Il muscolo: struttura e contrazione, Dispense di Fisiologia

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Tre tipi di tessuto muscolare: - Il muscolo scheletrico si presenta striato a causa della disposizione delle miofibrille in sarcomeri, le cellule sono fibre muscolari polinucleate perché derivano dalla fusione dei mioblasti durante lo sviluppo embrionale. -Il muscolo cardiaco striato ma con cellule più piccole che sono binucleate e hanno la particolarità di essere collegate tra loro attraverso i dischi intercalari che contengono le gap junction, importanti per la trasduzione dell'impulso elettrico ->conferisce il comportamento di sincizio funzionale e garantire l'attività contrattile sincrona -Il muscolo liscio con cell piccole, fusiforme, mononucleate e prive di striatura Scheletrico Associato al movimento dello scheletro ma anche a livello addominale, oculare, in alcuni sfinteri (a livello dei visceri il cui grado di contrazione va a regolare il passaggio di molecole tra due compartimenti), nei muscoli respiratori -> La contrazione del tessuto muscolare scheletrico non è mai spontanea ma viene innescata da un segnale nervoso con un motoneurone L'attacco alle ossa avviene mediante tendini e abbiamo sempre l'associazione di un muscolo agonista che si contrae con uno antagonista che si rilascia Dal muscolo scheletrico si passa al fascicolo muscolare cioè un fascio di fibre e poi alla fibra muscolare Nella singola fibra muscolare la membrana plasmatica o sarcolemma: presenta delle invaginazioni detti tubuli a T che hanno il compito di condurre il pda all'interno della fibra muscolare. Il reticolo sarcoplasmatico presenta delle cisterne longitudinali che decorrono parallelamente alle miofibrille e delle cisterne terminali che decorrono parallelamente ai tubuli a T -> il tutto va a costituire le triadi: tubulo a T affiancati ai due lati da una cisterna terminale L'organizzazione delle miofibrille all'interno della fibra muscolare: sono disposte in fasci paralleli di filamenti spessi e sottili formanti l'unità funzionale detta sarcomero delimitati da due dischi-Z I filamenti spessi sono costituiti dalla proteina miosina che è costituita da due catene pesanti e due leggere. Le catene pesanti sono a loro volta formate da una coda a doppia elica avvolta a spirale e due teste che sono proteine globulari con attività ATPasica (rappresentano il motore molecolare del sarcomero) + sito attacco per l'actina Il filamento spesso è formato da circa 300 molecole di miosina disposte con le teste tutte rivolte verso l'estremità del sarcomero mentre nel centro di esso troviamo la parte filamentosa (miosina nuda, priva delle teste) Muscolo I filamenti sottili sono composti da più proteine: actina in forma filamentosa, ossia actina polimerica data dall'associazione di più actine globulari che rappresentano i monomeri cioè actina-G, che formano due catene elicoidali; tropomiosina che per ogni giro dell'elica dei actina (ogni 7 monomeri) ve ne si inserisce una; complesso delle troponine associate alla tropomiosina Nel complesso delle troponine è presente la troponina-C in grado di legare Ca2+ che è in grado di regolare l'interazione tra actina e miosina: in assenza di calcio la tropomiosina è disposta in modo da mascherare, coprire, i siti di legame dell'actina per la miosina. Quando abbiamo un aumento di calcio intracellulare, questo si lega alla troponina-C che induce un cambio conformazionale che sposta la tropomiosina dai siti di legame per actina-miosina permettendo la loro interazione quindi la formazione dei ponti trasversi e lo scorrimento dei filamenti sottili su quelli spessi e la contrazione Banda A: comprende tutta la lunghezza del filamento spesso Banda H: comprende la regione del filamento spesso non sovrapposta ai sottili Banda I: comprende solo i sottili Con la contrazione la zona H e I si accorciano mentre la A rimane costante Meccanismo contrazione• Lo dividiamo in due fasi: la fase di eccitazione che va fino alla stimolazione della fibra, e l'accoppiamento eccitazione-contrazione cioè come