THE MOLECULAR BASIS OF TRAINING ADAPTATION (Coffey VG & Hawley JA, Sports Med 2007; 37: 737) CONTROL OF THE SIZE OF THE HUMAN MUSCLE (Rennie MJ, Wackerhage.

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1 THE MOLECULAR BASIS OF TRAINING ADAPTATION (Coffey VG & Hawley JA, Sports Med 2007; 37: 737) CONTROL OF THE SIZE OF THE HUMAN MUSCLE (Rennie MJ, Wackerhage H, Spangerburg EE & Booth FW, Annu Rev Physiol 2004; 66: 799) I muscoli che non lavorano perdono massa e forza (ipotrofia, atrofia; sarcopenia) I muscoli sottoposti a tensione (attiva – contrazione, passiva – stiramento) aumentano massa e forza (ipertrofia) I muscoli sottoposti ad attività prolungata di bassa intensità aumentano la resistenza alla fatica e il consumo di ossigeno

2 ALLENAMENTO (TRAINING) Effetti specifici dellaumento di una funzione specifica: miglioramento della funzione specifica VARIABILI: intensità durata frequenza

3 EFFETTI: da carico in eccesso (overload) Tutte le cellule si modificano (remodeling) Distruzione/ rimozione Ricostruzione/sinte si proteica Dimensioni/funzioni segnali Distruzione/ rimozione Ricostruzione/sinte si proteica segnali

4 ALLENAMENTO DELLA FORZA Effetto della prima contrazione massimale o ripetizioni submax Forte dipendenza da condizioni iniziali: scarsa attività detraining Fattore principale: volume muscolare, sezione trasversa

5 ALLENAMENTO DELLA FORZA Importanza degli elementi non contrattili Importanza della disposizione del muscolo es. pennazione La forza aumenta anche per migliore attivazione delle unità motorie

6 ALLENAMENTO DELLA FORZA La massima forza si esprime con una contrazione eccentrica Per contrazioni isometriche 1/2 forza Nelle contrazioni concentriche la forza è inversamente proporzionale alla velocità Un movimento reale non può essere perfettamente isotonico, perché la rotazione intorno alle articolazioni modifica le leve

7 ALLENAMENTO DELLA FORZA Effetti: Sulla massa muscolare: ipertrofia iperplasia Sul fenotipo (tipi di fibre) Sul controllo motorio

8 ALLENAMENTO DELLA FORZA Ipertrofia Aumento dellarea di sezione: effetto diretto sulla forza sviluppata Aumento di lunghezza, per aggiunta di sarcomeri in serie: spostamento sulla curva tensione/lunghezza

9 ALLENAMENTO DELLA FORZA Iperplasia Aumento del numero di fibre: dimostrato solo in alcuni modelli animali Ruolo delle cellule satellite: vengono sicuramente attivate dallo sforzo Più importanti per lipertrofia: si fondono con le fibre mature, fornendo materiale strutturale, in particolare nuclei (e mitocondri?)

10 ALLENAMENTO DELLA FORZA Ruolo del SNC Strategie: Aumento della frequenza di scarica: tetano completo. Treni dimpulsi: frequenza impulsi nel treno durata treno aumento frequenza treni stimolazione tetanica continua Reclutamento di unità motorie

11 ALLENAMENTO DELLA FORZA Biologia molecolare Tournover proteico: 1 g/kg/dì; semivita 7-15 gg Distruzione/ rimozione Ricostruzione/sinte si proteica segnali Forza Resistenza ( )

12 ALLENAMENTO DI RESISTENZA MECCANISMI CENTRALI Adattamenti cardiaci > volume plasmatico > concentrazione Hb (emoglobina) *** anemia relativa dellatleta: spiegazione aumento 2,3 DPG inganno meccanismo eritropoietina Coronarie: densità capillare; flusso (ruolo NO) Migliore distensibilità ventricolare in diastole

13 ALLENAMENTO DI RESISTENZA MECCANISMI periferici > densità capillare (30-40%): migliore diffusione gas; ridotta velocità di transito Mitocondri: > numero > enzimi ossidativi capacità ossidativa > uso FFA: ruolo di LPL endoteliali migliore economia energetica (ossidativa) Accumulo (relativo) di glicogeno

