consumo di ATP); durata del ciclo del Ca++ assai maggiore del potenziale d'azione.

LE BASI MOLECOLARI DELLA CONTRAZIONE La liberazione del calcio

Accoppiamento elettromeccanico Potenziale d’azione legame vescicole sinaptiche con proteine di fusione . Liberazione di Acetilcolina Nello spazio intesinaptico Allontanamento delle vescicole vuote . Apertura canali Na+/K+ e depolarizzazione . . . . . Apertura voltage-gated dei canali ca++ reticolo sarcoplasmatico Contrazione muscolare

REGOLAZIONE DELLA CONTRAZIONE SCOSSA SEMPLICE: risposta meccanica ad una singola stimolazione. Contrazione seguita da rilasciamento, con sviluppo di forza (o accorciamento) ridotto; la risposta meccanica dura almeno 10 volte più a lungo del potenziale d'azione.

Scossa semplice

TETANO INCOMPLETO: risposta meccanica a stimolazioni ripetute con intervalli più brevi del ciclo del Ca++ : rilasciamento incompleto e maggiore sviluppo di forza (o accorciamento)

Tetano incompleto

TETANO COMPLETO (FUSO): risposta meccanica alla stimolazione ad alta frequenza (20-60 Hz). Non avviene rilascimanto e lo sviluppo di forza (o l'accorciamento) è massimo

Tetano completo

SPIEGAZIONI: progressivo accumulo di Ca++ intracellulare all'avvicinarsi degli stimoli. Mantenimento in tensione degli elementi non contrattili (visco elastici), che sottraggono la maggior parte del lavoro compiuto dai sarcomeri nella scossa semplice.

RIFORNIMENTO DELL'ATP: Depositi intracellulari (5 s); Per fosforilazione diretta dell'ADP dal creatinfosfato (20 s) [anaerobico alattacido]; Per glicolisi anaerobica (consumo di glucosio e delle riserve di glicogeno), con formazione di acido lattico(2 min) [anaerobico lattacido]; Per fosforilazione ossidativa attraverso il ciclo di Krebbs, con consumo di ossigeno [aerobico].

Concetto di debito di ossigeno. Fibre veloci (pallide): es. coniglio, petto di pollo Fibre lente (rosse): es. lepre; coscia di pollo Diverse strategie metaboliche nei diversi tipi di fibra muscolare. Fatica muscolare Accrescimento e adattamento (allenamento).

Tipo I SO S ST Tipo IIa FO FR FTa Tipo IIx FG FF FTb Fibre muscolari rosse bianche

ATP  ADP + P1 + Energia 1) meccanismo anaerobico alattacido 2) meccanismo anaerobico lattacido 3) meccanismo aerobico 3

Tipo IIx Tipo IIa Tipo I Velocità, durata, forza di contrazione e resistenza dipendono dalle caratteristiche enzimatiche dell'ATPasi miosinica e dal metabolismo cellulare

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