passiamo dall'evento elettrico a quello contrattile Nella fase 1 tutto ha inizio con il terminale presinaptico del motoneurone somatico in cui arriva il pda, questa depolarizzazione causa l'apertura dei canali al calcio voltaggio dipendenti, ingresso di calcio nei canali e aumento del livello del calcio intracellulare, attivazione del meccanismo di rilascio delle vescicole sinaptiche che si fondono con la membrana del terminale presinaptico. Il neurotrasmettitore coinvolto è l'acetilcolina che viene rilasciata nello spazio sinaptico e che sulla membrana postsinaptica cioè della fibra muscolare scheletrica, andrà a legarsi ai recettori nicotinici, recettori canale cationici in cui avremo l'ingresso di Na e fuoriuscita di K. L'ingresso di Na prevarrà perché la driving-force è maggiore e porterà alla depolarizzazione a livello della fibra o potenziale di placca Esso è sempre un potenziale soprasoglia quindi in grado di innescare un pda nella fibra muscolare scheletrica Nella fase 2 coinvolge i tubuli a T adiacenti alle cisterne terminali in cui viene immagazzinato lo ione calcio. Il pda a livello del sarcolemma si trasmette nei tubuli e questa depolarizzazione viene trasmessa anche a particolari proteine dei tubuli detti recettori per le diidropiridine, sensori del voltaggio. Quando arriva questa depolarizzazione cambiano di conformazione andando a interagire meccanicamente con proteine presenti sulla membrana delle cisterne terminali e l'interazione tra le due proteine apre le proteine presenti sulla membrana delle cisterne, i recettori rianodinici che sono dei canali per il calcio, che permettono il rilascio del Ca dal reticolo. Il calcio aumenta di concentrazione nella fibra muscolare e andrà a legarsi poi nella troponina-C … Ciclo dei ponti trasversi• Le teste della miosina sono debolmente legate all'actina e all'ADP+P (già avvenuta l'idrolisi)1. In questa condizione le teste della miosina sono orientate di 90° rispetto ai filamenti sottili Arriva il calcio che è stato rilasciato dal reticolo, si lega alla troponina che induce lo spostamento della tropomiosina e il legame tra actina e miosina diventa un legame forte Colpo di forza o power-stroke: le teste della miosina energizzate dall'idrolisi di atp, si piegano a 45° rispetto ai filamenti sottili che di conseguenza scorrono in avanti verso il centro del sarcomero che si accorcia. In questa fase abbiamo prima il 2. Evento che vede l'interazione tra le teste della miosina e l'actina globulare, colpo di forza e scorrimento dei filamenti sottili su quelli spessi e la contrazione. Si suddivide questo processo in 4 fasi: Altre proteine accessorie dette proteine giganti: Nebulina: associata all'actina, mantiene allineati i suoi filamenti Titina: conferisce stabilità e elasticità alle molecole di miosina Un'attività fisica intensa ma di breve durata può essere sostenuta utilizzando le riserve di atp direttamente presenti nelle fibre muscolari e il pathway della fosfocreatina. Se passiamo a un'attività leggermente più lunga dell'ordine dei minuti si utilizza la glicolisi anaerobica; ma se dobbiamo fare un'attività di resistenza (prolungata per ore) questi pathway non sono sufficienti e l'organismo utilizzerà il metabolismo aerobio, fino alla soglia anaerobica oltre la quale sopraggiunge il fenomeno della fatica muscolare La fatica muscolare è una condizione per cui il muscolo non è più in grado di generare una tensione. È un processo complesso che comprende fattori di affaticamento centrale e periferici. Con i fattori di affaticamento centrale intendiamo la sensazione di non poter proseguire l'esercizio che rappresenta una sorta di protezione avviata dal sistema nervoso prima ancora che insorga la vera e propria fatica muscolare, per proteggere il muscolo scheletrico da un esercizio eccessivamente faticoso La fatica periferica riguarda tutti gli step del processo di contrazione a partire dalla trasmissione del pda, conduzione impulso, liberazione calcio, ponti trasverso, sensori del voltaggio.. Tutti step che subiscono un affaticamento Acido l'attico