14 ALLENAMENTO DI RESISTENZA MECCANISMI periferici Aumento estrazione ossigeno ( a-v O 2 ) Aumenta flusso muscolare massimo (iperemia metabolica): ruolo NO Aumenta concentrazione mioglobina

15 Cellula satellite: principale cellula staminale nel m. scheletrico. Fra la lamina basale e il sarcolemma Stato di quiescenza: non si differenziano, non si moltiplicano Attivazione fortissima per: esercizio, danno muscolare, malattie degenerative Stem cells in postnatal myogenesis: molecular mechanisms of satellite cell quiescence, activation and replenishment J. Dhawan and T.A. Rando TRENDS in cell biology (2005) 15:666-673

16 Attiva ricostituzione delle cellule satelliti dopo attivazione per poter ripetere processi rigenerativi Espressione di proteine tipiche (riconoscimento) – Miostatina: mantiene la condizione di quiescenza Lo stato di quiescenza non è una condizione di semplice inattività, ma di controllo dei processi transcrizionali Alterazioni della nicchia che contiene le cellule satelliti ne provocano lattivazione: stadio intermedio altamente proliferativo (cell. Progenitrici)

17 Nei soggetti anziani le cellule satelliti sono meno facilmente attivabili, ma quando attivate proliferano normalmente: il rallentamento correlato con letà è legato a fattori modificabili della nicchia cellulare Il numero di cellule satelliti rimane costante nelladulto: alla prima moltiplicazione cellulare, solo una delle cellule figlie continua la differenziazione, mentre laltra rimane allo stadio staminale

18 Mechanotransduction and the regulation of protein synthesis in skeletal muscle T.A. Hornberger and K.A. Esser Proc. Nutr. Soc. (2004) 63: 331-335 La tensione regola la massa muscolare, anche in vitro: aumenta la sintesi proteica e diminuisce specularmente la degradazione Capacità intrinseca del muscolo scheletrico, a prescindere da fattori di regolazione come: testosterone, glucocorticoidi, fattori di crescita

19 Meccanocezione: accoppiamento di informazione meccanica con eventi biochimici intracellulari. Interessa: A) la membrana; B) il complesso matrice extracellulare-integrina- citoscheletro A) la membrana: bistrato lipidico allo stato semiliquido; resiste alla deformazione. Un aumento della superficie del 2-4% rompe la membrana. La membrana è sovrabbondante (100%), formando pieghe, microvilli, caveole. Questa è una riserva che previene la rottura

20 Attraverso fessure della membrana avvengono scambi di liquido extra-intra cellulare, che attivano eventi intracellulari: questi sono segnali meccanocettivi B) il complesso matrice extracellulare-integrina- citoscheletro. Punti di adesione focale (FA): accoppiamento fisico della matrice extracellulare con il citoscheletro – esempi: giunzioni muscolo- tendinee; giunzioni neuromuscolari; linee Z (costameri).

21 Gli stimoli meccanici hanno effetti differenziati: allungamento allunga le fibre; sovraccarico aumenta la sezione

22 Changes in muscle mass and phenotype and the expression of autocrine and systemic growth factors by muscle in response to stretch and overload G. Goldspink J. Anat. (1999; 194: 323-334) Diversi tipi di cellule rispondono a stimoli meccanici. Generalmente definiti meccanociti: osteociti, fibroblasti, muscolo schletrico, cardiaco e liscio. Lespressione genica è influenzata da stimoli meccanici. La cellula muscolare rappresenta lo stadio teminale di differenziazione di cellule pluripotenti. Vi sono fattori di crescita e di inibizione (miostatine); la regolazione è positiva e negativa

23 I fattori di crescita provvedono alla riparazione locale per tutta la vita. Lipertrofia indotta dallallungamento è regolata da fattori di crescita autocrini Lallungamento stimola la sintesi proteica (regolazione della lunghezza durante laccrescimento). La combinazione di allungamento e forza (stimolazione) ha effetti additivi. Documentato aumento di volume del 35% in 4 giorni; corrispondente aumento dellRNA totale del 250%

24 Fattori meccanici e fenotipo: la frequenza di stimolazione determina il tipo di fibra (esperimenti di innervazione crociata). Questo effetto è in parte indiretto, legato alla deformazione meccanica. Tutte le fibre muscolari sarebbero veloci finché non sono sottoposte a stiramento e stimolazione. Fra i fattori di crescita: IGF1 (insulin-like growth factor) di tipo muscolare.