non è responsabile del dolore post esercizio perché tale acido prodotto dalla glicolisi viene rapidamente rimosso dall'interstizio dalla circolazione sanguigna. Il responsabile è il meccanismo che rilascia neurotrofine NGF e GDNF, prodotte dalle fibre muscolari e cellule satelliti, che andrebbero ad attivare dei nocicettori dando un'iperalgesia Tre fattori che modulano la forza di contrazione: la frequenza di stimolazione da parte del motoneurone sulla fibra, numero di fibre muscolari reclutate, dimensione delle fibre ed infine aggiungiamo come quarto fattore il grado di stiramento del muscolo La tensione si relazione alla lunghezza del sarcomero, relazione tensione-lunghezza: la lunghezza del sarcomero è in relazione con il grado di sovrapposizione di filamenti spessi e sottili, in quanto la tensione sviluppata è direttamente proporzionale al numero di ponti trasversi che si formano tra teste della miosina e siti sull'actina. Lente ossidative o di tipo 1 -> sviluppo lento dell'attività contrattile (gambe)• Rapide ossidative glicolitiche di tipo 2a -> per movimento rapido fine (oculari)• Rapide glicolitiche 2b • Fattori che modulano la velocità della contrazione: la velocità dipende dal tipo di metabolismo della cell muscolare -> bisogna classificare le fibre in: La diversa velocità della contrazione è determinata dall'isoforma di miosina atpasi per cui nelle lente abbiamo l'isoforma che ha una lenta attività atpasica e viceversa; un altro parametro è la velocità di recupero del calcio nel reticolo sarcoplasmatico Per quanto riguarda la resistenza alla fatica, le lente ossidative sono molto resistenti, le rapide si affaticano più rapidamente -> questo dipende dalla quantità di mioglobina e dal tipo di metabolismo (glicolitico rapido affaticamento, aerobio resistente) Le fibre lente ossidative sono caratterizzate da un colore più scuro dovuto da un'alta concentrazione di mioglobina. Metabolismo ossidativo, alta richiesta di ossigeno, la mioglobina è una proteina legante ossigeno (maggior affinità per l'ossigeno rispetto all'emoglobina), molti mitocondri, elevata capillarizzazione e piccola dimensione di diametro Al contrario le fibre glicolitiche hanno diametro maggiore, colore più pallido perché avendo un metabolismo prevalentemente anaerobio, glicolitico, hanno minor mioglobina così come meno densità di mitocondri e capillarizzazione In un muscolo avremo un mix di tali fibre ma prevarranno quelle rapide in muscoli che richiedono movimenti veloci e così via; dipenderà anche dalla predisposizione genetica individuale C'è la possibilità dei muscoli di poter effettuare uno switch metabolico delle fibre in modo di adattarsi al tipo di esercizio a cui devono sottoporsi. Si assiste a un aumento della capillarizzazione delle fibre per apportare la massima quantità di ossigeno e nutrienti, aumento del numero di mitocondri e nuova sintesi di mioglobina come riserva di ossigeno; si ha anche un aumento di resistenza alla fatica e si ha una modulazione del metabolismo (avviene nelle fibre veloci intermedie) che diventa ossidativo Allo stesso modo possiamo avere un adattamento a un movimento anaerobico ad alta intensità in cui verranno utilizzate le fibre glicolitiche: avremo una ipertrofia delle fibre per un aumento della sintesi proteica o per la fusione delle cell satelliti con le fibre; avremo poi un aumento contenuto di glicogeno che sostiene la glicolisi anaerobia, aumento tess connettivo e modulazione del metabolismo sulle fibre intermedie che cambiano da metabolismo parzialmente ossidativo a glicolitico Lunghezza del sarcomero detta a riposo ottimale in cui abbiamo la sovrapposizione tra filamenti spessi e sottili che ci dà la massima tensione e corrisponde a valori di lunghezza compressa tra 2-2.3micron; se andiamo a lunghezze superiori abbiamo una sovrapposizione solo parziale dei filamenti quindi una formazione di ponti trasversi inferiore al caso precedente e infatti abbiamo una riduzione della tensione. In E abbiamo un sarcomero così allungato da non presentare sovrapposizioni tra filamenti e la tensione è 0. una riduzione di tensione lo osserviamo anche nel caso A e B in cui c'è un eccessivo accorciamento del sarcomero, i filamenti spessi arrivano a ridosso del disco Z quindi l'impossibilità di scorrimento dei filamenti Due particolari specializzazioni del muscolo scheletrico dei vertebrati, organi generatori di calore e gli elettrociti, in cui il muscolo ha assunto una funzione che non ha nulla a che fare con la contrazione: l'organo generatore di calore che troviamo soprattutto nei pesci, è un muscolo modificato a livello perioculare che l'animale utilizza per riscaldare il sistema oculare in acqua fredda attraverso il ciclo futile del calcio per cui è continuamente rilasciato nel reticolo e rientra consumando atp che deriva dalla fosforilazione ossidativa Elettrociti sono cellule che troviamo in organi elettrici di alcuni pesci che sono in grado di rilasciare scariche elettriche. Questi elettrociti derivano da mioblasti scheletrici e questo differenziamento viene indotto dall'innervazione su queste cell da parte da elettromotoneuroni Muscolo liscio Localizzato a livello della parete di organi cavi con attività contrattile che serve a modificare la forma dell'organo A livello vascolare, gastrointestinale, urinale, riproduttivo, oculare e respiratorio Particolare forma affusolata con un nucleo centrale, miofibrille intrecciate a formare un reticolo (non più a fasci paralleli) -> a seguito della contrazione avremo un accorciamento della cell muscolare liscia in tutte le direzioni (non solo longitudinale) assumendo una forma globosa. Avremo sempre fasci di filamenti sottili di actina e spessi di miosina che sono prevalentemente disposti verso la parte periferica della cell e sono ancorate alla membrana a delle placche di ancoraggio di natura proteica e negli incroci sono tenuti insieme da corpi densi sempre di natura proteica Le teste della miosina sono disposte su tutta la lunghezza del filamento e questo fa sì che durante la formazione dei ponti trasversi i filamenti di actina possano scorrere per una lunghezza maggiore sul filamento spesso senza mai trovare la fine del sarcomero Isoforma diversa della miosina Il muscolo liscio può essere stimolato sia dal sistema nervoso autonomo sia da sostanze paracrine o ormoni (può essere anche un segnale inibitorio) La sinapsi è molto meno organizzata: abbiamo una formazione di varicosità nel terminale presinaptico che contengono le vescicole di neurotrasmettitori che verranno poi rilasciati e diffonderanno per una certa distanza prima di arrivare sulle cell muscolari lisce Le cellule sono organizzate in tessuto unitario o multiunitario Le cell sono fra di loro associate da gap-junction permettendo il passaggio rapido dell'impulso elettrico cosi che tutto il tessuto si comporta come un sincizio funzionale assicurando attività contrattile sincrona (digerente) Ciclo contrazione-rilasciamento • Il trigger, l'effetto scatenante è un aumento della concentrazione di calcio intracell ma nel muscolo liscio può derivare sia dal reticolo sia dall'esterno. Altra differenza non abbiamo la troponina ma il calcio andrà a legarsi alla calmodulina, si viene a formare il complesso Ca-calmodulina che attiva una chinasi della catena leggera della miosina o MLCK la quale va a fosforilare le catene leggere della miosina aumentandone l'attività atpasica. Di conseguenza la formazione dei ponti trasversi e attività contrattile Il rilasciamento inizia con riduzione del calcio citosolico che viene in parte recuperato nel RE in parte estruso all'esterno attraverso calcio-atpasi o scambiatore K-Ca -> dissociazione dalla calmodulina e riduzione attività della chinasi + intervento di una fosfatasi che toglie il fosfato dalla testa della miosina riducendone l'attività atpasica e quindi la tensione muscolare I canali coinvolti nell'ingresso di calcio possono essere voltaggio/ligando-dipendenti o attivati dallo stiramento (es. tess vascolare) o che deriva dai depositi dopo adeguate vie di trasduzione del segnale (fosfolipasi-C con substrato IP3) Comportamento di potenziali a onde lente: oscillazioni ritmiche del potenziale di membrana nel tempo, si tratta di onde lente che rimangono sotto la soglia per l'avvio del pda (movimenti peristaltici) ma se la supera farà seguito l'attività contrattile (peacemaker) Accoppiamento farmaco-meccanico: stabilità del potenziale di membrana ma la tensione varia in base all'aggiunta di sostanze chimiche che modificano una via di trasduzione es. fa rilasciare calcio dal reticolo e successiva contrazione in assenza di variazioni del potenziali di membrana ciascuna cell ha un'attività indipendente dalle altre assicurando una contrazione più fine e regolata (oculare) l'utero è normalmente multiunitario ma nell'ultimo trimestre di gravidanza subisce una transizione a unitario per assicurare la sincronia per il parto (dovuto agli ormoni) Attività contrattile variabile come l'attività fasica che ha alla base le onde lente in cui vi è un'alternanza di fase contrattile e rilasciamento, oppure tonica attività contrattile mantenuta nel tempo Nello scheletrico e cardiaco l'attività è più rapida mentre nel liscio viene mantenuta più a lungo grazie a un minor consumo energetico Gli invertebrati possono presentare anche tessuti misti striati-lisci o anche il tessuto striato obliquo -> una struttura in cui non abbiamo un allineamento dei sarcomeri e la striatura-Z risulterà obliqua ai filamenti poiché ogni sarcomero è connesso ad un corpo denso proteico presente nelle invaginazioni del sarcolemma Questo permette attività contrattile localizzata con controllo anche su un singolo sarcomero In alcune muscolature degli invertebrati lo stimolo da parte del motoneurone induce solo un potenziale postsinaptico eccitatorio nella fibra muscolare scheletrica e non un pda; farà seguito un'attività contrattile che può essere incrementata da sommazione da successivi potenziali postsinaptici eccitatori. Inoltre nei loro muscoli si ha presenza di sinapsi inibitorie Muscoli asincroni delle ali vengono attivati dallo stiramento che viene generato a sua volta dall'attività contrattile del loro muscolo antagonista -> alternanza di contrazione e stiramento tra muscoli agonisti e antagonisti. I muscoli sono in grado di generare cicli multipli di contrazione e rilasciamento a seguito di una singolo pd, seguirà un aumento di calcio nella fibra che non verrà recuperato in cui si ha l'alternanza di contrazione-rilasciamento Questi muscoli agonisti antagonisti si trovano a livello del torace e sono il muscolo verticale e longitudinale: la contrazione del verticale porta al sollevamento delle ali e un allungamento del torace che genera lo stiramento dei longitudinali a cui segue la loro contrazione; gli altri muscoli longitudinali intanto si stavano rilasciando, abbassamento delle ali, il torace viene schiacciato, stiramento dei verticali che ora sono attivati -> il ciclo continua permettendo movimento ad alta frequenza a partire da un singolo stimolo Muscoli catch dei bivalvi che oltre fase attivati contrazione possono andare in contro a fase catch cioè rimane la contrazione seppur è avvenuto il declino del calcio -> grazie a proteina twitchina che se defosforilata assicura il mantenimento del legame acetilcoina-miosina. Inoltre abbiamo attivazione contrazione innescata da acetilcollina e rilasciamento dalla serotonina Osservazioni: ✓ Qual è un muscolo liscio ad attività fasica? Il muscolo dello sfintere gastro-esofageo è un muscolo ad attività tonica. Il muscolo liscio del diaframma non esiste! Il diaframma è un muscolo scheletrico. La risposta corretta è: il muscolo liscio dell'intestino I meccanismi che regolano la forza di contrazione in un muscolo scheletrico sono: - la frequenza di stimolazione da parte del motoneurone sulle fibre della sua unità motoria (sommazione degli eventi contrattili=tetano). - l'intensità di stimolazione sul nervo che contiene i motoneuroni (principio del "size-principle"). Aumentando l'intensità di stimolazione sul nervo viene reclutato un numero crescente di unità motorie - il grado di stiramento delle fibre muscolari (relazione tensione-lunghezza)